数据中心应用风冷型系统和冷冻水型系统之比较与分析.doc

数据中心应用风冷型系统和冷冻水型系统之比较和分析

数据中心应用风冷型系统和冷冻水型系统之比较和分析
文/中国计算机用户协会机房设备应用分会副秘书长、北京国信天元机房环境评测技术中心常务副主任 李勃
前言：针对目前国内用户在对中大型数据中心项目的规划暖通系统时，经常为采用风冷系统还是水冷系统而犹豫不决的现状，本文特别以5000平米机房面积为模型，从技术安全、系统可靠、投资合理、运行节约、易于维护等方面的要求出发，通过对现行的两种机房专用系统进行综合的分析和比较，从而得出科学结论并供广大用户参考。
一、本课题研究范围
    本研究的范围是5000平米（地板面积）机房中所采用的机房专用空调系统部分。总IT设备负荷按为4500千瓦规划。
二、具体分析方法
        考虑到该问题的复杂性，针对本项目的负荷规模，综合分析比较当前常用的两种机房专用空调系统即：风冷型机房专用空调系统和冷冻水型机房专用空调系统。我们从以下十个方面分析比较两种系统：1、可靠性；2、漏水隐患；3、能效比；4、可扩容性；5、分期建设和灵活性；6、对建筑的外部条件要求；7、投资；8、维护管理；9、系统的适应性；10、对设计的要求。
2.1风冷冷却方式的综合分析
        典型风冷冷却系统机房专用空调系统图如下：

        该系统由空调室外机组和空调室内机组两部分组成。对典型风冷型机房专用空调系统的十个方面分析如下：
        2.1.1 可靠性：风冷冷却方式的主要组成就是风冷室内机、风冷室外冷凝器，其路由为独立的冷媒管路连接，从物理连接的角度看（不考虑主备机切换、能效管理等逻辑控制和连接），系统完全独立，任意机组路由的故障不会影响其它机组，因此从系统的角度看，没有任何影响系统运行的单点故障。
        2.1.2漏水隐患：风冷冷却方式因仅有加湿水管部分进入机房，相对漏水隐患较小。降低该系统漏水隐患的主要措施有：（1）如果排水管路泄漏，机组在探测到漏水后，自动关闭进水管路，排除进一步漏水的可能；（2）如果进水管路泄漏，监控系统将立即告警。即使不考虑设计有自动关闭进水阀的装置，在值班人员抵达现场关闭进水阀之前，因单个机房进水量小（每小时供水量小于100升），不会对机房造成大的危害。如果设计有合适高度的拦水坝和排水孔，漏水造成对机房的隐患将彻底排除。
        2.1.3 能效比：风冷冷却方式单机系统的能效比较高，从冷却的角度看，主要能耗产生于压缩机、室内风机、风冷室外冷凝器。此方式能效比稳定，目前业界常用的风冷方式能效比约为2.7-3.1。如考虑利用自然冷源，可进一步提高能效比，例如制冷剂泵循环模式，冬季时可停止压缩机运行，通过制冷剂泵实现制冷循环，能效比将高达6.5以上，按此计算，北京地区全年能效比（在正在修订的《GB19413计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》中规定：全年能效比（AEER）annual energy efficiency ratio：机房空调进行全年制冷时从室内除去的热量总和和消耗的电量总和之比）将高达3.5以上。
        2.1.4可扩容性：风冷冷却方式由于系统独立，路由独立，规划简单，因此几乎不受限制，只需要提前预留室内外机组的位置以及路由管井等，不需要提前对整体管路进行设计，扩容非常简单只要留出适当的扩容空间即可。
        2.1.5分期建设和灵活性：风冷冷却方式非常灵活，可以非常简便地分期建设。以此项目为例，对于多个小面积机房而言，完全可以以场地为单位，进行分期建设，在每一步建设中，再充分考虑风冷室外冷凝器场地以及冷媒路由的前提下，不需要额外考虑其它分区的建设。
