随着互联网、通信、金融等行业的发展，数据中心产业迈入高质量发展新阶段，在国家“双碳”战略目标和“东数西算”工程的有力指引下，数据中心加快向创新技术、强大算力、超高能效为特征的方向演进。数据中心已经成为支撑经济社会数字化转型必不可少的“算力地基”，是数字经济蓬勃发展的重要引擎。
数据中心作为高显热的大型计算机房，IT设备全年散热能耗巨大。根据Uptime最新报告指出，全球大型数据中心年均PUE为1.59，其中空调系统的能耗占比大于30%。空调系统能耗是制约数据中心PUE值的关键因素，通过空调系统架构的创新，降低空调系统能耗，是未来数据中心走向绿色低碳方向发展恒久的主题。
本文针对国内某新建大型数据中心项目，提出了一种高效节能的冷源空调架构。
项目概况
项目位于夏热冬冷地区，建筑面积约2万平方米，从建筑规模上可以归类为大型数据中心。
原理概述
系统主要设备包括：冷却塔、冷水机组、循环水泵、蓄冷罐、双盘管空调末端等。
冷源系统
1、冷源配置
冷源系统按照《数据中心设计规范》A级标准设计。设置4套制冷单元为末端空调提供冷水，制冷单元3+1套冗余配置，由冷水机组提供冷冻水作为主冷源，冷却塔提供冷却水作为预冷冷源，冷却塔布置于建筑屋面。冷冻水系统和冷却水系统的介质均采用软化水，定压补水分别采用各自的自动定压补水排气装置，补水来自生产加压给水。
2、管网形式
冷冻水和冷却水系统均采用一次泵变流量系统。冷冻水变频循环泵、冷却水变频循环泵与变频离心式冷水机组采用一对一形式，冷却水泵和冷却塔采用一对多形式，冷却水泵采用并联运行方式。
冷冻水系统和冷却水系统的主干管都采用环状管网形式，保证单点故障时系统的正常运行，两个系统均可以根据末端IT设备的冷负荷变化，进行流量调节，达到供水参数的稳定及节能的目的。
3、连续制冷
为保证数据中心的连续供冷，保证冷冻水系统和冷却水系统的供冷可靠性，防止突然停电或机器故障引起制冷系统中断事故，造成数据中心机房的送风温度急剧升高，使服务器高温宕机，影响业务安全，故而在冷冻水系统的供水环路上串联设置闭式蓄冷罐，蓄冷罐总的供应冷冻水时间为15分钟，与UPS后备电源蓄电时间相同，蓄冷罐布置于一层室外地面。另外，在地下一层设置冷却水系统的补水池、软化水处理装置和变频供水机组，为屋面上的方形闭式冷却塔进行补水，补水池的有效储水量可以满足冷却塔12小时的补水用量。当市政自来水停水时，可以通过后备储水池支撑制冷系统连续12小时不间断运行。
末端系统
1、末端配置
IT机房内设置双盘管空调末端，N+1冗余配置，用于IT服务器的制冷，送风采用弥漫送风形式。
2、气流组织
空调设备送出的冷风通过百叶风墙至IT机柜冷通道内，封闭热通道，热回风经过吊顶回至空调设备。此水平置换送风的气流组织，改变了传统地板下送风、上送风和水平行级送风等形式，热通道封闭，提高了IT机房整体热流密度，气流组织更优，且无需架空地板，降本增效。另外，采用弥漫送风形式，可以最大化利用机房的空间，相比于同制冷量的其他形式精密空调，单位冷量下的占地面积更小，供冷密度更高，通过密排布置，更容易实现后期扩展，方便部署，尤其适用于大型数据中心高密度部署，适应更高服务器机架的设计。气流组织和气流场如图1、图2所示。
图1 机房气流组织示意图
图2 机房CFD气流场和温度场模拟结果
3、末端形式
空调设备的冷源接管采用双盘管形式。第一道盘管的冷媒为冷却水，夏季提供预冷冷源，冬季时关闭；第二道盘管的冷媒为冷冻水，提供再冷冷源。
4、工况设定
夏季和过渡季节时，热通道内的空气先经过第一道冷却水盘管预冷，然后再经过第二道冷冻水盘管冷却后送入冷通道内。冬季时，关闭第一道冷却水盘管段，仅开启第二道冷冻水盘管，热通道内的空气直接通过第二道冷冻水盘管冷却后送入冷通道内。
5、节能原理
- 延长自然冷却时间
空调设备采用双盘管的形式，全年均可实现自然冷却，尤其在过渡季和冬季时可以更好地利用自然冷源，减少冷水机组的能耗。同时，IT服务器机柜采用较高的送、回风温度，可以提高冷冻水系统和冷却水系统的供、回水温度，进而提高冷水机组的制冷效率，同时获得更多的自然冷却时间，降低整个数据中心项目的PUE值。
- 合理分配冷量
在每台空调设备的冷冻水回水支管和冷却水回水支管上分别设置能量阀，通过控制能量阀的开度，调节进入冷冻水盘管和冷却水盘管的水流量，从而满足数据机房内的送风温度要求。能量阀由流量计、供回水温度传感器和电动调节阀等组成，可以确保通过阀体的最大流量等于盘管的额定流量，精准控制，不产生过流现象，避免能量浪费。同时可以进行压力无关型的调节，杜绝大流量小温差现象，从而实现节能目的。
