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      行業方案

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      數據中心熱管空調散熱技術
      一、工程概況

      本項目位于上海市浦東自貿區。機房共有六層,機房為三層至六層,每層機房面積為800m2,預計總機柜數量達到1000臺,單個機柜的發熱量約為2.2KW,該項目總主設備約2200KW的發熱量,機柜在機房內以冷熱通道形式排布;一、二層作為配電區域,主要包括配電間、UPS間、電池間,同時部分區域作為冷凍機房。業主要求機房空調系統設計時整體考慮更換現有機房空調系統,降低PUE值,提高制冷系統能效。

      二、空調系統設計依據及參數 2.1 設計依據

      (1)《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》 GB50736-2012

      (2)《建筑設計防火規范》 GB50016-2015

      (3)《通信建筑工程設計規范》 YD5003-2014

      (4)《電子信息系統機房設計規范》 GB50174-2008

      (5)《公共建筑節能設計標準》 GB50189-2015

      (6) 初步勘測資料

      (7) 其他國家及部門頒發的有關規定等。

      2.2 室內外設計參數及標準

      (1)室外氣象資料:

      配電供電裝置主供電線路(銅排、鋁排叫母排),各分支線(支排)由母排上引下. 母排就是指供電系統中,電柜中總制開關與各分路電路中的開關的連接銅排或鋁排.表面有做絕緣處理.主要作用是做導線用。

      (2)室內設計參數:

      三、冷負荷估算 本方案暫按"功率及面積法"計算機房熱負荷:

      (1)機房建筑總面積約為3200m2,共布置1000臺機柜。單臺機柜功率按2.2kW考慮,則新建機房設備總功率約為2200kW。

      (2)除主要的設備熱負荷之外的其他負荷,如機房照明負荷、建筑維護結構負荷、補充的新風負荷、人員的散熱負荷等按0.12kW/m2計算,總建筑面積為3200m2,則環境熱負荷約為384kW。

      (3)"功率及面積法"計算機房熱負荷公式為:Qt=Q1+Q2 式中:Qt—總制冷量(kW);Q1—室內設備負荷(設備功率×1.0);Q2—環境熱負荷(kW)。

      由上式可得本項目夏季總制冷量為2584kW。

      (4)機房冷負荷指標估算匯總如下:

      四、冷、熱源的選擇及其參數 4.1 冷源

      建議機房采用集中式水冷冷凍水空調系統形式,冷凍水系統供/回水溫度設計為12/16℃。空調末端均采用分離式熱管空調機組,冷凍水空調系統主機均采用高能效比的水冷螺桿冷水機組,冷凍機房詳細布置位置待業主詳細方案設計開始前確定。

      根據空調冷負荷估算,同時考慮后期發展的需要,空調系統總的制冷量考慮部分冗余量,同時考慮到四層機房主設備分期建設的因素,在初期通信設備安裝負荷較小時能在較高COP工況下運行,故選用五臺單臺制冷量為720.8kW水冷螺桿冷水機組,四臺作為主用,一臺作為備用。考慮到機房分期建設,可以前期安裝三臺冷水機組,待后期機房主設備增加時,再增加剩余兩臺冷水機組,以節省初投資。

      集中式冷凍水空調系統中每臺水冷螺桿冷水機組配套1臺板式換熱器,本次設計方案中冷水機組和板換的管道連接方式為并聯,最大限度的利用自然冷源,減少冷水機組開啟時間、提高空調系統的制冷效率,降低能源消耗。

      為保證系統節能運行,冷凍水空調系統配套集中自控系統,系統管道選用電動切換閥門,實現遠程監控與自動切換控制,提高空調系統整體能效。

      4.2 空調風系統

      本設計方案中機房直接做冷熱通道封閉,將冷、熱氣流完全隔離,提高冷量的利用效率。在機柜中布置二級制冷熱管列間空調,機柜熱排風以最短路徑吸入熱管列間空調,進行熱交換后的冷風進入冷通道后又以最短距離進入機柜換熱,氣流組織最短,效率最高,與常規機房恒溫恒濕空調地板送風相比,運行能耗大大減少。

      4.3 空調水系統

      (1)冷凍水系統

      本工程冷凍水空調系統采用雙管制定流量系統,冷水機組與水泵均一一對應設置,冷卻水泵及冷凍水泵均設有備用,主立管供回水管均設計成環路,機房均設置2套循環水路;機房管路設計考慮互用互通,提高安全性;同時,為了保證在局部冷凍水管道或閥門發生故障時可以進行在線維護和維修以及便于機房空調末端分期擴容,本次設計在樓層水平供回水管每個節點兩端設置閥門,保證單點故障或單點維護時不影響整個水系統的運行。

