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海外数据中心冷源选择面面观

发表日期:2020/4/28 16:24:50 来源:现代数据中心网 评论 总点击量:

一  序言

【名词解释】

AHU:Air handling unit, 即空气处理机组,是用于处理空气温度、湿度、洁净度的设备,通常由箱体、风机、过滤网、加湿器、制冷盘管等部件组成。

DX:Direct expansion, 即直膨式制冷。是指制冷剂在蒸发器中膨胀蒸发对空气直接进行制冷,中间不经过水等换热媒介。

COP:Coefficient of performance, 即制冷性能系数。在标准工况下,COP=制冷量/制冷机输入功耗。COP越大,制冷效率越高。

自然冷却:利用自然界较低温度的空气、水等介质来对制冷对象进行制冷,减少机械制冷的开启时间,达到节能的目的。

间接蒸发制冷:间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器将水蒸发得到的冷量传递给被制冷空气实现空气等湿降温的过程。

【概述】

数据中心冷源形式多种多样,可以从不同维度进行归类划分。根据是否采用自然冷源,可以分为机械制冷和自然冷却。根据末端工作媒介的不同可以划分为DX制冷和冷冻水制冷。根据冷凝方式的不同可以进一步分为风冷和水冷。自然冷却根据换热介质的不同可以分为风侧、水侧、氟侧自然冷和自然水冷却(海水、湖水制冷)等形式。图1系统归类了数据中心常见冷源形式。

图1  数据中心常见冷源形式分类

冷源形式形态各异,数据中心冷源选型应该如何确定?纵观海内外暖通系统应用场景可以发现,同样地区,同样气候条件,暖通系统的选择都不尽相同。究其原因,冷源选择需要综合考虑绿色节能、系统可靠性、运维复杂性、建筑限制条件、全生命周期TCO最优等因素,而不是一味追求低PUE的目标。本文将介绍海外数据中心常见冷源形式,剖析利弊得失,以资参考。


二  数据中心冷源选择

1  AHU直通风+机械制冷

【原理】

当室外空气温度低于空调设定送风温度时直接采用新风对机房进行制冷。当室外空气低于送风温度设定时,室外新风与室内部分回风混合后送风。当室外空气温度较高或空气质量较差时,采用机械制冷。当室外湿度超出送风设定范围时,开启加湿或除湿功能。

图2  AHU直通风原理示意图

【优点】

1)相比间接蒸发冷却,直通风无换热损失,进入自然冷却温度设定点较高(室外干球温度低于设定送风温度即可),全年可利用自然冷却时间更长,制冷效率高。

2)相比冷冻水系统维护和控制更简单,更容易实现模块扩展和分期部署。

3)空调模块之间相互独立,故障自动隔离,对运维人员技能水平要求较低。

【缺点】

1)对空气质量要求高,室外空气污染较高时需关闭自然冷却模式,进入机械冷却模式。

2)湿度控制较难。室外空气相对湿度超出标准范围时,需要额外消耗能量加湿或除湿。

【典型应用】

1)美国A运营商美西某机房。如图3所示,AHU安装在楼顶,新风经过AHU后送入机房架高地板,气流组织较好。配备风冷冷机机械制冷在室外高温、高湿、或高污染条件下开启机械制冷。现场参观时,室外温度14度,低于机房送风温度设定,但由于当天下雨,室外空气相对湿度较高,仍然需要启用机械制冷对送风进行除湿。

图3  直通风设备楼顶布置实物图

2)美国B运营商美西某机房。该机房所在地纬度较高,十分适合采用自然冷却。如图4所示,AHU安装在机房旁边,新风管和排风管连接到屋顶通风口。楼顶设置风冷冷机用于机械制冷和除湿。机房送风采用上送上回,AHU通过安装在吊顶的风管送到冷通道,热通道密闭,通过吊顶静压箱回到AHU。

图4  直通风AHU部署于楼层内

图5  进风、排风口和风冷冷机布置于楼顶

3)美国C运营商美西某机房。AHU设置在屋顶。冷风通过风管送到冷通道。热空气通过自然上浮回到AHU回风口,回风阻力较小。送回风通过冷热空气高差密度梯度自然分离,未设置冷热通道隔离,机柜功率密度5.5kw。

【应用注意事项】

1)及时更换过滤网。美国某运营商机房曾经出现过中效过滤网更换不及时,导致灰尘沉积在设备外壳。更换中效过滤器后,现象消失。

2)另外,同一地区D运营商某机房2019年夏天曾出现过机房高湿告警,导致某大客户多个网络设备发生电路板短路故障。

3)新风模式转机械制冷模式过程中,会出现短暂送风量波动,可能会出现机房气流组织不均匀,尤其是对于采用房间侧送风形式的机房容易出现局部热气回流到冷通道的现象。

4)采用地板下送风加密闭热通道的方式相比房间侧送上回,气流组织更均匀,不易出现局部负压问题。

2  风冷DX精密空调+氟泵自然冷

【原理】

室外温度低于设定温度时,压缩机停止,制冷剂旁通,氟泵带动制冷剂循环实现热量迁移到室外。由于氟泵的功率远低于压缩机,因此可以实现节能。

图6  氟泵自然冷却工作原理示意图

【优点】

1)风冷DX安装简单,无冷冻水系统,安装、控制和维护都极其简单。

2)精密空调之间相互独立,天然故障自动隔离,可靠性非常高。

3)对运维人员技能水平要求低,可减少运维人员数量。

4)冬天可利用自然冷却,相比单纯风冷DX制冷效率高。

【缺点】

1)风冷冷凝器换热效率低,夏天COP较低。

2)比单纯风冷DX增加氟泵和储液罐,制冷剂充注量上升,初投资增加。

3)风冷室外机占地较多,密集部署易产生热岛效应。

【典型应用】

风冷DX由于室外机占地面积大,容易产生热岛效应,往往不会被应用于大型数据中心,但美国A运营商美西某机房通过采取技术措施,规避了这些弊端。它采用高效微通道室外机,同时通过钢支架加高室外机,增强室外机散热效果,定期检查室外机清洁情况,避免热聚集效应。此外,国内精密空调厂商均有类似氟泵产品,但主要应用于北方的通信机房或小型数据中心。