        2.1.6对建筑外部条件的要求：风冷冷却方式的问题存在和风冷室外冷凝器占地要求较大，但如果提前规划有面积足够大的屋顶放置冷凝器，或在机房每层建设有冷凝器平台，这个问题将得以解决。依照本项目规模，如采用常规产品室外冷凝器的占用面积约为600平米。
        2.1.7投资：对于本项目的负荷需求而言，如采用风冷冷却方式系统大约需要45-55套100千瓦机组总投资约为1500万，包括风冷空调室内外机以及安装费用，并可以分期投资，分期实施。
        2.1.8维护管理：风冷冷却方式系统简单，无共用管路等，故障类型明确，机组之间互无影响，维护要求低，对维护人员的要求也较低，仅需要少量的维护人员。
        2.1.9系统适应性：风冷冷却方式对室内外及距离有限制，系统管路长度有一定限制，一般标称要求室内外机单程总长度在60米之内，冷量损失可忽略不计，目前国内最长案例为单程120米。另外，对室内外机高度差也有要求，一般标称要求风冷室外冷凝器可高出室内机20米之内，冷量损失可忽略不计，目前国内最长案例为35米；一般标称要求风冷室外冷凝器可低于室内机9米之内，冷量损失可忽略不计，目前国内最长案例为15米。
        2.1.10 对设计的要求：因系统清晰、明确，属于成熟设计范畴，因此设计相对简单，安全。综合说明：风冷冷却方式简单，可靠， 在能效、可扩容性等方面具有不可比拟的优势 ，因此最为常用。国内类似的中大型机房采用风冷系统的案例非常多。
2.2、冷冻水冷却方式的综合分析
        典型的冷冻水系统机房专用空调的系统结构如下：

        该系统由：室内冷冻水机房空调、冷冻水供回水管路、冷冻水水泵、冷冻水机组、冷却水塔、冷却水供回水管路、冷却水泵等部分组成。
        对典型的冷冻水机房专用空调系统的十个方面分析如下：
        2.2.1可靠性：如果将冷冻主机部分设计为单机系统，或管路系统设计为单管路，将存在严重的单点瓶颈，一旦冷冻主机故障或管路故障，整个系统将瘫痪，因此如果该系统采用冷冻水冷却方式，必须采用主机备份和双管路系统来解决，要求冷冻主机系统、冷却水系统、泵系统采用N+X备份，确保任意系统发生故障，整个系统正常提供冷冻水。如项目采用冷冻水主设备冗余、管路系统采用双环管网等设计，在任意管路或主器件出现问题，仍能不影响绝大部分的机组运行。
        2.2.2漏水隐患：冷冻水冷却方式隐患较大，问题在大型冷冻水管进入机房，就存在水浸机房的风险，一旦进入机房的主管路发生问题，由于水量大，很难通过防水坝以及排水孔排除漏水。这就需要设计有漏水报警和联动系统（例如在发生漏水时，立即判断并自动关闭相应段的水阀），并需要在系统运行的每个月进行检查，避免出现即使漏水告警系统发出信号，但电动水阀也无法关闭的问题。若主管路发生漏水将带来灾难性影响。
        2.2.3 能效比：冷冻水冷却方式中，大型冷冻主机的压缩机能效比高于机房空调压缩机，但是整个冷冻水的耗电包括压缩机、冷冻水泵、冷却水系统、末端冷冻水机组的总耗电，这样，针对整个空调系统的能效比约在2.5～3.5。而综合效率取决于冷冻主机的效率，总冷量为4500KW的系统冷冻水主机能效比取国标二级能效5.6，按5000平方米机房计算，并考虑冷冻主机水泵冷却塔能无极调节变频时，总能效比显示出优势。当然，可以设计在冬季利用自然冷源，进一步提高全年能效比。例如应用风冷直接蒸发式冷却塔，优势是冬季节能明显，缺点是价格较高，夏季使用效率较低。另外，如果设计为相对高的进出水温度，例如：不是设计为传统的7℃进水，12℃回水（此时制冷终端冷冻水机房专用空调的显热比在80%左右），而是设计为10℃进水，16℃回水，将提高制冷终端冷冻水机房专用空调的显热比，甚至达到100%，这样，将减少因低显热比的除湿和加湿能耗，进一步实现节能，但代价是将设计有更多数量的制冷终端冷冻水机房专用空调，这种方法已经在国内最新的一些项目中应用。
