浅析数据中心水系统管路架构

作者：兰洋科技浏览量：5991 时间：2023年05月09日标签: 液冷水泵冷水机组冷却塔

在数据中心空调水系统中，冷源和末端依靠管网连接在一起，冷冻水和冷却水的循环都是通过水泵和管网来实现，管网起到承上启下，把冷却塔、冷机、水泵和末端等单个设备联系起来成为一个整体，水泵、冷机和管网不同的组合可以组成不同的水系统架构，架构设计的优劣好坏，直接关系到设备能耗和系统效率，可以说系统架构是整个空调系统的核心和枢纽。

一水系统架构基础

1 开式系统和闭式系统

数据中心冷却水系统侧一般采用开式系统，冷冻水系统侧则采用闭式系统。开式还是闭式是指循环管路系统，也就是水泵的出口到水泵的入口这个循环是否是闭合的，如果系统循环管路中有水箱与大气相通，系统就是开式系统;如果系统循环是闭合的，就是闭式系统。　　　　

开式系统如图 1，由于始终和大气接触，循环水中含氧量高，宜腐蚀管路;杂质和脏物也易进入系统，导致系统过滤器堵塞，增大系统维护工作量;当末端设备与冷冻站高差较大时，水泵则须克服高差造成的静水压力，会增加耗电量，水泵启停过程中也容易产生水锤现象。

闭式系统如图 2，管路里的水不与大气相接触，水在系统内密封循环，仅在系统最高点设置膨胀水箱对系统进行定压和补水，膨胀水箱的水平时不参与系统循环，如果膨胀水箱无法设置，则设定压罐对系统定压。闭式系统管道与设备不宜腐蚀，闭式循环中水泵扬程只需要克服系统管路阻力，不需为高处设备提供静水压力，循环水泵的压差较低，从而水泵的功率相对较小;闭式系统不和大气接触，杂质和异物不易进入系统，水系统维护工作量低。　　

2 定流量系统和变流量系统

①定流量系统(图 3)　　

数据机房的冷冻水系统可以分为冷源侧环路和负荷侧环路。冷源侧环路是指从冷机到分集水器的管路，该部分负责冷冻水的制备，该环路宜采用定流量设计，因为对定频冷机来说，流量的改变会导致冷机蒸发温度的改变，导致机组工作的不稳定，流量过小会降低机组的制冷效率，严重情况会导致蒸发器的冻结。故变流量和定流量一般指的是系统的负荷侧环路，也就是末端机房空调到分集水器的管路而言的。　　　　

在冷冻水机房空调上安装三通阀，如图 3 所示，当空调全负荷运行时，电动三通阀处于直通状态，旁通关闭，冷水全部进入空调制冷，当机房负荷较小，温度控制器调节三通阀旁通打开，冷水旁通直接进入回水管，回到冷机;定流量过程中系统循环水量保持不变，通过控制三通阀来改变供水量和旁通水量，从而改变冷冻水型机房空调的制冷量，对于制冷主机来说则是水量始终不变，仅仅是改变了供、回水温度。定流量系统水泵一般采用定频设计，也可以采用变频启动，但这里的变频器并不作为调速用，而是改变水泵的启动性能和防止水锤现象。定流量系统简单，操作方便，也不需要繁琐的自控设备，但由于不管机房热负荷大小，水泵始终在最大流量运行，因此水泵的功耗较大，特别是机房负荷较小时，运行费用较高，不符合数据中心节能减排的宗旨，该设计仅在小规模的数据中心采用。　　②变流量系统(图 4)　　

变流量系统是在空调水管管路上安装电动二通阀或者比例调节阀，当机房温度高于空调设置温度时，温度控制器开大阀门，当低于设定点后，温控器关小阀门;通过比例调节阀，改变冷冻水型空调获得的供水水量，来改变所需要的制冷量，在这过程中，供回水温度是基本不变的，保持在一定范围内，当机房负荷发生变化时，调节阀会改变水系统的流量，特别是当机房负荷较低时，需要的流量较小，这时水泵的流量也可以相对减少，从而降低水泵的功耗，符合当前数据中心节能减排的目标和宗旨。图 4 就是一个典型的定压变流量系统设计图，冷机到分水器和集水器到冷机的流量基本不变，末端到分集水器则根据负荷变化进行改变，当末端设计用水量减少时，压力会增加，压力旁通打开，让多余的冷冻水进行旁通;当末端用水量增加时，压力下降，压力旁通就会关小，从而确保系统压力处于正常情况。　　　　

