AHU：Air handling unit, 即空氣處理機組，是用于處理空氣溫度、濕度、潔凈度的設(shè)備，通常由箱體、風機、過濾網(wǎng)、加濕器、制冷盤管等部件組成。DX：Direct expansion, 即直膨式制冷。是指制冷劑在蒸發(fā)器中膨脹蒸發(fā)對空氣直接進行制冷，中間不經(jīng)過水等換熱媒介。COP：Coefficient of performance, 即制冷性能系數(shù)。在標準工況下，COP=制冷量/制冷機輸入功耗。COP越大，制冷效率越高。自然冷卻：利用自然界較低溫度的空氣、水等介質(zhì)來對制冷對象進行制冷，減少機械制冷的開啟時間，達到節(jié)能的目的。間接蒸發(fā)制冷：間接蒸發(fā)冷卻是指通過非直接接觸式換熱器將水蒸發(fā)得到的冷量傳遞給被制冷空氣實現(xiàn)空氣等濕降溫的過程。數(shù)據(jù)中心冷源形式多種多樣，可以從不同維度進行歸類劃分。根據(jù)是否采用自然冷源，可以分為機械制冷和自然冷卻。根據(jù)末端工作媒介的不同可以劃分為DX制冷和冷凍水制冷。根據(jù)冷凝方式的不同可以進一步分為風冷和水冷。自然冷卻根據(jù)換熱介質(zhì)的不同可以分為風側(cè)、水側(cè)、氟側(cè)自然冷和自然水冷卻（海水、湖水制冷）等形式。圖1系統(tǒng)歸類了數(shù)據(jù)中心常見冷源形式。圖1. 數(shù)據(jù)中心常見冷源形式分類
冷源形式形態(tài)各異，數(shù)據(jù)中心冷源選型應(yīng)該如何確定？縱觀海內(nèi)外暖通系統(tǒng)應(yīng)用場景可以發(fā)現(xiàn)，同樣地區(qū)，同樣氣候條件，暖通系統(tǒng)的選擇都不盡相同。究其原因，冷源選擇需要綜合考慮綠色節(jié)能、系統(tǒng)可靠性、運維復(fù)雜性、建筑限制條件、全生命周期TCO最優(yōu)等因素，而不是一味追求低PUE的目標。本文將介紹海外數(shù)據(jù)中心常見冷源形式，剖析利弊得失，以資參考。當室外空氣溫度低于空調(diào)設(shè)定送風溫度時直接采用新風對機房進行制冷。當室外空氣低于送風溫度設(shè)定時，室外新風與室內(nèi)部分回風混合后送風。當室外空氣溫度較高或空氣質(zhì)量較差時，采用機械制冷。當室外濕度超出送風設(shè)定范圍時，開啟加濕或除濕功能。
圖2. AHU直通風原理示意圖
1）相比間接蒸發(fā)冷卻，直通風無換熱損失，進入自然冷卻溫度設(shè)定點較高（室外干球溫度低于設(shè)定送風溫度即可），全年可利用自然冷卻時間更長，制冷效率高。2）相比冷凍水系統(tǒng)維護和控制更簡單，更容易實現(xiàn)模塊擴展和分期部署。3）空調(diào)模塊之間相互獨立，故障自動隔離，對運維人員技能水平要求較低。1）對空氣質(zhì)量要求高，室外空氣污染較高時需關(guān)閉自然冷卻模式，進入機械冷卻模式。2）濕度控制較難。室外空氣相對濕度超出標準范圍時，需要額外消耗能量加濕或除濕。1）美國A運營商美西某機房。如圖3所示，AHU安裝在樓頂，新風經(jīng)過AHU后送入機房架高地板，氣流組織較好。配備風冷冷機機械制冷在室外高溫、高濕、或高污染條件下開啟機械制冷?，F(xiàn)場參觀時，室外溫度14度，低于機房送風溫度設(shè)定，但由于當天下雨，室外空氣相對濕度較高，仍然需要啟用機械制冷對送風進行除濕。圖3. 直通風設(shè)備樓頂布置實物圖
2）美國B運營商美西某機房。該機房所在地緯度較高，十分適合采用自然冷卻。如圖4所示，AHU安裝在機房旁邊，新風管和排風管連接到屋頂通風口。樓頂設(shè)置風冷冷機用于機械制冷和除濕。機房送風采用上送上回，AHU通過安裝在吊頂?shù)娘L管送到冷通道，熱通道密閉，通過吊頂靜壓箱回到AHU。圖4. 直通風AHU部署于樓層內(nèi)
圖5. 進風、排風口和風冷冷機布置于樓頂