        2.2.4可扩容性：冷冻水冷却方式的管路系统和主机系统，都需要提前规划设计，例如否则后期扩容难度大。冷冻主机系统可按N+X方式逐一设计，但管路系统无法逐一设计，必须根据终期容量进行统一设计，否则后期无法更改，这样就会带来很多问题，例如：前期管路设计和冷冻主机设计很难匹配运行的问题等，同时也会影响前期运行的效率。因此需要在设计中充分考虑。
        2.2.5分期建设和灵活性：冷冻水冷却方式的主管路系统需要提前安装到位，制冷主机可分期实施，末端管路系统因主管系统限制，调整余地少，水路平衡和互相干扰大，因此对设计要求很高，分期建设难度很大，很难在不同建设时期保证系统都运行在最佳状态。
        2.2.6对建筑外部条件的要求：这一点是冷冻水冷却方式的优势，其冷冻主机和冷却塔可以集中布置，占地面积少。但不足在于，如果冷冻主机系统或其冷却塔设计在屋面，则对承重要求高。如设计在地下室，需要进行好降噪工作等。本项目规模下冷冻水主机一般设计在地下室，按2+1备份，2600kW/台考虑，并考虑配电、泵、控制装置、水处理装置、管路，需要约300～400平方米。冷却塔一般设计在楼顶或户外地面，选择按3台2+1备份考虑，占地约100平方米。
        2.2.7投资：针对5000平米机房，和风冷冷却方式比较，冷冻水冷却方式投资较高。包括冷冻主机、冷却塔、管路、末端冷冻水机房专用空调等系统，应设计有冷冻主机水泵冷却塔能无极调节变频系统等，另外北京地区必须考虑冷却水防冻问题，因此将进一步增加成本。如为高可用性要求机房，为考虑安全性，设计为双盘管冷冻水系统，也就是说冷冻水机房专用空调同时设计有两套盘管，并有两路进水、两路排水，正常运行时一路供回水系统和一套盘管工作，另一路处于备用，任意路系统无法正常供水，系统将自动切换到另一套盘管。此方案将进一步保障系统的安全性，但同时也将增加投资。
        2.2.8可维护管理：冷冻水冷却方式需要高水平的运行和维护队伍，需要时时检测水管路系统的压力、水温，检查冷冻主机、冷却塔、泵的运行状态，实验关键电动水阀以及漏水检测元件的有效性，因此必须建设有高水平的运行维护队伍，对人员素质要求较高，投入运维方面的人员开支等远高于风冷系统。
        2.2.9系统的适应性：冷冻水冷却方式适应管路较长（水泵扬程范围内）。目前国内选择冷冻水冷却方案，一般有两种情况：情况一：应用冷冻水空调的投资收益率适合的超大机房；情况二、无法设计风冷室外冷凝器场地的机房。
        2.2.10对设计的要求：如为高可用性要求，必须考虑冷冻主机的备份问题、双管路设计、双盘管冷冻水空调末端设计，冷冻主机水泵冷却塔能无极调节变频设计等，关键设计包括可点水压的平衡性，末端水流量、压降的合理性等等，因此对设计的要求非常高。综合说明：优点（适合管路长，高度，建筑外立面考虑美观）和缺点都非常明显，系统的高效性和系统的可扩容性、系统的可分期实施性、系统的灵活性形成了不可调和的矛盾。
2.3 风冷冷却方式和冷冻水冷却方式的系统比较表
        为方便对比分析特制作下表予以比较：（表一）

三、风冷冷却方式和冷冻水冷却方式的运行能耗分析（北京地区）
        为了实现国家节能减排的要求，特对该项目的运行能耗情况作了估算性的分析。
        整体运行能耗估算比较说明：
        (1)对比风冷、冷冻水不同冷却方式，在北京地区，针对5000平方米机房的不同运行成本；
        (2)年耗电量计算负荷取值，即在不同环境温度下，机房受环境变化影响的空调负载率的变化：≤0℃，80%负载；0—15℃，85%负载；15—25℃，90%负载；25—35℃，95%负载；>35℃，100%负载；
