摘 要：本文以北京市某超算數(shù)據(jù)中心項目為例，介紹了超算數(shù)據(jù)中心空調(diào)及相關(guān)工藝設(shè)計方案，以及超算數(shù)據(jù)中心和常規(guī)數(shù)據(jù)中心在工藝布置上、空調(diào)方案選擇上的對比，并提出了相應(yīng)的措施。
關(guān)鍵詞：超算數(shù)據(jù)中心 工藝設(shè)計 空調(diào)設(shè)計 節(jié)能
引 言
本文以北京市某超算數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)計方案為例，對超算數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)計進(jìn)行分析，以便為今后的同類項目做參考。
1、工程概況
超算機(jī)房布置平面圖詳見圖1：
圖1 超算數(shù)據(jù)機(jī)房平面布置圖
2、超算數(shù)據(jù)中心的特點
根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB 50174-2017[1]中，常規(guī)數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的使用面積可按照下式計算：
A=SN （1）
式中：A 為主機(jī)房的使用面積，m2；S 為單臺機(jī)柜（架）、大型電子信息設(shè)備和列頭柜等設(shè)備占用面積，可取2.0m2～4.0m2/臺；N 為主機(jī)房內(nèi)所有機(jī)柜（架）、大型電子信息設(shè)備和列頭柜等設(shè)備的總臺數(shù)。
該項目各個功能房間面積見表1。
表1 超算機(jī)房各房間面積
由表1可以看出：
?。?）超算機(jī)房由于設(shè)置液冷空調(diào)，采用一拖二的構(gòu)架，空間占用比普通的數(shù)據(jù)機(jī)房要多，同時單機(jī)柜占用面積增大，有助于室內(nèi)熱量排出。
（2）變配電室面積約為1500m2，1kW機(jī)柜電量所占的變配電室面積為0.3m2/kW。超算數(shù)據(jù)中心1kW機(jī)柜電量所占的變配電室面積為0.07m2/kW，所占面積減少。分析可得，由于超算機(jī)房計算節(jié)點機(jī)柜、相應(yīng)的高壓直流配電柜、AI設(shè)備機(jī)柜采用單路供電，而常規(guī)數(shù)據(jù)機(jī)房采用雙路供電，且一路為UPS供電，因此1kW機(jī)柜電量超算所占面積比常規(guī)數(shù)據(jù)機(jī)房較小[2]。
3、超算機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表2[3-4]：
表2 超算機(jī)房室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
超算機(jī)房設(shè)備參數(shù)見表3：
表3 超算機(jī)房設(shè)備參數(shù)
各空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷見表4：
表4 空調(diào)冷熱負(fù)荷
為了維持超算機(jī)房及存儲機(jī)房內(nèi)的舒適度的要求，考慮設(shè)備對房間的散熱，設(shè)置了多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，滿足人員對環(huán)境溫濕度的要求。該工程根據(jù)不同房間，共設(shè)置三套多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)滿足舒適度需求。
（1）中溫冷凍水系統(tǒng)
該超算機(jī)房中溫冷凍水冷負(fù)荷為5847.7kW，共設(shè)置離心式冷水機(jī)組，單臺制冷量為3500kW共三臺，兩用一備，冷凍水供回水溫度為12/18℃，冷卻水采用冷卻塔散熱，供回水溫度為33/38℃，考慮到系統(tǒng)全年供冷運行的需求，冷卻塔選型要按照北京全年極端最高濕球溫度31℃的情況下，冷卻水溫為33/38℃來選型，所選單臺冷卻塔設(shè)計狀態(tài)下的循環(huán)水量為705m3/h。為了保證該系統(tǒng)不間斷供冷的需求，在空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置了三個有效容積為70m3的閉式臥式蓄冷罐，平時為蓄冷狀態(tài)，當(dāng)市電故障時，柴發(fā)機(jī)組并機(jī)完成之前，滿足15分鐘全負(fù)荷供冷量的需求。該系統(tǒng)冷卻塔、冷卻水泵、離心式冷水機(jī)組、板式換熱器、一次冷凍水泵均為一一對應(yīng)設(shè)置[4]。
充分考慮節(jié)能需求，該系統(tǒng)有三種運行工況：電制冷工況、部分免費供冷工況、全部免費供冷工況。電制冷工況：當(dāng)室外為夏季時，全部采用離心式冷水機(jī)組提供冷量，通過開式冷卻塔散熱的方式供冷。部分免費供冷工況：采用冷水機(jī)組 板式換熱器 冷卻塔作為冷源供冷，根據(jù)室外濕球溫度變化，采用冷卻水通過板式換熱器對冷凍水進(jìn)行預(yù)降溫處理，實現(xiàn)部分自然冷卻供冷，減少機(jī)械制冷能耗。過渡季可提供30%～70%自然冷卻供冷。全部免費供冷工況：優(yōu)先采用辦公區(qū)熱泵機(jī)組冷水供冷，在滿足熱泵機(jī)組向全樓供熱的同時，機(jī)房區(qū)供冷不足部分，采用機(jī)房區(qū)冷卻塔作為補充冷源。機(jī)房區(qū)冷水供/回水溫度為12/18℃，全樓熱泵機(jī)組熱水供/回水溫度55/49.5℃，機(jī)房區(qū)冬季冷卻塔進(jìn)出水溫度14.3/10℃。
