在數(shù)據(jù)中心空調(diào)水系統(tǒng)中,冷源和末端依靠管網(wǎng)連接在一起,冷凍水和冷卻水的循環(huán)都是通過水泵和管網(wǎng)來實(shí)現(xiàn),管網(wǎng)起到承上啟下,把冷卻塔、冷機(jī)、水泵和末端等單個(gè)設(shè)備聯(lián)系起來成為一個(gè)整體,水泵、冷機(jī)和管網(wǎng)不同的組合可以組成不同的水系統(tǒng)架構(gòu),架構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣好壞,直接關(guān)系到設(shè)備能耗和系統(tǒng)效率,可以說系統(tǒng)架構(gòu)是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的核心和樞紐。
一水系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)
1開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心冷卻水系統(tǒng)側(cè)一般采用開式系統(tǒng),冷凍水系統(tǒng)側(cè)則采用閉式系統(tǒng)。開式還是閉式是指循環(huán)管路系統(tǒng),也就是水泵的出口到水泵的入口這個(gè)循環(huán)是否是閉合的,如果系統(tǒng)循環(huán)管路中有水箱與大氣相通,系統(tǒng)就是開式系統(tǒng);如果系統(tǒng)循環(huán)是閉合的,就是閉式系統(tǒng)。
開式系統(tǒng)如圖1,由于始終和大氣接觸,循環(huán)水中含氧量高,宜腐蝕管路;雜質(zhì)和臟物也易進(jìn)入系統(tǒng),導(dǎo)致系統(tǒng)過濾器堵塞,增大系統(tǒng)維護(hù)工作量;當(dāng)末端設(shè)備與冷凍站高差較大時(shí),水泵則須克服高差造成的靜水壓力,會(huì)增加耗電量,水泵啟停過程中也容易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。
閉式系統(tǒng)如圖2,管路里的水不與大氣相接觸,水在系統(tǒng)內(nèi)密封循環(huán),僅在系統(tǒng)最高點(diǎn)設(shè)置膨脹水箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定壓和補(bǔ)水,膨脹水箱的水平時(shí)不參與系統(tǒng)循環(huán),如果膨脹水箱無法設(shè)置,則設(shè)定壓罐對(duì)系統(tǒng)定壓。閉式系統(tǒng)管道與設(shè)備不宜腐蝕,閉式循環(huán)中水泵揚(yáng)程只需要克服系統(tǒng)管路阻力,不需為高處設(shè)備提供靜水壓力,循環(huán)水泵的壓差較低,從而水泵的功率相對(duì)較小;閉式系統(tǒng)不和大氣接觸,雜質(zhì)和異物不易進(jìn)入系統(tǒng),水系統(tǒng)維護(hù)工作量低。
2定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)
①定流量系統(tǒng)(圖3)
數(shù)據(jù)機(jī)房的冷凍水系統(tǒng)可以分為冷源側(cè)環(huán)路和負(fù)荷側(cè)環(huán)路。冷源側(cè)環(huán)路是指從冷機(jī)到分集水器的管路,該部分負(fù)責(zé)冷凍水的制備,該環(huán)路宜采用定流量設(shè)計(jì),因?yàn)閷?duì)定頻冷機(jī)來說,流量的改變會(huì)導(dǎo)致冷機(jī)蒸發(fā)溫度的改變,導(dǎo)致機(jī)組工作的不穩(wěn)定,流量過小會(huì)降低機(jī)組的制冷效率,嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器的凍結(jié)。故變流量和定流量一般指的是系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)環(huán)路,也就是末端機(jī)房空調(diào)到分集水器的管路而言的。