        (3)冷冻水空调耗电和冷冻水主机能效比有直接关系。从目前冷冻水主机情况看，大制冷量的离心机能效比较高。5000平方米机房，总冷量为4500KW的系统冷冻水主机能效比取国标二级能效5.6，并考虑冷冻主机水泵冷却塔能无极调节变频；
        (4)功耗比较仅考虑制冷工况；
        (5)机房冷量设计，按900W/㎡计算制冷量。
        计算步骤一：计算总热负荷及估算空调数量(表二）

        计算步骤二：计算不同冷却方式的机组主要部件的耗电量：
        其中：
        (1)风冷机组按能效比2.95计算，则每台机组总能耗33.9kW；
        (2)冷冻水机组压缩机能效比依据国标二级能效5.6；
        (3) 冷冻水水泵、冷却塔、冷却水泵功率根据总的冷冻水流量以及冷却水流量的需求进行推算结论为：（表三）

        计算步骤三：根据北京地区不同温度的全年小时数以及在不同温度下的负载率，计算压缩机、冷水机组、水泵和冷却塔（考虑变频）功耗，得出综合比对结果。
        其中：北京地区不同温度的全年小时数为中国气象局1971年到2003年共30年的实测气象数据为基础计算。计算结论为：
        (1)单台风冷主机组压缩机和室外风机全年耗电量为：191235 kW
        (2)冷冻水系统中所有的冷水机组、水泵和冷却塔全年耗电量为：8241490 kW（水泵、冷却塔耗能按和负载量相同变化率估算）
        (3)风冷方案全年耗电量：191235kW×45台+7.8kW×45台×8760全年小时 = 11680339 kW运行费用：按0.8元/度计算可得：934万元
        (4)冷冻水方案全年耗电量: 8241490 kW + 7.8kW×45台×8760全年小时 = 11316250 kW运行费用：按0.8元/kWh计算得905万元（表四）

        运行能耗费用计算结论：根据常规风冷和冷冻水方案比较，冷冻主机压缩机能效比按5.6计算，风冷整机能效比按2.95计算，不考虑自然冷却等节能方案，单纯考虑系统运行功耗，冷冻水运行费用低于风冷，年节能率3.1%。
四、风冷冷凝器和冷冻水主机和冷却塔占地面积估算比较
        占地面积问题，不同品牌相差非常大，仅供参考。此估算和设备品牌以及是否设计自然冷、冷冻水送回水温度关系极大，此处比较按标准方案以及品牌的一般设计考虑：
4.1、风冷方式
        风冷冷凝器一般设计在楼顶或冷凝器平台或户外地面，按45台空调的90个冷凝器设计，不考虑备份约540平方米。如考虑10%备份约600平方米。
4.2、冷冻水方式
        冷冻水主机一般设计在地下室， 按2 + 1 备份，2600kW/台考虑，并考虑配电、泵、控制装置、水处理装置、管路，需要约300～400m2。冷却塔一般设计在楼顶或户外地面，选择按3台2+1备份考虑，占地约100m2。
五、综合说明及结论
        以上论证都是以典型的系统结构进行的分析和比较而得出的。就一般而言考虑到安全可靠为第一位则以风冷型系统更适合些。考虑到能耗问题如果采用自然冷却方式，不同的方法，都有进一步节能的办法。我认为数据中心机房项目应以安全为第一，以节能为亮点。因此若单纯考虑节能亮点则本项目可采用冷冻水+自然冷却+双盘管+提高进回水温+EC风机的综合方案。若考虑安全为主，节能为辅的思路则可采用风冷+泵循环自然冷却+EC风机+室外新风利用的方案。
1.4 暖通专业优化建议
1.4.1 预留冷热通道封闭的接口措施
建议在设备采购和安装时考虑可以进行冷热通道封闭的预留接口措施，以便满足以后机房扩容的需要。当机房设备更新或者扩容的时候，可以将冷热通道封闭，可以在不增加制冷设备的基础上提高制冷效果.