现在一些数据中心开始采用变频离心机组，冷水机组可以进行变流量运行，冷机的水量容许 40%～130%之间，水泵采用调速泵，节能更为明显，在总供、回水管之间设旁通管和电动旁通调节阀，旁通调节阀的设计流量取各台冷水机组允许的最小流量中的最大值。在多机多泵并联系统中，冷水机组根据负荷变化也可进行能量调节控制，但只要能量控制没有达到一台水泵停止或启动的条件，无论末端水量如何变化，系统水量只是在负荷侧管路和压差旁通管路之间进行流量分配和调整。　

3 水泵和机组的对应方式

对应形式可以多机对多泵形式，或者是一机一泵形式，两种设计各有特点，数据中心可以根据自身的需要，选择适合的方案。　　①一机一泵方式(图 5)　　　　

这种方式是一台水泵对应于一台冷机，这种方式的电气控制简单;可避免运行人员频繁人工开或关主机或冷却塔入口阀门，适应部分负荷时的运行，并简化开机的步骤，开启主机同时只要开启相对应的水泵就可以，简化操作又节约能源，不存在运行部分机组时出现水流旁通降低机组 COP 问题，缺点是组件的备用性较差，部分数据中心就采用对这种设计方式。　　②多机对多泵方式(图 6)　　　　

就是多台水泵并联和多台冷机并联后进行串联，这种方式可以提升机组和冷机的冗余度，相当于提升系统组件的可用性，可靠性高。多机对多泵的优点是循环水泵可互为备用，管道系统简单。缺点是运行操作麻烦，电气配对设计要复杂一些，另外，多台水泵并联，选择时要按照泵的特性曲线作并联分析，使工况点满足不同台数运行时需要。

4 一级泵和二级泵系统

在数据中心水系统中，冷冻侧可以采用一级泵，也可以采用二级泵。一级泵系统叫一泵到底，也叫单式泵系统，是指冷源侧与负荷侧合用一组循环泵的系统，如果在冷源侧和负荷侧分别配置循环泵的系统就叫二级泵系统或者多级泵系统。　　①一级泵系统(图 7)　　　　

整个水系统由以下两个环路组成:以分集水器为界，左边是冷源侧环路，它是指从集水器经过冷水机组至分水器这一环路，按定流量运行;右边是负荷侧环路，它是指从分水器经过空调末端设备至集水器的这一环路按变流量运行，一级泵系统比较简单，操作维护方便，现有的数据中心设计多采用这种方式，按照末端流量是否变化它又可分为一级泵定流量系统和一级泵变流量系统。一级泵变流量系统的控制原理:当机房负荷下降时，负荷侧机房空调的二通调节阀陆续关小，当供、回水总管之间的压差超过了设定值，此时压差控制器动作，让旁通管路上的二通调节阀打开并开大，使部分冷冻水不经末端机房空调设备而从分集水器的旁通管直接返回冷水机组，从而确保冷水机组的水量不变。　　　　

②二级泵(复式泵)系统(图 8)　　　　

二级泵系统是指冷源侧和负荷侧分别配置循环泵的系统，冷源侧循环泵和负荷侧循环泵是相互分开的。由冷水机组、供回水总管、一次泵和旁通管组成一次环路，也称冷源侧环路，该环路水泵曲线可以选用平坦性;由二次泵、空调末端设备、供回水管路与旁通管组成二次环路，也称负荷侧环路，该环路水泵曲线可以选用陡峭性;这样的选择有利于制冷机组运行的平稳和保证蒸发器的安全运行，同时降低输配能耗，和一级泵相比，节能潜力较大，在大型数据中心，冷冻站同时供给多个数据中心机楼，采用二级泵设计可以作为优先选择的节能方案。

二冷却水侧系统架构

在冷却水侧，水泵、冷机和冷塔对应方式有多种形式，可以多机对多泵对多塔形式，也可以是一机一泵一塔形式，各种设计各有自己的特点，数据中心需要根据系统运行的不间断性、可维护性和系统节能性出发，选择适合的架构和方式。

1 单机单泵单塔方式

单机单泵单塔这种方式是一台水泵对应于一台冷机，如图 9，这种方式的电气控制简单，可避免频繁开关主机或冷却塔入口阀门，适应部分负荷时的运行，开启主机同时只要开启相对应的水泵就可以，简化操作又节约能源，不存在运行部分机组时出现水流旁通降低机组 COP 问题，缺点是这种设计条件下，当系统里面一个设备发生故障时，别的系统里面同类型设备无法为这个设备备用，系统的备用性很差。