在冷凍水機(jī)房空調(diào)上安裝三通閥,如圖3所示,當(dāng)空調(diào)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí),電動(dòng)三通閥處于直通狀態(tài),旁通關(guān)閉,冷水全部進(jìn)入空調(diào)制冷,當(dāng)機(jī)房負(fù)荷較小,溫度控制器調(diào)節(jié)三通閥旁通打開,冷水旁通直接進(jìn)入回水管,回到冷機(jī);定流量過程中系統(tǒng)循環(huán)水量保持不變,通過控制三通閥來改變供水量和旁通水量,從而改變冷凍水型機(jī)房空調(diào)的制冷量,對(duì)于制冷主機(jī)來說則是水量始終不變,僅僅是改變了供、回水溫度。定流量系統(tǒng)水泵一般采用定頻設(shè)計(jì),也可以采用變頻啟動(dòng),但這里的變頻器并不作為調(diào)速用,而是改變水泵的啟動(dòng)性能和防止水錘現(xiàn)象。定流量系統(tǒng)簡單,操作方便,也不需要繁瑣的自控設(shè)備,但由于不管機(jī)房熱負(fù)荷大小,水泵始終在最大流量運(yùn)行,因此水泵的功耗較大,特別是機(jī)房負(fù)荷較小時(shí),運(yùn)行費(fèi)用較高,不符合數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的宗旨,該設(shè)計(jì)僅在小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心采用。
②變流量系統(tǒng)(圖4)
變流量系統(tǒng)是在空調(diào)水管管路上安裝電動(dòng)二通閥或者比例調(diào)節(jié)閥,當(dāng)機(jī)房溫度高于空調(diào)設(shè)置溫度時(shí),溫度控制器開大閥門,當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定點(diǎn)后,溫控器關(guān)小閥門;通過比例調(diào)節(jié)閥,改變冷凍水型空調(diào)獲得的供水水量,來改變所需要的制冷量,在這過程中,供回水溫度是基本不變的,保持在一定范圍內(nèi),當(dāng)機(jī)房負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),調(diào)節(jié)閥會(huì)改變水系統(tǒng)的流量,特別是當(dāng)機(jī)房負(fù)荷較低時(shí),需要的流量較小,這時(shí)水泵的流量也可以相對(duì)減少,從而降低水泵的功耗,符合當(dāng)前數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的目標(biāo)和宗旨。圖4就是一個(gè)典型的定壓變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖,冷機(jī)到分水器和集水器到冷機(jī)的流量基本不變,末端到分集水器則根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行改變,當(dāng)末端設(shè)計(jì)用水量減少時(shí),壓力會(huì)增加,壓力旁通打開,讓多余的冷凍水進(jìn)行旁通;當(dāng)末端用水量增加時(shí),壓力下降,壓力旁通就會(huì)關(guān)小,從而確保系統(tǒng)壓力處于正常情況。
現(xiàn)在一些數(shù)據(jù)中心開始采用變頻離心機(jī)組,冷水機(jī)組可以進(jìn)行變流量運(yùn)行,冷機(jī)的水量容許40%～130%之間,水泵采用調(diào)速泵,節(jié)能更為明顯,在總供、回水管之間設(shè)旁通管和電動(dòng)旁通調(diào)節(jié)閥,旁通調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)流量取各臺(tái)冷水機(jī)組允許的最小流量中的最大值。在多機(jī)多泵并聯(lián)系統(tǒng)中,冷水機(jī)組根據(jù)負(fù)荷變化也可進(jìn)行能量調(diào)節(jié)控制,但只要能量控制沒有達(dá)到一臺(tái)水泵停止或啟動(dòng)的條件,無論末端水量如何變化,系統(tǒng)水量只是在負(fù)荷側(cè)管路和壓差旁通管路之間進(jìn)行流量分配和調(diào)整。
3水泵和機(jī)組的對(duì)應(yīng)方式
對(duì)應(yīng)形式可以多機(jī)對(duì)多泵形式,或者是一機(jī)一泵形式,兩種設(shè)計(jì)各有特點(diǎn),數(shù)據(jù)中心可以根據(jù)自身的需要,選擇適合的方案。
①一機(jī)一泵方式(圖5)