图7  风冷冷凝器安装高度和间距示意图

3  间接蒸发冷却

【原理】

利用空气-空气换热器实现室内空气与室外空气的换热;通过喷水蒸发,把室外空气降到湿球温度;空气换热无法满足制冷需求时,开启机械制冷。

图8  间接蒸发制冷原理示意图

【优点】

1)与直通风相比,机房空气与室外空气隔离,运行模式切换不依赖室外空气质量影响,只与室外干湿球温度相关。

2)相比水侧自然冷却,进入自然冷却温度设定点较高,全年可利用自然冷却时间更长,制冷效率高。

3)相比冷冻水系统维护和控制更简单,更容易实现模块扩展。模块之间相互独立,故障自动隔离。

【缺点】

1)通常设置在建筑外墙或楼顶,需与建筑设计相结合。建筑通常是单层或双层。

2)建筑面积过大时,送风距离过长,远端机柜依靠弥漫送风,近端机柜送风速度过快,易出现负压,导致热气回流。

【典型应用】

美国C运营商美东某机房采用标准化的设计架构。机房建筑专门配合采用间接蒸发空调进行设计,采用钢结构大开间设计,上下两层,层高6.7m。每层单侧布置间接蒸发空调,采用侧送风上回风,热通道封闭的气流组织方式。高达6.7m的层高可保证热气自然上升,同时增加热通道的高度,减小回风阻力。

随着间接蒸发制冷在海外,尤其是欧美数据中心市场应用成熟,国内近几年也呈现出逐步推广的趋势。腾讯更是将间接蒸发制冷作为腾讯新一代数据中心架构T-block的主打空调解决方案。

【应用注意事项】

侧送上回的气流组织方式,靠近空调出风口的送风风速过快,容易出现冷热通道之间形成负压,从而导致热气回流的现象。为了减轻这种现象,可以在空调送风口处设置静压箱,通过把动压转换为静压来提高送风均匀性。另外空调运行模式切换,或者轮巡切换也会导致风量波动。机柜应当做好盲板封堵,缝隙添补的工作,避免送回风压差波动导致热通道热气回流造成局部热点。

4  风冷冷机+冷冻水精密空调

【优点】

1)单台冷机制冷量通常在1200KW以下,较水冷冷机小,适合模块化扩容。

2)无需设置冷冻站,不占用室内建筑空间。

3)模块化扩容。冷冻水系统环管一次性做好,预留冷机和末端阀门接口。冷机和末端可随容量扩展情况增加数量,减小项目初期投资。

4)无冷却水系统,系统更简单,没有复杂的水处理,对运维人员水平要求较低。控制更简单,BA系统测点数量大大减少。

5)配置自然冷却盘管可实现自然冷却。

6)相比DX制冷而言,更容易实现连续制冷(设置蓄冷罐)。

【缺点】

风冷冷凝器换热效率较低,冷机COP低于水冷冷机。

【典型应用】

风冷冷机+冷冻水精密空调在北美、欧洲应用广泛。虽然风冷冷机效率不如水冷冷机,但由于其具备系统简单,模块扩容方便,初投资低等诸多优势而广泛应用于全球数据中心。

图9为德国某运营商风冷冷机应用实景。冷机配备了自然冷却盘管,可在冬天实现自然冷却。同时冷凝器配备了水喷淋,可在夏天降低冷凝压力,提高制冷效率。

图9  带自然冷却盘管和水喷淋的风冷冷机

5  水冷冷机+冷冻水精密空调

【优点】

1)单台冷机制冷量大于1000kw,适合大型数据中心。制冷效率高,COP约在5~8,可在全年平均气温较高地区实现较高制冷效率。

2)对建筑结构依赖度较低。

3)结合板换可在冬季实现自然冷却。

4)相比DX制冷而言,更容易实现连续制冷(设置蓄冷罐)。

【缺点】

1)系统控制复杂,重启时间长,对运维人员技能要求高。

2)水质控制困难,运维工作量大。

3)故障需要手动隔离,在出现大量缺水时,故障时间较长。

【典型应用】

主要集中在亚太地区。如中国大陆,中国香港,韩国,日本等机房均有广泛的应用。采用水冷冷冻水系统对运维人员水平要求较高,运营方应当制定详细的应急流程,定期对人员技能进行考核。如,当系统发生较严重漏水时,运维人员需要能够第一时间定位故障,迅速对漏水点进行故障隔离。若处置不够迅速,水量丢失严重,空气进入干管时,补水和排气的时间就会很长。


三  暖通系统选型原则总结

综上所述,暖通系统选型时需综合评估,平衡以下几方面因素:

1)根据气候条件因地制宜。统计全年可采用自然冷却的小时数,确定是否采用自然冷却,采用何种冷却方式。平衡CAPEX和OPEX,达到全生命周期TCO最优。

2)匹配建筑特点。采用风侧自然冷却建筑高度不宜过高。风冷DX高差不宜超出-5~20m范围等。

3)运维复杂程度。水冷冷冻水系统制冷效率更高,但运维难度更高。DX制冷由于系统相互独立更容易实现故障隔离,对运维人员技能要求较低。

4)模块化扩展。风冷系统单机制冷容量较小,更容易匹配业务增长,达到分期投资,优化投资回报率的目标。



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