大型数据中心节能水冷恒温恒湿空调原理

新一代大型数据中心一般首选离心式水冷空调系统,其特点是制冷量大并且整个系统的能效比高。

水冷冷冻机组的工作原理如下:

  1. 冷冻水侧:一般冷冻水回水温度为12℃,进入冷冻器与冷媒做热交换后,出水温度为7℃。冷冻水一般通过风机盘管、组合式空调机组或水冷恒温恒湿空调机向IT设备提供冷气。由于数据中心的制冷量大,要求温差小风量大且湿度需要控制,一般采用水冷恒温恒湿空调机。
  2. 冷却水侧:一般冷却水进水温度为30℃,进入冷凝器与冷媒做热交换后,出水温度为35℃。冷却水一般使用蒸发式冷却塔通过水蒸发来散热降温。

3.冷媒侧: 冷媒以低温低压过热状态进入压缩机,经压缩后成为高温高压过热状态冷媒。高温高压过热状态冷媒进入冷凝器后,将热传给冷却水而凝结成高压中温液态冷媒。高压中温液态冷媒经膨胀装置,成为低压低温液气混合状态冷媒。低温低压液气混合状态冷媒进入蒸发器后,与冷冻水进行热交换,冷冻水在此处被冷却,而冷媒则因吸收热量而蒸发,之后以低温低压过热蒸气状态进入压缩机。

大型数据中心节能水冷恒温恒湿空调原理

离心式制冷压缩机具有下列优点:

  1. 单机制冷量大(350到35000KW之间),在制冷量相同时它的体积小,占地面积少,重量较活塞式轻5~8倍。
  2. 由于它没有汽阀活塞环等易损部件,又没有曲柄连杆机构,因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低。
  3. 工作轮和机壳之间没有摩擦,无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触,从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能。
  4. 能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大。由于热量是通过水的蒸发(在冷却塔中)来散发的,因此夏天室外的高温对其冷却能力影响很小。

离心式冷冻机组在小负荷时(满负荷的20%以下)容易发生喘振,不能正常运转。因此,在数据中心水冷空调系统的设计中一般先安装一台小型的螺杆式水冷机组或风冷水冷机组作为过渡。

大型数据中心的水冷空调系统一般由以下五部分组成,示意图如下

大型数据中心节能水冷恒温恒湿空调原理

  1. 离心式冷冻机组,一般为N+1配置,有一台备机,安装在冷站机房。

2.冷却塔,通常安装在室外或楼顶,一般一台冷冻机组对应一组冷却塔(便于维修和保证备机系统正常待机)。冷却水通过冷却塔来降温,由于水在大气中蒸发,因此要设计安装水处理系统来除垢、除沙尘、除钠镁离子和病菌等,否则将大大降低制冷效率。另外,由于数据中心是全年连续运行,还要设计冬季防结冰措施。

  1. 环形冷冻水管道。由于数据中心需要连续运行,因此冷冻水的进水和回水管道都要设计成环路,大型数据中心可能设计成二级或三级环路,这样在局部冷冻水管道或阀门发生故障时可以关闭相邻的阀门进行在线维护和维修。为了便于日后的维护、维修、更换和扩展,需要安装设计相当多的阀门。为了防止漏水和提高使用寿命,需要选择优质的阀门,有些工程使用优质无缝钢管,甚至不锈钢管。冷冻水管和冷却水管不允许经过机房区域。在水管经过的区域需要设置下水道和漏水报警设备。为了节能和防止冷凝水,冷冻水管和冷却水管都要采取严格的保温措施。
  2. 水冷恒温恒湿空调机。其实就是一个温差小风量大的大型风机盘管,一般推荐采用地板下送风和天花板上回风。为了保证IT设备的绝对安全和便于设备检修,推荐设置物理上独立的空调设备间,四周做拦水坝,地面做防水处理和设置排水管道,安装漏水报警设备。推荐采用N+1或N+2的冗余配置方案。

4.水泵。冷冻水和冷却水的循环都是通过水泵进行的。水泵的节能除采用变频装置外,应采用较大直径的管道、尽量减少管道长度和弯头、采用大半径弯头、减少换热器的压降等。冷冻机房、水泵、冷却塔、板式换热器和恒温恒湿空调尽量设计安装在相近的高度以减少水泵扬程。

由于大型数据中心的水冷空调系统的电力负荷很大,一般需要为水冷空调系统设计独立的配电室。

由上述可以看出,水冷空调系统比较复杂,成本也比较高,维护也有难度,但是能满足大型数据中心的冷却和节能要求。

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