這種方式是一臺(tái)水泵對(duì)應(yīng)于一臺(tái)冷機(jī),這種方式的電氣控制簡單;可避免運(yùn)行人員頻繁人工開或關(guān)主機(jī)或冷卻塔入口閥門,適應(yīng)部分負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行,并簡化開機(jī)的步驟,開啟主機(jī)同時(shí)只要開啟相對(duì)應(yīng)的水泵就可以,簡化操作又節(jié)約能源,不存在運(yùn)行部分機(jī)組時(shí)出現(xiàn)水流旁通降低機(jī)組COP問題,缺點(diǎn)是組件的備用性較差,部分?jǐn)?shù)據(jù)中心就采用對(duì)這種設(shè)計(jì)方式。
②多機(jī)對(duì)多泵方式(圖6)
就是多臺(tái)水泵并聯(lián)和多臺(tái)冷機(jī)并聯(lián)后進(jìn)行串聯(lián),這種方式可以提升機(jī)組和冷機(jī)的冗余度,相當(dāng)于提升系統(tǒng)組件的可用性,可靠性高。多機(jī)對(duì)多泵的優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)水泵可互為備用,管道系統(tǒng)簡單。缺點(diǎn)是運(yùn)行操作麻煩,電氣配對(duì)設(shè)計(jì)要復(fù)雜一些,另外,多臺(tái)水泵并聯(lián),選擇時(shí)要按照泵的特性曲線作并聯(lián)分析,使工況點(diǎn)滿足不同臺(tái)數(shù)運(yùn)行時(shí)需要。
4一級(jí)泵和二級(jí)泵系統(tǒng)
在數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)中,冷凍側(cè)可以采用一級(jí)泵,也可以采用二級(jí)泵。一級(jí)泵系統(tǒng)叫一泵到底,也叫單式泵系統(tǒng),是指冷源側(cè)與負(fù)荷側(cè)合用一組循環(huán)泵的系統(tǒng),如果在冷源側(cè)和負(fù)荷側(cè)分別配置循環(huán)泵的系統(tǒng)就叫二級(jí)泵系統(tǒng)或者多級(jí)泵系統(tǒng)。
①一級(jí)泵系統(tǒng)(圖7)
整個(gè)水系統(tǒng)由以下兩個(gè)環(huán)路組成:以分集水器為界,左邊是冷源側(cè)環(huán)路,它是指從集水器經(jīng)過冷水機(jī)組至分水器這一環(huán)路,按定流量運(yùn)行;右邊是負(fù)荷側(cè)環(huán)路,它是指從分水器經(jīng)過空調(diào)末端設(shè)備至集水器的這一環(huán)路按變流量運(yùn)行,一級(jí)泵系統(tǒng)比較簡單,操作維護(hù)方便,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)多采用這種方式,按照末端流量是否變化它又可分為一級(jí)泵定流量系統(tǒng)和一級(jí)泵變流量系統(tǒng)。一級(jí)泵變流量系統(tǒng)的控制原理:當(dāng)機(jī)房負(fù)荷下降時(shí),負(fù)荷側(cè)機(jī)房空調(diào)的二通調(diào)節(jié)閥陸續(xù)關(guān)小,當(dāng)供、回水總管之間的壓差超過了設(shè)定值,此時(shí)壓差控制器動(dòng)作,讓旁通管路上的二通調(diào)節(jié)閥打開并開大,使部分冷凍水不經(jīng)末端機(jī)房空調(diào)設(shè)備而從分集水器的旁通管直接返回冷水機(jī)組,從而確保冷水機(jī)組的水量不變。
②二級(jí)泵(復(fù)式泵)系統(tǒng)(圖8)
二級(jí)泵系統(tǒng)是指冷源側(cè)和負(fù)荷側(cè)分別配置循環(huán)泵的系統(tǒng),冷源側(cè)循環(huán)泵和負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵是相互分開的。由冷水機(jī)組、供回水總管、一次泵和旁通管組成一次環(huán)路,也稱冷源側(cè)環(huán)路,該環(huán)路水泵曲線可以選用平坦性;由二次泵、空調(diào)末端設(shè)備、供回水管路與旁通管組成二次環(huán)路,也稱負(fù)荷側(cè)環(huán)路,該環(huán)路水泵曲線可以選用陡峭性;這樣的選擇有利于制冷機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)和保證蒸發(fā)器的安全運(yùn)行,同時(shí)降低輸配能耗,和一級(jí)泵相比,節(jié)能潛力較大,在大型數(shù)據(jù)中心,冷凍站同時(shí)供給多個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)樓,采用二級(jí)泵設(shè)計(jì)可以作為優(yōu)先選擇的節(jié)能方案。
二冷卻水側(cè)系統(tǒng)架構(gòu)
