实战案例丨数据中心冷水系统空调末端分析

引言

在大数据、云计算的背景下，全国各地启动了大量数据中心的建设，而空调系统是数据中心的投资、耗能大户。目前，冷水型空调系统因其适用范围广泛、节能效果显著，被广泛应用于大中型数据中心的建设中。空调末端作为冷水型空调系统耗能的重要部分，能耗占比较大，具有一定的节能潜力。

图１为一种典型的利用冷却塔供冷的水冷冷水型空调系统示意图。

1.空调末端形式

根据布置位置的不同，可将空调末端分为房间级、列间级和机架级。

房间级空调末端主要为机房专用空调末端，设置形式为在机房的一侧或两侧设置专门的空调区域，其内布置机房专用空调末端。空调末端送风方式可分为下送风和上送风2种。而机房专用空调末端下送风方式是通过静压箱自下而上输送冷风，是目前最常用的一种空调末端方式。房间级机房专用空调末端的连续耗能运转部件为风机，出于节能考虑，主流厂家均配置具有内置控制器后倾式电子控制换向电动机的风机，即EC风机。

列间级空调末端根据布置位置的不同，又可分为列间空调末端和顶置空调末端2种。

列间空调末端布置在机架的列间，前侧出风，水平吹向机架，经过机架前门并对设备供冷后，经机架后门再回风至空调后部。

顶置空调末端的换热盘管敷设于机架上方，机架热空气经机架后部流出后，经顶置空调盘管冷却，冷空气回到机架进风处。

较房间级空调末端来说，列间级空调末端的气体输送距离短、所需风压小，同时配置EC风机，可显著降低风机功耗。一般需同时采用封闭冷通道（或热通道）措施，优化气流组织，减少混风时造成的损失。

机架级空调末端更贴近机架热源，并与IT机架紧密结合。机架级空调末端安装在机架前门或背板，形成前门空调末端及背板空调末端。为保证空调末端气流组织的均匀性，制冷前门或背板上一般需敷设多个直流风机，每个风机风量较小。

根据冷媒的不同，可将空调末端分为冷水型和热管型。

冷水型空调末端将冷水引入机房，即空调末端换热盘管中的制冷剂为冷水。采用冷水型空调末端，因冷水进入机房内部，需加强防水、检测、报警、排水等措施。

热管型空调末端换热盘管中的制冷剂为氟利昂（或其他相变工质），通过换热器将冷水冷量换热给相应制冷剂，同时该换热器也作为制冷剂的冷凝端，而换热盘管即为其蒸发端，依靠制冷剂相变来实现传热。

热管型空调末端的特点是冷水不进入空调末端换热盘管，按制冷剂是否需要动力来区分，可分为无动力热管型和有动力热管型。热管型空调末端的冷凝端和蒸发端有一定高差，该高差引起的密度差若可以作为制冷剂相变循环的动力，则该热管型空调末端为无动力热管型空调末端；若不能，需增加输配装置氟泵，则该热管型空调末端为有动力热管型空调末端。本文工程应用中提到的为无动力热管型空调末端。

将空调末端按照布置位置、冷媒类型组合后，便得到了表1的几种空调末端形式。

2. 工程应用与测试

在某工程中，选取6个机房规模应用了3种形式的空调末端系统，其中：2个机房应用冷水型列间空调末端；2个机房应用热管型背板空调末端；2个机房应用冷水型前门空调末端。

该工程通信机房单机架平均运行功耗为3KW。通道及机架的尺寸要求如下：通信机架净宽≥600ｍｍ，深≥1000ｍｍ，高≥2200ｍｍ；主走道宽度≥1800ｍｍ，其余走道宽度≥1000ｍｍ；机架正面维护通道≥1000ｍｍ、机架背面维护通道≥800ｍｍ。通信机房室内环境要求：服务器进风温度≤24℃，服务器进风相对湿度40%~60%，热通道回风温度≤32℃。空调冷水供回水温度14℃/19℃。机架布置见图2。