- 高效精准送风
IT机房中的空调设备采用群控方式，在每个冷通道内均匀布置温度传感器，采取最不利点处的送风温度，通过空调设备的群控控制器，控制机组的EC风机转速，调节空调设备的送风风量，达到节能目的。空调设备采用EC风机技术，可以节省设备内部的空间，风量大且效率高，功耗和噪音更低，可以实现10%~100%的无极调速，同时可以软启动，无需皮带传动，散热性能更好，故障率更低，从而可以降低数据中心项目中空调设备的能耗，降低PUE值。
冷源控制及运行模式
1、群控系统
制冷单元设置群控系统，冷水机组可以根据冷冻水系统的供回水温度和机组电流自动选择运行台数，以便达到最佳的节能状态。系统管理器监测制冷单元的运行时间，当末端负荷减少时关闭运行时间最长的冷水机组，保持所有冷水机组的运行时间相当。
冷却塔的进出水分别配置温度传感器，可以根据进出水温度来调节风机频率，降低冷却塔的能耗。冷却塔接受来自数据中心大楼BA系统的整体启动和停止控制指令，并将机组的已启动或已停止状态信号、综合报警信号和主要工艺参数送入自控系统。
2、工况控制
- 温度控制
检测冷冻水系统和冷却水系统供、回水管路上的温度、压力和流量。冷冻水系统的供回水温度设定值全年恒定。冷却水夏季供回水温度设定值根据所选择的冷却塔逼近度确定，冬季冷却水供回水温度设定值与冷冻水一致。当冷却水系统的供水温度低于设定值时，调节冷却塔的风机频率，当闭式冷却塔的风机处于最低频率时，调节冷却水系统供回水旁通管上的电动调节阀控制此温度。
- 蓄冷控制
在每个闭式蓄冷罐的出水管上安装温度传感器，监测出水温度。当闭式蓄冷罐的出水温度大于设定值，且冷冻水系统主管温度等于设定值的时间长达2min时，蓄冷罐进行冲冷。另外，在屋面上设置干球温度和湿球温度的检测，为冷源系统的运行模式切换提供室外参数依据。
- 压力控制
系统末端设置压差传感器，可以根据最不利环路压差来控制冷冻水循环泵和冷却水循环泵的频率以及压差旁通阀的开度，保证供回水管路的压差不大于0.10MPa。当末端负载增加时，最不利环路的实际压差变小，这时通过提高循环泵的运行频率使得最不利环路的压差达到设定值。反之，末端负载减小时，最不利环路的实际压差变大，这时通过降低循环泵的运行频率使得最不利环路的压差达到设定值。当循环水泵的运行频率降低至最低频率时，开启供、回水旁通管上的电动调节阀，阀门的开度由最不利环路的压差来控制。
3、模式转换
夏季和过渡季节，末端空调设备开启第一道冷却水盘管进行预冷，同时开启第二道冷冻水盘管进行再冷，此时冷却塔、冷却水泵、冷水机组、冷冻水泵全部开启，蓄冷罐进行蓄冷运行状态。当市电断电时，蓄冷罐进行放冷运行状态，此时冷冻水泵处于全部开启状态，冷却水泵全部关闭。当市电恢复或者柴油发电机系统供电正常后，蓄冷罐进行充冷，充冷完成后，蓄冷罐再次进入正常的蓄冷运行状态。
冬季，冷却水系统的供回水温度达到冷冻水设计温度时，空调设备关闭第一道冷却水盘管，只开启第二道冷冻水盘管，系统将冷却塔提供的冷却水转换至第二道冷冻水盘管进行供冷。此时，冷却塔和冷却水泵全部开启，负担末端空气处理机组AHU的全部冷负荷，冷水机组和冷冻水泵全部关闭，节省制冷所需能耗。蓄冷罐进行蓄冷运行状态，当市电断电时，蓄冷罐进行放冷运行状态，此时冷却水泵处于全部开启状态，冷冻水泵全部关闭。当市电恢复或者柴油发电机系统供电正常后，蓄冷罐进行充冷，充冷完成后，蓄冷罐再次进入正常的蓄冷运行状态。
冷水机组和冷却塔的配电方式为市电供电。夏季和过渡季节时，冷冻水泵的配电方式为UPS电源供电，冷却水泵的配电方式为市电供电；冬季时，冷却水泵的配电方式为UPS电源供电，冷冻水泵的配电方式为市电供电。服务于冷冻水泵和冷却水泵的UPS电源可以在冬夏季时根据运行模式进行切换，共用一套UPS电源，从而降低动力UPS的数量，节省初投资。
结束语
在我国大力发展数据中心的时期，数据中心的能源消耗占比逐步增大，数据中心的PUE值面临着严峻的挑战。通过本文中高效节能冷源系统和双盘管空气处理机组相结合的空调架构形式，可以使整个数据中心项目的PUE值达到1.25以下，满足国家节能政策的要求，对助力我国完成“双碳”目标，推进新一代绿色节能数据中心建设具有重要意义。
