大型数据中心水冷空调末端设备的优化

1、大型数据中心水冷空调末端设备的优化 doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 063 0 引 言 在云计算席卷全球、云计算产业发展浪潮风起云涌的背景 下，建设绿色数据中心、 实现节能减排成为了近年来学术界和产 业界关注的话题之一。 传统数据中心企业原有的数据中心如何尽 快转变成适合云计算要求的云计算中心， 也是迫切需要解决的问 题 1 。传统数据中心制冷系统的末端空调形式主要面向低功率 服务器，较难适应云计算发展潮流。 2017 年某高校在某数据中 心内建立一个应用热管空调技术的机房示范工程，PUE值国内领 先。该数据中心结合现有

2、设备，借鉴末端空调形式，提出针对高 密度服务器机房的优化建议。 1 数据中心现有制冷设备 1.1 现有制冷系统 某中心采用水冷离心式冷水机组作为冷源， 为数据机房全年 供冷。设置4套（3用1备）1150RT制冷单元。每套制冷单元含： 1 台离心式冷水机组、 1 台板式换热器、 1 台冷却水泵、 1 台冷却 水一次泵及 1 台闭式冷却塔。 空调冷冻水系统采用环路设计， 并 用分段阀隔离各个故障点， 保证单点故障时正常运行。 冷冻水系 统采用一次泵定流量、 二次泵变流量系统。 设置 4台冷冻水二次 泵为数据机房服务，二次泵配 UPS电源2。 1.2 现有末端空调形式 每个模块的机房设置 10+2套

3、机房精密空调机组。模块机房 精密空调机组采用下送风上回风的气流方式， 送风经过开孔地板 直接送至冷通道区。 模块机房加湿采用湿膜加湿的方式， 湿膜加 湿器放置在模块机房的空调设备区内。 2 示范工程采用的热管空调技术 2017 年某数据中心作为子课题承担单位，参与国家重点研 发计划课题“数据中心新型冷却技术研发与示范”， 参与示范工 程建设和测试工作。 ?项目建立一个数据中心示范工程，采用项目组所研发的模 块化冷却系统和高效供电系统。项目投用后，预计全年运行 PUE 低于 1.20 ，其中冷却能耗比低于 0.16 ，供电能耗比低于 0.04 。 该示范工程是多项前沿性技术和理论创新的综合体现。

4、 属于国内 领先、国际前沿的数据中心示范点。 2.1 示范项目制冷系统 制冷系统采用全氟热管复合节能空调系统。 全氟热管复合节 能空调是利用室内外空气温度差，通过封闭管路中工质的蒸发、 冷凝循环而形成动态热力平衡， 利用较小的自然温差将室内的热 量高效传递到室外， 维持机房内部良好的工作热环境的节能排热 设备。 2.2 末端空调形式 2.2.1 采用热管背板系统 示范工程项目共有 6 列机柜，其中 E、F 两列为高密度机柜， 单柜功率最小为6kW最大为12kW这两列空调末端采用热管背 板空调与专用的通信机柜相结合的热管排热机柜。 热管依靠内部 工作液体相变来实现传热， 且工作液体的回流依靠重力

5、， 无须其 他动力。 热管排热机柜的风机能自动调速运行， 能按照要求自动 调节室内温度，系统可靠性高、能耗低。热管背板空调具有高可 靠性，高显热比以及大风量的特点， 能够适用于不同散热密度的 数据中心。 2.2.2 采用热管列间系统 本示范工程机房 A-D 列采用热管列间空调系统， 在机柜间预 留位置，安装列间空调。为改善机房气流组织，减少局部热点及 混风损失，提高换热效率，以 2 列为一个微模块的形式，封闭热 通道，从而使机房环境为冷环境。 3 末端空调形式的优缺点对比 根据不同的末端空调形式，从空调应用场合、安全性、初始 投资、后续运行费用、气流组织等方面进行综合对比。 中心现有的末端精密

6、空调适合低密度机房，满足单机柜 4kW 功率的散热需要。但随着 IT 行业的发展、云计算等技术的广泛 应用， IT 设备发热量逐步升高。热管的背板和列间形式能更好 地应对高密度机柜。 4 根据数据中心现状对于高密度机柜机房的优化 本项目室内末端采用热管背板和热管列间相结合的形式， 室 外机采用风冷机组， 整套设备采用全氟利昂系统， 但室外机整体 投资费用较高，而且室外机布局受楼顶区域限制。 针对高密度机房的优化首先要考虑到将高密度机柜进行整 合，集中放置在若干个机房之内，针对这些机房进行优化。以最 小的投入，取得最优的效果。 优化过程中， 考虑以下几方面内容。 4.1 关于冷源的选择 中心现有

7、制冷设备为水冷离心式冷水机组，冷量有较大富 裕。配套闭式冷却塔散热效果好于全氟热管空调室外机。 因此改 造后制冷系统冷源仍使用冷水机组， 考虑使用中间换热器连接热 管。 4.2 关于末端的选择 根据中心实际情况，目前 10 个机房机柜已固定完毕，更换 列间空调需拆除部分机柜， 且入驻高功率服务器， 需要列间空调 数也随之增加，服务器机柜数进一步压缩，此方案不可取。列管 空调末端也可采用吊顶式空调， 但吊顶式空调要求地板与棚顶之 间净高在 4 米以上。 中心机房现有高度不满足条件， 调整吊棚高 度工程量较大， 且吊顶式空调有冷凝水滴落的风险， 此方案不可 取。 末端使用背板空调仅需在现有机柜外增

8、加框架， 将背板固定 在框架之上，机柜厚度增加约200mm施工便利，适宜规划中的 高密度机房使用。4.3 中间换热器的相关要求 根据冷源的选择， 需增加中间换热器。 供热管背板系统的中 间换热单元底部与热管背板顶部应满足一定高差。 中间换热单元 与热管背板在同层安装，应设置在机房与走廊之 ?g 的隔墙上部， 中间换热单元及所接冷冻水管均不得进入机房。 板式换热器建设采用一拖多形式， 每列背板热管配置一组冷 凝器。该冷凝器采用双系统结构，每组冷凝器分为冷凝器A、冷 凝器 B 两个制冷系统。 4.4 冷冻水管路设计 数据中心动力站接出4根DN350的主干管，供水管线形成环 路，在需使用热管末端的机

9、房外预留DN125供、回水接口；根据 机柜数量，机房外预留接口为 10供10回，根据机房设计，每个 机房需配置 2 0个中间换热单元，为避免单点故障，需要将 2根 供水及 2根回水管路分别做成环路， 连接 4个中间换热单元， 为 中间换热器提供冷冻水的供 / 回水，实现管路冷冻水系统双管路 备份系统。 4.5 IT 设备区的热管背板系统制冷剂管路设计 机房机柜每列为单回路管路设计方式热管背板的管路连接 方式为相邻两个机架连接不同的中间换热器。 以满足热管背板系 统单回路冗余备份的设计要求。 当其中一个背板发生故障时， 其 邻近的背板将感应到环境温度有上升的趋势， 此时邻近的背板将 增大循环风量，提高冷量输出，以补偿故障背板的冷量。发生故 障热管背板可在线检修、单独在线更换。 通过以上几方面的改造和优化， 能够在数据中心现有设施设 备的基础上，快速搭建适合高密度服务器的机房。 5 结 语 随着云计算技术的普遍应用， 服