该工程3种空调末端的设计装机量见表2。

可见，热管型背板空调末端的单机架占地面积最小，仅为2.34ｍ2；冷水型前门空调末端的单机架占地面积较小，为2.40ｍ2；冷水型列间空调末端的单机架占地面积最大，为2.52ｍ2。

由表2可知，该工程中空调末端的单机架占地面积比常规的房间级机房专用空调末端的单机架占地面积（2.5~3.5ｍ2／架）小。原因为该工程中的空调末端采用就近供冷原则，不需单独的空调区域，可与机架共用检修通道，故节省装机面积。

对3种空调末端进行横向对比可知：热管型背板空调末端、冷水型前门空调末端的单机架占地面积指标优于冷水型列间空调末端，原因为冷水型列间空调末端占用单机架机位，而机架级空调末端占用单机架宽度，故整个机房的装机面积利用率机架级空调末端占优。其中，热管型背板空调末端和冷水型前门空调末端的单机架占地面积略有差别，是由建筑平面的差别引起的，理论上可认为二者单机架占地面积相同。另外，由于该工程为改造工程，每个机房占用了55m2 的区域用作换热设备及管道区域，故在一定程度上降低了装机率。该工程未进行顶置式空调末端的排布，但通过类比分析可知，顶置式空调末端形式不需占用任何平面空间，故装机率最高。但是，顶置式空调末端需占用额外的建筑层高，在工程应用中可按需选择。

综上所述，不同空调末端形式的装机率由高到低可排列为：顶置式空调末端、机架级空调末端、列间空调末端、房间级机房专用空调末端。

单个机房空调末端电源使用效率PUEkm的计算公式如下：

式中PUEkm为空调末端PUE（不含制冷系统、变配电系统、不间断电源、照明、建筑能耗等）；ΣNkm为某机房所有空调末端设备运行功率，kw；ΣNit为某机房内所有ＩＴ设备运行功率，kw。

空调末端运行功率主要为空调末端风机运行功率及加（除）湿功率，本文不计自控系统能耗。

Nkm的计算公式如下：

式中Nz为空调末端风机轴功率，kw；Ns为加（除）湿功率，kw。

风机轴功率Nz：

式中V为风机的风量，m3／h；p为风机所产生的风压，Pa；η为风机的效率；ηｍ为风机的传动效率。

风机配电功率N：

式中K为电动机容量安全系数，一般取1.1~1.5。

对于空调末端，风机的风量Ｖ：

式中Q为空调末端显冷量，kw；Cp为空气比定压热容，kj／（kg·℃）；ρ为空气密度，kg／m3；Δｔ为空调末端的进出风温差，℃。

其中，空调末端显冷量Q根据机房冷负荷确定：

式中Qit为IT设备发热引起的冷负荷，kw；Qwh为围护结构冷负荷（含照明等），kw；Qxf为新风冷负荷，kw。

机房中IT设备发热引起的冷负荷为机房冷负荷的主要部分，为简化计算，本文根据经验值，作如下简化计算：

该工程机房内设置了单独的加除湿一体机对机房的相对湿度进行控制，原理为湿膜加湿、制冷除湿。因该机房测试时未启用新风系统，且空调末端设备均在干工况下运行，若房间围护结构封闭严密、无人值守，则无湿负荷来源。考虑到实际情况，房间会有一定的空气渗透，式（8）中的末端加（除）湿PUEkm暂按0.002计算。

可见，对于不同的空调末端系统形式，影响空调末端PUEkm的变量主要为ｐ，Δｔ，ηηｍ。根据该工程相关厂家提供的产品选型数据，可得到该工程应用的3种空调末端设计满负荷时的PUEkm。为对比节能效果，同时将冷水型机房专用空调（下送风）末端形式作为参照模型。