在冷卻水側(cè),水泵、冷機(jī)和冷塔對(duì)應(yīng)方式有多種形式,可以多機(jī)對(duì)多泵對(duì)多塔形式,也可以是一機(jī)一泵一塔形式,各種設(shè)計(jì)各有自己的特點(diǎn),數(shù)據(jù)中心需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的不間斷性、可維護(hù)性和系統(tǒng)節(jié)能性出發(fā),選擇適合的架構(gòu)和方式。
1單機(jī)單泵單塔方式
單機(jī)單泵單塔這種方式是一臺(tái)水泵對(duì)應(yīng)于一臺(tái)冷機(jī),如圖9,這種方式的電氣控制簡單,可避免頻繁開關(guān)主機(jī)或冷卻塔入口閥門,適應(yīng)部分負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行,開啟主機(jī)同時(shí)只要開啟相對(duì)應(yīng)的水泵就可以,簡化操作又節(jié)約能源,不存在運(yùn)行部分機(jī)組時(shí)出現(xiàn)水流旁通降低機(jī)組COP問題,缺點(diǎn)是這種設(shè)計(jì)條件下,當(dāng)系統(tǒng)里面一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),別的系統(tǒng)里面同類型設(shè)備無法為這個(gè)設(shè)備備用,系統(tǒng)的備用性很差。
2多機(jī)多泵多塔方式
多機(jī)多泵對(duì)多塔的形式,就是多臺(tái)并聯(lián)水泵和多臺(tái)并聯(lián)冷機(jī)串聯(lián)后,再和多臺(tái)并聯(lián)冷卻塔串聯(lián),如圖10,這樣情況下可以提升機(jī)組和冷機(jī)的冗余度,相當(dāng)于提升系統(tǒng)組件的可用性,同時(shí)可以充分利用冷卻塔的散熱能力,降低冷卻水溫,提升冷機(jī)效率,達(dá)到節(jié)能目的;缺點(diǎn)是開關(guān)機(jī)必須執(zhí)行相應(yīng)程序,如運(yùn)行中不開啟的機(jī)組水路必須關(guān)閉,否則部分機(jī)組會(huì)出現(xiàn)水流旁通降低機(jī)組COP問題。
在多機(jī)多泵對(duì)多塔設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)中心從可靠性出發(fā),為了解決部分管路的單點(diǎn)故障,一般采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì),系統(tǒng)中可以多個(gè)環(huán)網(wǎng)設(shè)置,環(huán)網(wǎng)中通過閥門隔斷,讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線檢修,以提升系統(tǒng)的可用性,如圖11。
3單機(jī)單泵對(duì)多塔方式
對(duì)上述兩種方式的組合應(yīng)用,借鑒了單機(jī)單泵單塔方式和多機(jī)多泵多塔方式兩者的特點(diǎn),有單機(jī)單泵靈活性,也有多塔架構(gòu)的節(jié)能性能,如圖12,但系統(tǒng)的維護(hù)性不如多機(jī)多泵多塔方式。
三冷凍側(cè)系統(tǒng)架構(gòu)
冷凍水側(cè)構(gòu)成比較復(fù)雜,如水泵設(shè)計(jì)可以選用單級(jí)泵,也可以選用兩級(jí)泵;水泵、冷機(jī)對(duì)應(yīng)方式也有多種形式,可以多機(jī)對(duì)多泵設(shè)計(jì),也可以是一機(jī)一泵形式;到末端管路可以單管路、雙管路和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),蓄冷方式可以考慮串聯(lián),也可以考慮并聯(lián),下列設(shè)計(jì)方式是目前數(shù)據(jù)中心典型的設(shè)置方式。
1單級(jí)泵一對(duì)一架構(gòu)
系統(tǒng)采用單級(jí)泵,所有設(shè)備和管路均有冗余和備份,其中冷機(jī)、水泵采用N+1配置,末端空調(diào)采用N+X(X=0、1、2)配置,管路采用環(huán)網(wǎng),每個(gè)制冷子系統(tǒng)均串聯(lián)一個(gè)蓄冷罐,水泵、冷機(jī)和蓄冷罐采用一對(duì)一串聯(lián)關(guān)系,如圖13,這種配置下,冷機(jī)和水泵一一對(duì)應(yīng),水泵的水流不會(huì)產(chǎn)生旁通,冷機(jī)水量受水泵影響小,冷機(jī)效率高,不利的是冷機(jī)和水泵的互換性較差;另外每臺(tái)冷機(jī)均配置一臺(tái)蓄冷罐,蓄冷罐數(shù)量較多,好處是任何一臺(tái)冷機(jī)故障,均可進(jìn)入放冷模式,系統(tǒng)水溫變化小。
