數據中心機房規劃與建設關鍵技術(暖通設計篇)

2020-12-25 暖通設計杜老師

一 IDC環境對空調要求

數據中心是熱密度高的環境與場所,數據中心內的計算機伺服器等IT設備對機房的環境有較高的要求。數據中心內的熱、溼負荷的特點是,既要求空調系統的製冷能力較強,以便在單位時間內消除機房餘熱,又要求空調機的蒸發溫度相對較高,以免在降溫的同時進行不必要的除溼。 同時,數據中心機房應用場地內,其服務對象伺服器、交換機、路由器、存儲等IT類設備,對機房用的空調有著相同的要求。大的單位發熱量對空調的要求

大製冷量:數據中心機房的熱負荷很大,IT類設備的發熱嚴重,致使單位面積熱負荷遠高於辦公區域,即熱負荷很大;因為這些設備不產生溼度變化,所以溼負荷較小。這要求機房的空調製冷能力強,在單位時間內快速消除設備發生的熱量。小焓差:同時要求空調的蒸發溫度相對較高,避免降溫的同時進行不必要的除溼。大風量:因為機房用空調要求送風的焓差小,避免不必要的除溼,而另外又要求大製冷量,所以必須採取大風量的設計。大風量的循環也有利於機房的溫度、溼度等指標的穩定調節,也能保證機房溫度、溼度均衡,達到大面積機房氣流分布合理的效果,避免機房局部的熱量聚集。 大冷風比:冷風比是空調設備的風量和冷量之比。為了提高運行效率、保證機房氣流組織、提高過濾空氣的潔淨度,通信機房要求的空調設備的風量較大,因此數據中心機房、通信機房空調設備比普通舒適性空調的風冷比大,兩者相差近2倍。相對溼度控制的要求

雖然數據中心機房的IT設備不產生溼度的變化,但是機房的溼度必須保證在一個範圍之內,通常為40%-55%。 溼度過低,容易導致電子元器件的靜電產生,造成靜電放電乃至擊穿;溼度過高,又容易導致設備與元器件的表面揭露而出現冷凝水,發生漏電或短路現象而無法正常工作。因此,要求數據中心機房空調機具備加溼與除溼功能,並能將相對溼度控制在允許的範圍內。 除塵與空氣淨化要求

除了溫度和相對溼度的要求外,數據中心機房的空調還必須具備除塵與空氣淨化的性能。由於機房內的灰塵會影響IT類設備的正常工作,灰塵積累在電子元器件上易導致電路板腐蝕、絕緣性能下降、散熱不良等諸多問題,要求數據中心機房空調機的空氣過濾器具備良好的除塵與空氣淨化功能。 不間斷的可靠運行

IT類設備不間斷運行,也要求空調機能365d×24h地不間斷可靠運行。即使在冬季也需要提供相應的製冷能力,並能穩定滿足冷凝壓力與北方寒冷低溫運行環境的要求。 數據中心機房的可靠性要求很高,空調機必須在工作壽命(通常要求為8年)內可靠穩定運行,為機房提供恆溫、恆溼的環境。可監控、可管理的要求

數據中心的空調機組數量較多,必須進行科學、專業的維護與管理,這要求具有空調機組的遠程監控和管理功能。同時,數據中心的空調是主要的能耗設備之一,要求空調機組的節能運行,也需要空調的可監控、可原理。二 常用空調原理介紹

空調:空氣調節器的簡稱製冷:從低於環境溫度的空間或物體中吸收熱量,並將其轉移給環境介質的過程稱為製冷。空調用製冷技術屬於普通製冷範圍,主要是採用液體氣化製冷法。主要是利用液體氣化過程要吸收比潛熱,而且液體壓力不同,其沸點也不同,壓力越低,沸點越低。根據熱量從低溫物體向高溫物體轉移的不同方式,可分為:蒸氣壓縮式製冷、吸收式製冷。對於蒸氣壓縮式製冷,其工作原理就是使製冷劑在壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等熱力設備中進行壓縮、放熱、接流和吸熱四個主要的熱力過程,以完成製冷循環。

風冷式系統工作原理與普通舒適性家用空調完全一樣,僅有一個製冷劑循環系統,室內機和室外機之間一般通過銅管連接,通過製冷劑的蒸發與冷凝完成熱量的轉移。水冷系統普通冷水主機風冷式:高溫回水流入機組,被製冷劑盤管冷卻,製冷劑將熱量帶到風冷冷凝器中,由風機驅動環境空氣對其進行強制散熱;水冷式:製冷劑由冷卻水降溫散熱,一般需要建設冷卻塔。自然冷卻冷水主機:當室外溫度較低時,利用冷空氣冷卻高溫回水,不需要開啟壓縮機即可為空調室內機提供冷量。雙冷源系統