由表3可知，冷水型机房专用空调末端、列间空调末端、热管型背板空调末端的进出风设计温差为10~12℃，而冷水型前门空调末端需确保干工况运行，本次设计温差为８℃。风机选型方面，冷水型机房专用空调末端和列间空调末端选用了EC风机，而热管型背板空调末端和冷水型前门空调末端由于单风扇功率小，均采用直流风机。在风机全压方面，热管型背板空调末端与冷水型前门空调末端相近，且冷水型前门空调末端的设计风量略大，风阻略高；而列间空调末端因内部含空气过滤器，且换热盘管的内阻高于背板和前门，故风机全压较大；冷水型机房专用空调由于换热盘管内阻、出风静压等因素，风机全压最大。

由表3可知，该工程机房内列间、机架级空调末端的PUEkm在0.020~0.028之间，相对于冷水型机房专用空调（下送风）末端形式，理论上可节能57％～69％，具有显著的节能效果。

另外，通过表3可知，空调厂家可通过优化产品内部结构降低风阻、采用高效风机等措施实现进一步节能。

该工程建设完成后，通过安装满负荷假负载的方法，对机房内的空调末端系统进行了功能和安全性测试以及空调末端PUEkm测试。

在设计冷水温度工况下，采用假负荷加载到设计满负荷，在24h测试时间内，采用3种空调末端的机房的机架进风温度在（22±2）℃范围内，机房热通道温度＜32℃，进风口的相对湿度为40％～60％，满足设计要求。

通过模拟不同情况下的单点故障进行测试，如模拟列间空调末端单台空调发生故障停转；部分热管型背板空调末端、冷水型前门空调末端发生故障，停转或开门维护，经测试，在各种单点故障发生后，机架进风温升均未超过２℃，满足设计要求。

对空调区、恒湿机及其周边进行漏水测试，系统均有报警信号，漏水可通过泄水槽排出机房。热管型背板空调末端的制冷剂液位下降后自控系统均有制冷剂泄漏报警。制冷剂漏点在白纸或白布上有明显的染色效果，达到维护检漏要求。

通过空调末端自控系统采集了连续运行24h的空调末端用电量以及假负载用电量，两者之比为空调末端PUEkm值。测试冷水供回水温度为14℃／19℃的空调末端PUEkm值，单次测试时间均为24h，测试结果为：热管型背板空调末端，0.0122；冷水型前门空调末端，0.0170；冷水型列间空调末端，0.0157。

可知，上述测试结果优于理论测算值。分析原因如下：１）各种空调末端的主要耗能部件风机采用热备份的方式运行时，综合能耗水平优于标称值；２）测试时段为使用初期，过滤器、换热盘管阻力较小，耗能降低；３）理论测算值的基础数据来源及取定偏于保守。

综上所述，在该工程设计工况条件下，热管型背板空调末端、冷水型列间空调末端、冷水型前门空调末端的实测机房空调末端的PUEkm为0.012～0.017。

本次测试涉及表１所列８种列间级、机架级空调末端形式的３种，相同布置位置、不同冷媒的空调末端可直接类比，顶置式空调末端的耗能构件与列间空调末端相似，可参考列间空调末端测试值。

结论

１）冷水系统中的空调末端形式按布置位置、冷媒的不同，可分为：冷水型机房专用空调末端、热管型机房专用空调末端、冷水型列间空调末端、热管型列间空调末端、冷水型顶置空调末端、热管型顶置空调末端、冷水型背板空调末端、热管型背板空调末端、冷水型前门空调末端和热管型前门空调末端。

２）列间级、机架级空调末端形式的装机率指标优于房间级空调末端形式。

３）测算某工程的机架级、列间级空调末端PUEkm在0.020～0.028之间，相对于（冷水型）机房专用空调（下送风）末端形式，理论上可节能57％～69％，具有显著的节能效果。

４）通过安装满负荷假负载的方法，对某工程机房空调末端系统进行了测试。热管型背板空调末端、冷水型列间空调末端、冷水型前门空调末端的实测机房空调末端PUEkm为0.012～0.017。

作者：罗海亮、娄小军