2單級(jí)泵多對(duì)多架構(gòu)
系統(tǒng)采用單級(jí)泵,所有設(shè)備和管路均有冗余,其中冷機(jī)、水泵采用N+1配置,末端空調(diào)采用N+X(X=0、1、2)配置,管路采用環(huán)網(wǎng),水泵、冷機(jī)和蓄冷罐采用多對(duì)多串聯(lián)關(guān)系,如圖14;這種配置下,設(shè)備的備用性和互換性高,系統(tǒng)里面任何幾個(gè)不同類型的設(shè)備發(fā)生故障,均不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行;不利的是未投入使用的冷機(jī)會(huì)產(chǎn)生旁通現(xiàn)象,影響系統(tǒng)效率,故需要設(shè)置電磁閥進(jìn)行關(guān)閉;系統(tǒng)可以設(shè)置一臺(tái)或者兩臺(tái)蓄冷罐,通過旁通調(diào)節(jié)閥控制蓄冷罐進(jìn)行放冷和充冷,這種設(shè)計(jì)是目前數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較為廣泛的一種設(shè)計(jì)。
3兩級(jí)泵環(huán)網(wǎng)架構(gòu)
在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中,水泵等輸配系統(tǒng)占據(jù)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的20%～30%,為了節(jié)能,需要進(jìn)一步降低輸配系統(tǒng)的能耗,有效措施之一就是采用兩級(jí)泵設(shè)計(jì)。圖15中,由冷水機(jī)組、供回水總管、一次泵和旁通管組成一次環(huán)路,該環(huán)路水泵曲線選用平坦性;由二次泵、空調(diào)末端設(shè)備、供回水管路與旁通管組成二次環(huán)路,該環(huán)路水泵曲線可以選用陡峭性;這樣的選擇有利于制冷機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)和保證蒸發(fā)器的安全運(yùn)行,同時(shí)降低輸配能耗,和一級(jí)泵相比,更為節(jié)能,特別是大型數(shù)據(jù)中心,冷凍站同時(shí)供給多個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)樓,二級(jí)泵設(shè)計(jì)是優(yōu)先選擇的節(jié)能方案。另外采用兩級(jí)泵系統(tǒng),可以利用水泵運(yùn)行狀況的變化,實(shí)現(xiàn)蓄冷罐充冷放冷的完美配合,簡化控制方式。這種設(shè)計(jì)也是目前數(shù)據(jù)中心應(yīng)用廣泛的一種設(shè)計(jì)。
4微模塊列間空調(diào)管網(wǎng)架構(gòu)
數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,列間空調(diào)和微模塊可以有效縮短氣流的路徑,消除局部熱點(diǎn),提升冷卻效果,降低氣流輸配能量消耗,所以微模塊和行間空調(diào)開始大量應(yīng)用。但是微模塊和列間空調(diào)管路設(shè)計(jì)有著更高的要求,一方面它需要大量的空調(diào)設(shè)備和相關(guān)的管道鋪設(shè),另一方面微模塊和列間空調(diào)直接靠近服務(wù)器,無法通過擋水墻和主設(shè)備分離,所以要求管道的每一個(gè)需要隔離的部位均采用雙閥門設(shè)計(jì),管網(wǎng)架構(gòu)如圖16右下部所示。
結(jié)束語
要確保數(shù)據(jù)中心空調(diào)安全高效運(yùn)行,需要對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷和暖通等知識(shí)的進(jìn)一步掌握和了解,找到適合的架構(gòu)和設(shè)計(jì)。上述數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)管路架構(gòu),是個(gè)人對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的理解,僅供參考,不當(dāng)之處,敬請(qǐng)批評(píng)。