1.4.2 空调的群控方案
现代化建筑物的大型化、智能化和多功能化，必然导致建筑物内机电设备种类繁多，技术性能复杂，维修服务保养项目的不断增加，管理工作已非人工所能应付。因此，采用自动化监控系统技术及计算机管理已成为现代建筑最重要的管理手段。它可以大量的节省人力、能源、降低设备故障率、提高设备运行效率、延长设备使用寿命、减少维护及营运成本，提高建筑物总体运作管理水平。
1） 机房空调机和加湿器应纳入环境监控系统，并实现相互通讯；
2） 为每层机房进行分区，根据实际情况调整分区数量；
3） 每区域冷热通道近端和远端设置温度和湿度传感器，传感器采用悬挂式，距地板高度在2～2.2米，传感器位置应能代表该区域温度和湿度；
4） 为加湿器设置下位机控制房间各区域湿度，实现对加湿器的加湿量的连续调节；环境监控系统应通过协议和机房空调和加湿器进行通讯，监测机组送风和回风温度、状态、故障及其他关键数据；
5） 环境监控系统应能根据区域温度对机房空调的回风温度设定值进行重置，对空调进行启停操作；
6） 环境监控系统应能根据运行累计时间对机房空调设备进行轮流运行，以平衡各设备的运行时间；
7） 环境监控系统应能根据温度对各区域的机房空调设备进行台数加减载控制；
当机房空调所在区域温度超过设定值上限时，应报警，并启动所在区域的备份空调和机房内的其他备份空调；
8）监控系统对所有监视参数的自动巡检周期不超过1分钟；
9）机房监控系统应设置不间断电源，并在部分设备进行维修时，保证监控系统连续运行。
南方某综合楼实行群控系统的示例如下：
南方某综合楼建筑面积2. 1 万m2 ,共20 层,作为宾馆和医院用,制冷主机放于地下1 层,冷却塔放于屋面。选用3 台PFS43O. 3 型制冷主机,单机制冷量为1 489 kW ,额定电流为453 A ,蒸发器流量为255 m3 / h ,冷凝器流量为306 m3 / h ;3 台逆流式冷却塔,单台风扇电动机功率为11 kW;4 台冷水泵,单台功率为55 kW ,转速为1 480 r/ min ,流量为400 m3 / h ,扬程为32 m ;4 台冷却水泵,单台功率为45 kW ,转速为1 480 r/ min ,流量为374m3 / h ,扬程为28 m。主机负荷率为50 %～75 % ,冷水泵负荷率为85 % ,冷却水泵负荷率为87 %。
该工程节能改造的效果分析见下表：
节能改造前年耗电量（kWh） 节能改造后年耗电量（kWh） 年节省电量/kWh 节电率%
冷水泵 507705 7294469 213236 42
冷却水泵 425169 255101 170068 40
制冷主机 1397508 1313657 83851 6
合计 2330382 1863227 467155
注：节能改造前人工管理主机的启停
1.4.3 将电池室精密空调换成普通舒适空调，同时增加通风、增加易燃、爆气体监测
根据电子信息系统机房设计规范（GB50174—2008），电池室只有温度要求，对湿度没有严格要求，可采用一般的舒适空调系统，降低成本。同时，考虑到电池本身的特点，建议增加独立送、排风系统，并对易燃、易爆等危害气体进行监测，并和通风系统联动。
1.4.4 变换或者更改部分房间的气流组织方式，防止风口结露造成设备事故。
部分空调房间，如房间403、408精密空调系统为上送风，上送风的风口在UPS配电柜等设备的上方，这种设计方式，在空调运行的时候，如果风口发生结露现象，会滴到下面设备商，造成很大的隐患，建议改为下送风或者侧送风形式。
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