《暖通設計實時在線教學》

風冷式機組在現有的數據中心機房的應用最為廣泛。優點:直接蒸發製冷循環,沒有冷凍水和冷卻水系統。每個機組都有自帶的壓縮機,可以在每個機房內實現N+1的備份方式。安裝內容相對簡單。室外機安裝分散,不需太多考慮室外機承重問題。日常維護相對簡單,不需考慮水系統。缺點:對於大型數據中心,常用的風冷機組、壓縮機製冷系統均需要一套製冷銅管連接,工程量巨大。室內機、室外機距離受到限制,當量長度大於50m時效率會有較明顯的下降。在大型數據中心中室外機由於數量較多,佔用的面積要相對大一些。

優點:冷凝器、蒸發器均在室內機內部,製冷循環在機組內部完成,製冷效率相對風冷高不需要室內、室外機的連接銅管,只需要一組冷卻水管道可以將所有的機組連接在一起,在大型數據中心系統裡,工程量能相對減少,不存在室內、室外機距離限制可用幾組較大的室外乾冷器做N+1備份工作方式,在中大型數據中心佔地面積相對較小擴容方便,初期設計時留好接口,不需要在投入使用後需要擴容時再尋找室內、室外機通道。水循環管道不需要太厚的保溫處理,節省通道空間。缺點:數據中心內部帶有水循環系統,需要設置防漏水檢測系統和防護措施。施工工程相對複雜,需要有壓力管道施工工藝的工程隊完成。日常維護的工作較風冷型複雜,對水質的要求相對較高,故障率和維護成本較高,容易形成單點故障,但比冷凍水型簡單。節能效果有限,在中小機房使用能耗較高。三 製冷需求測算方法

千瓦(kW)—國際單位制,把製冷量統一到功率相同單位,是現在製冷界努力的方向。大卡(kcal/h)—習慣使用單位,與kW的換算關係為 1大卡 = 1.163W 1W = 0.86大卡 1萬大卡=11.6千瓦冷噸(RT)—1噸0℃的冰在24小時內變成0℃的水所吸收的熱量。日本冷噸:1000千克水、美國冷噸:2000磅水。 1冷噸=3.517kW匹(HP)—又稱馬力、匹馬力,即表示輸入功率,也經常表示製冷量。表示功率時 1HP=0.735kw表示製冷量時,實際含義為消耗1hp功率所產生的製冷量 1HP--2.2KW精密空調的負荷一般要根據工藝房間的實際餘熱餘溼以及狀態的變化進行準確計算,但在條件不允許時也可估算,下面介紹兩種簡便計算方法:方法一:功率及面積法

Qt=Q1+Q2

Qt 總製冷量(KW)

Q1 室內設備負荷(=設備功率×0.8)

Q2 環境熱負荷(=0.18kW/m2 ×機房面積)

方法二:面積法(當只知道面積時)

Qt=S×P

Qt 總製冷量(KW)

S 機房面積( m2)

P 冷量估算指標(根據不同用途機房的估算指標選取)

冷量估算指標參考

在沒有明確的需求的前提下,可按下述參考指標測算。

電信交換機房、移動基站(300-350W/m2)IDC數據中心 (600-800W/m2)計算機房、計費中心、控制中心、培訓中心(300-350W/m2)電子產品及儀表車間、精密加工車間(300-350W/m2)標準檢測室、校準中心 (250-300W/m2)UPS和電池室、動力機房(300-350W/m2)醫院和檢測室、生化培養室、潔淨室、實驗室(200-250W/m2)倉儲室(博物館、圖書館、檔案管、菸草、食品)(150-200W/m2)

四 機房氣流組織

五 蓄冷技術

為什麼需要蓄冷?

數據中心要求7*24*365天工作,要求相應的空調系統不間斷運行,以保證數據通信設備運行的安全性和可靠性。空調系統的電源故障情況下:冷水機組進入故障保護狀態,在電力供應恢復後,各個模塊進行巡檢,並確認正常運行後,冷水機組才能正常啟動。這段恢復過程所需要的時間目前一般在1~15分鐘,各廠家情況不一樣。在常規電力系統發生故障時,備用的柴油發電機組可以緊急啟動提供後備電力,從柴油發電機組啟動至穩定供電的過程需要一段時間,長的可達3分鐘。這兩方面的原因導致了空調系統在電力系統發生故障時會有一段供冷不足的時段。為了能很好地解決這一安全隱患,在空調系統中可通過設置蓄冷設施,儲備備用冷量來解決這一問題。蓄冷基本概念

蓄冷過程伴隨:溫度變化、物態變化、化學反應。蓄冷設備:用來儲存水、冰或其它介質的設備,通常是一個空間或一個容器。蓄冷系統:包含了蓄冷設備、製冷設備、連接管路及控制系統。蓄冷空調系統:蓄冷系統與空調系統的總稱儘可能地利用非峰值電力,使制冷機在滿負荷條件下運行,將空調所需的製冷量以顯熱或潛熱的形式部分或全部地儲存於蓄冷介質中,一旦出現空調負荷,便釋放出來,滿足空調系統的需要。

六 空調配置設計實例

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