為保證數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)用水的可靠性，設(shè)置冷卻塔補水池，補水池按照12小時冷卻水補水量的要求設(shè)置。補水池的蓄水量為260m3的蓄水池。
（2）中溫冷卻水系統(tǒng)
該超算機(jī)房中溫冷凍水冷負(fù)荷為25714kW，為超算機(jī)房的主要負(fù)荷。中溫冷卻水系統(tǒng)末端空調(diào)夏季供回水溫度為35/43℃，冬季供回水溫度為29/21℃。由于該部分負(fù)荷量較大，水溫較高，考慮空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能及節(jié)約建筑空間等綜合因素，確定該系統(tǒng)采用冷卻塔 板式換熱器供冷的形式?？紤]15%的備份需求，單臺板式換熱器換熱量為5000kW，共6臺，6用，冷卻塔共6臺，供回水溫度夏季供回水溫度為33/41℃，冬季供回水溫度為16/24℃，設(shè)計狀態(tài)下單臺冷卻塔的循環(huán)水量為540m3/h。板式換熱器、冷卻塔、冷源側(cè)冷卻水泵、用戶側(cè)冷卻水泵均為一對一設(shè)置。
空調(diào)水系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)均為環(huán)狀設(shè)置，滿足系統(tǒng)靈活、安全運行的需求，該系統(tǒng)冷卻塔設(shè)置于一層地面，其他設(shè)備均分設(shè)置于地下兩個換熱站內(nèi)。
中溫冷卻水空調(diào)系統(tǒng)圖見圖2：
圖2 超算數(shù)據(jù)機(jī)房中溫冷卻水空調(diào)系統(tǒng)圖
該系統(tǒng)全年冷源為冷卻塔供冷，在冬季要考慮冷卻塔防凍要求，根據(jù)實際運行負(fù)荷，適當(dāng)預(yù)留備份冷源，將其他冷卻塔放空，在備份冷卻塔上也要考慮冷卻塔和管路的電伴熱及采用帶風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)功能的冷卻塔等方式，防止冷卻塔凍結(jié)，無法運行的風(fēng)險發(fā)生。
4、超算機(jī)房和常規(guī)數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)計情況的匯總
超算機(jī)房和常規(guī)數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)置情況有以下不同：
（1）超算計算節(jié)點柜是通過液冷CDM空調(diào)柜來供冷，液冷CDM空調(diào)在供冷的同時，定時會釋放出制冷劑氣體，每個機(jī)柜均有一個放氣管，在通風(fēng)設(shè)計時，要充分考慮氣體的排放情況。
?。?）超算機(jī)房由于機(jī)柜本身發(fā)熱量較大，對周圍環(huán)境的散熱量較大，所以，在超算節(jié)點機(jī)房設(shè)計時，要充分考慮機(jī)柜對周圍環(huán)境的散熱，本工程采用多聯(lián)機(jī)的系統(tǒng)形式，為環(huán)境供冷。
?。?）超算機(jī)房計算節(jié)點機(jī)柜由于負(fù)載較大，電纜較多，要充分考慮電纜的散熱，若電纜為下進(jìn)線時，要充分考慮架空地板下及相關(guān)強(qiáng)電井內(nèi)電纜的發(fā)熱量。
?。?）超算機(jī)房配套的高壓直流配電柜的負(fù)荷較大，要根據(jù)其實際散熱負(fù)荷情況，考慮不同的空調(diào)形式。本工程由于高壓直流配電柜單機(jī)柜發(fā)熱量約為15kW，且最高溫度不超過40℃，因此，空調(diào)末端采用熱管式背板空調(diào)，通過換熱器實現(xiàn)冷媒和中溫冷凍水的換熱，從而解決了機(jī)柜熱點和兼顧節(jié)約建筑空間的目的。
（5）超算機(jī)房雖然總負(fù)載量比較大，但是計算節(jié)點為單路供電，和常規(guī)的數(shù)據(jù)機(jī)房相比較，相同負(fù)荷所占的變配電室面積較小。
5、結(jié)語
由于近幾年超算數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展，由最初的十幾千瓦到現(xiàn)在的一百多千瓦，以后可能還有更多荷載的超算機(jī)柜出現(xiàn)，因此，超算機(jī)房的設(shè)計及相關(guān)的節(jié)能問題也是亟須研究的課題。在超算機(jī)房由于具有負(fù)載量跨度比較大，且運行中負(fù)荷變化情況與其所處的行業(yè)類型有關(guān)，因此，不能一概而論，要在滿足其最大使用負(fù)荷的情況下，充分考慮設(shè)備的最低負(fù)荷，以及系統(tǒng)靈活運行的特點。
[1] GB 50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2017.
[2] GB 50736-2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.
[3] 王晶.上海超算中心機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與管理[J].建筑電氣,2010,30(9):69-72.
[4] 中國建筑設(shè)計研究院·暖通空調(diào)·動力[M].北京:中國計劃出版社,2009.
來源：《建筑熱能通風(fēng)空調(diào)》