      (2)冷卻水系統

      冷卻水采用低噪音開式冷卻塔,安裝于六層建筑體的樓頂,冷卻水經水過濾器、冷卻水泵加壓后返回冷水機組。冷卻塔存水盤之間設獨立接口且帶關斷閥的連通管,屋面預留補水管及補水計量裝置,溢流、排污水接至屋面排水溝。冷卻塔配置旁通過濾器,冷卻水加藥處理裝置保證冷卻水水質。

      (3)系統補水、定壓

      冷凍水系統通過設置軟化水裝置、軟化水箱及落地式自動補水定壓裝置定壓。落地式自動補水定壓裝置、軟化水裝置均設置在冷凍機房內。

      4.4 本項目中采用的主要節能措施

      (1)二級制冷熱管空調

      本方案的兩級制冷熱管空調末端有兩組獨立的蒸發器,各自對應的冷凝器分別接自然冷源供冷管路和機械冷源供冷管路,熱管等溫相變換熱的特性所具備的低溫差傳熱的優勢使得利用自然冷源更加充分。

      (2)采用變頻電機節約能源

      熱管空調末端風機均采用變頻控制,實現部分負荷時段的節能運行。調速風機一般根據回風溫度控制風機的功率,若回風溫度較低,就降低調速風機的功率減少風量,若回風溫度較高,就提高調速風機的功率增加風量。采用下沉方式安裝調速風機比普通風機節省能耗約35%。

      (3)封閉冷通道技術

      將冷、熱氣流完全隔離(另外要求機柜配盲板,減少冷熱氣流混合),提高冷量的利用效率,可保證不同功耗設備的散熱需要。

      (4)提高回風溫度

      封閉冷通道后,空調回風溫度可提高至35℃左右(傳統機房回風溫度24℃),減少空調系統運行能耗。

      (5)提高冷凍水供回水溫度和供回水溫差

      冷水機組標準的冷凍水供回水溫度為7/12℃,這個溫度大大低于數據中心正常運行在40%左右相對濕度的露點溫度,從而形成大量的冷凝水,需要進一步加濕才能保持機房的環境濕度。這個除濕和加濕過程都是消耗能量的過程。冷凍水的溫度和冷水機組的效率成正比關系,因此,將冷凍水供回水溫度提高為12/16℃,年節能率約提高5%-10%。

      (6)獨立加濕

      機房加濕采用獨立濕膜加濕機,取消空調末端電極式或紅外式加濕功能,大幅降低機房空調系統的運行能耗,節省空調及電源配套的投資。

      4.5 空調系統主要設備表 五、本公司二級制冷熱管空調系統節能計算 5.1 二級制冷熱管空調原理

      本方案的兩級制冷熱管空調末端有兩組獨立的蒸發器,各自對應的冷凝器分別接自然冷源供冷管路和機械冷源供冷管路,第一級自然冷源蒸發器在自然冷源供水溫度達到設定溫度時承擔機房全部顯熱負荷,供水溫度在過渡溫度段作為預冷承擔部分負荷,剩余負荷由第二級機械冷源蒸發器承擔,從而減少了冷凍機組荷載和開啟時間、降低能源消耗。

      熱管等溫相變換熱的特性所具備的低溫差傳熱的優勢使得利用自然冷源更加充分。

      除滿足自然冷源單獨供冷工況的運行小時數外,其余工況均為自然冷源與機械冷源聯合供冷,熱管空調末端作為預冷承擔部分負荷,自然冷源供水溫度不同,承擔的負荷比例也不同,針對本項目情況,并考慮到實際環境溫度與典型氣象年數據的偏差,取0.9偏差系數,匯總數據如下:

      5.2 空調系統全年運行總能耗E

      考慮自控系統性能、日常運營維護、系統設備污垢等綜合附加系數,本項目取1.15

      55.3 PUE值

      機房能效指標是衡量機房能效的量化標準,它可以反映機房運行過程中的電能利用情況,作為機房設計和運維改進的重要依據,并為不同機房之間能效比較提供依據。

      5PUE是國內外數據中心普遍接受和采用的一種衡量數據中心基礎設施能效的指標,其計算公式為: 5PUE = 數據中心總耗電/IT設備耗電 5其中:數據中心的總耗電是維持數據中心正常運行的所有耗電,包括IT設備、制冷設備、供配電系統和其它設施。 5由于本項目供配電及照明系統暫無數據,暫按主設備能耗的6%測算。 5則本項目采用本方案二級制冷熱管列間空調系統運行模式的PUE為: 5PUE=[5950508+1.06X(2200X8760)]/(2200X8760)=1.36 5由以上數據可得出,本方案最終PUE值為1.36。
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