3）美國C運營商美西某機房。AHU設(shè)置在屋頂。冷風通過風管送到冷通道。熱空氣通過自然上浮回到AHU回風口，回風阻力較小。送回風通過冷熱空氣高差密度梯度自然分離，未設(shè)置冷熱通道隔離，機柜功率密度5.5 kW。1）及時更換過濾網(wǎng)。美國某運營商機房曾經(jīng)出現(xiàn)過中效過濾網(wǎng)更換不及時，導致灰塵沉積在設(shè)備外殼。更換中效過濾器后，現(xiàn)象消失。2）另外，同一地區(qū)D運營商某機房2019年夏天曾出現(xiàn)過機房高濕告警，導致某大客戶多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生電路板短路故障。3）新風模式轉(zhuǎn)機械制冷模式過程中，會出現(xiàn)短暫送風量波動，可能會出現(xiàn)機房氣流組織不均勻，尤其是對于采用房間側(cè)送風形式的機房容易出現(xiàn)局部熱氣回流到冷通道的現(xiàn)象。4）采用地板下送風加密閉熱通道的方式相比房間側(cè)送上回，氣流組織更均勻，不易出現(xiàn)局部負壓問題。室外溫度低于設(shè)定溫度時，壓縮機停止，制冷劑旁通，氟泵帶動制冷劑循環(huán)實現(xiàn)熱量遷移到室外。由于氟泵的功率遠低于壓縮機，因此可以實現(xiàn)節(jié)能。1）風冷DX安裝簡單，無冷凍水系統(tǒng)，安裝、控制和維護都極其簡單。
2）精密空調(diào)之間相互獨立，天然故障自動隔離，可靠性非常高。
3）對運維人員技能水平要求低，可減少運維人員數(shù)量。
4）冬天可利用自然冷卻，相比單純風冷DX制冷效率高。
2）比單純風冷DX增加氟泵和儲液罐，制冷劑充注量上升，初投資增加。3）風冷室外機占地較多，密集部署易產(chǎn)生熱島效應(yīng)。風冷DX由于室外機占地面積大，容易產(chǎn)生熱島效應(yīng)，往往不會被應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)中心，但美國A運營商美西某機房通過采取技術(shù)措施，規(guī)避了這些弊端。它采用高效微通道室外機，同時通過鋼支架加高室外機，增強室外機散熱效果，定期檢查室外機清潔情況，避免熱聚集效應(yīng)。此外，國內(nèi)精密空調(diào)廠商均有類似氟泵產(chǎn)品，但主要應(yīng)用于北方的通信機房或小型數(shù)據(jù)中心。利用空氣-空氣換熱器實現(xiàn)室內(nèi)空氣與室外空氣的換熱；通過噴水蒸發(fā)，把室外空氣降到濕球溫度；空氣換熱無法滿足制冷需求時，開啟機械制冷。1）與直通風相比，機房空氣與室外空氣隔離，運行模式切換不依賴室外空氣質(zhì)量影響，只與室外干濕球溫度相關(guān)。2）相比水側(cè)自然冷卻，進入自然冷卻溫度設(shè)定點較高，全年可利用自然冷卻時間更長，制冷效率高。3）相比冷凍水系統(tǒng)維護和控制更簡單，更容易實現(xiàn)模塊擴展。模塊之間相互獨立，故障自動隔離。1）通常設(shè)置在建筑外墻或樓頂，需與建筑設(shè)計相結(jié)合。建筑通常是單層或雙層。2）建筑面積過大時，送風距離過長，遠端機柜依靠彌漫送風，近端機柜送風速度過快，易出現(xiàn)負壓，導致熱氣回流。美國C運營商美東某機房采用標準化的設(shè)計架構(gòu)。機房建筑專門配合采用間接蒸發(fā)空調(diào)進行設(shè)計，采用鋼結(jié)構(gòu)大開間設(shè)計，上下兩層，層高6.7m。每層單側(cè)布置間接蒸發(fā)空調(diào)，采用側(cè)送風上回風，熱通道封閉的氣流組織方式。高達6.7m的層高可保證熱氣自然上升，同時增加熱通道的高度，減小回風阻力。隨著間接蒸發(fā)制冷在海外，尤其是歐美數(shù)據(jù)中心市場應(yīng)用成熟，國內(nèi)近幾年也呈現(xiàn)出逐步推廣的趨勢。騰訊更是將間接蒸發(fā)制冷作為騰訊新一代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)T-block的主打空調(diào)解決方案。側(cè)送上回的氣流組織方式，靠近空調(diào)出風口的送風風速過快，容易出現(xiàn)冷熱通道之間形成負壓，從而導致熱氣回流的現(xiàn)象。為了減輕這種現(xiàn)象，可以在空調(diào)送風口處設(shè)置靜壓箱，通過把動壓轉(zhuǎn)換為靜壓來提高送風均勻性。另外空調(diào)運行模式切換，或者輪巡切換也會導致風量波動。機柜應(yīng)當做好盲板封堵，縫隙添補的工作，避免送回風壓差波動導致熱通道熱氣回流造成局部熱點。1）單臺冷機制冷量通常在1200KW以下，較水冷冷機小，適合模塊化擴容。2）無需設(shè)置冷凍站，不占用室內(nèi)建筑空間。3）模塊化擴容。冷凍水系統(tǒng)環(huán)管一次性做好，預(yù)留冷機和末端閥門接口。冷機和末端可隨容量擴展情況增加數(shù)量，減小項目初期投資。4）無冷卻水系統(tǒng)，系統(tǒng)更簡單，沒有復(fù)雜的水處理，對運維人員水平要求較低。控制更簡單，BA系統(tǒng)測點數(shù)量大大減少。6）相比DX制冷而言，更容易實現(xiàn)連續(xù)制冷（設(shè)置蓄冷罐）。風冷冷機 冷凍水精密空調(diào)在北美、歐洲應(yīng)用廣泛。雖然風冷冷機效率不如水冷冷機，但由于其具備系統(tǒng)簡單，模塊擴容方便，初投資低等諸多優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于全球數(shù)據(jù)中心。下圖為德國某運營商風冷冷機應(yīng)用實景。冷機配備了自然冷卻盤管，可在冬天實現(xiàn)自然冷卻。同時冷凝器配備了水噴淋，可在夏天降低冷凝壓力，提高制冷效率。1）單臺冷機制冷量大于1000kw，適合大型數(shù)據(jù)中心。制冷效率高，COP約在5~8，可在全年平均氣溫較高地區(qū)實現(xiàn)較高制冷效率。3）結(jié)合板換可在冬季實現(xiàn)自然冷卻。4）相比DX制冷而言，更容易實現(xiàn)連續(xù)制冷（設(shè)置蓄冷罐）。1）系統(tǒng)控制復(fù)雜，重啟時間長，對運維人員技能要求高。3）故障需要手動隔離，在出現(xiàn)大量缺水時，故障時間較長。主要集中在亞太地區(qū)。如中國大陸，中國香港，韓國，日本等機房均有廣泛的應(yīng)用。采用水冷冷凍水系統(tǒng)對運維人員水平要求較高，運營方應(yīng)當制定詳細的應(yīng)急流程，定期對人員技能進行考核。例如，當系統(tǒng)發(fā)生較嚴重漏水時，運維人員需要能夠第一時間定位故障，迅速對漏水點進行故障隔離。若處置不夠迅速，水量丟失嚴重，空氣進入干管時，補水和排氣的時間就會很長。綜上所述，暖通系統(tǒng)選型時需綜合評估，平衡以下幾方面因素：1）根據(jù)氣候條件因地制宜。統(tǒng)計全年可采用自然冷卻的小時數(shù)，確定是否采用自然冷卻，采用何種冷卻方式。平衡CAPEX和OPEX，達到全生命周期TCO最優(yōu)。2）匹配建筑特點。采用風側(cè)自然冷卻建筑高度不宜過高。風冷DX高差不宜超出-5~20m范圍等。3）運維復(fù)雜程度。水冷冷凍水系統(tǒng)制冷效率更高，但運維難度更高。DX制冷由于系統(tǒng)相互獨立更容易實現(xiàn)故障隔離，對運維人員技能要求較低。4）模塊化擴展。風冷系統(tǒng)單機制冷容量較小，更容易匹配業(yè)務(wù)增長，達到分期投資，優(yōu)化投資回報率的目標。
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