2 多机多泵多塔方式

多机多泵对多塔的形式，就是多台并联水泵和多台并联冷机串联后，再和多台并联冷却塔串联，如图 10，这样情况下可以提升机组和冷机的冗余度，相当于提升系统组件的可用性，同时可以充分利用冷却塔的散热能力，降低冷却水温，提升冷机效率，达到节能目的;缺点是开关机必须执行相应程序，如运行中不开启的机组水路必须关闭，否则部分机组会出现水流旁通降低机组 COP 问题。　　

在多机多泵对多塔设计中，数据中心从可靠性出发，为了解决部分管路的单点故障，一般采用环网设计，系统中可以多个环网设置，环网中通过阀门隔断，让系统实现在线检修，以提升系统的可用性，如图 11。

3 单机单泵对多塔方式

对上述两种方式的组合应用，借鉴了单机单泵单塔方式和多机多泵多塔方式两者的特点，有单机单泵灵活性，也有多塔架构的节能性能，如图 12，但系统的维护性不如多机多泵多塔方式。　　

三冷冻侧系统架构

冷冻水侧构成比较复杂，如水泵设计可以选用单级泵，也可以选用两级泵;水泵、冷机对应方式也有多种形式，可以多机对多泵设计，也可以是一机一泵形式;到末端管路可以单管路、双管路和环网结构，蓄冷方式可以考虑串联，也可以考虑并联，下列设计方式是目前数据中心典型的设置方式。

1 单级泵一对一架构

系统采用单级泵，所有设备和管路均有冗余和备份，其中冷机、水泵采用 N+1 配置，末端空调采用 N+X(X=0、1、2)配置，管路采用环网，每个制冷子系统均串联一个蓄冷罐，水泵、冷机和蓄冷罐采用一对一串联关系，如图 13，这种配置下，冷机和水泵一一对应，水泵的水流不会产生旁通，冷机水量受水泵影响小，冷机效率高，不利的是冷机和水泵的互换性较差;另外每台冷机均配置一台蓄冷罐，蓄冷罐数量较多，好处是任何一台冷机故障，均可进入放冷模式，系统水温变化小。

2 单级泵多对多架构

系统采用单级泵，所有设备和管路均有冗余，其中冷机、水泵采用 N+1 配置，末端空调采用 N+X(X=0、1、2)配置，管路采用环网，水泵、冷机和蓄冷罐采用多对多串联关系，如图 14;这种配置下，设备的备用性和互换性高，系统里面任何几个不同类型的设备发生故障，均不会影响系统的正常运行;不利的是未投入使用的冷机会产生旁通现象，影响系统效率，故需要设置电磁阀进行关闭;系统可以设置一台或者两台蓄冷罐，通过旁通调节阀控制蓄冷罐进行放冷和充冷，这种设计是目前数据中心应用较为广泛的一种设计。

3 两级泵环网架构

在数据中心空调系统中，水泵等输配系统占据整个空调系统能耗的 20%～30%，为了节能，需要进一步降低输配系统的能耗，有效措施之一就是采用两级泵设计。图 15 中，由冷水机组、供回水总管、一次泵和旁通管组成一次环路，该环路水泵曲线选用平坦性;由二次泵、空调末端设备、供回水管路与旁通管组成二次环路，该环路水泵曲线可以选用陡峭性;这样的选择有利于制冷机组运行的平稳和保证蒸发器的安全运行，同时降低输配能耗，和一级泵相比，更为节能，特别是大型数据中心，冷冻站同时供给多个数据中心机楼，二级泵设计是优先选择的节能方案。另外采用两级泵系统，可以利用水泵运行状况的变化，实现蓄冷罐充冷放冷的完美配合，简化控制方式。这种设计也是目前数据中心应用广泛的一种设计。

4 微模块列间空调管网架构

数据中心的发展，列间空调和微模块可以有效缩短气流的路径，消除局部热点，提升冷却效果，降低气流输配能量消耗，所以微模块和行间空调开始大量应用。但是微模块和列间空调管路设计有着更高的要求，一方面它需要大量的空调设备和相关的管道铺设，另一方面微模块和列间空调直接靠近服务器，无法通过挡水墙和主设备分离，所以要求管道的每一个需要隔离的部位均采用双阀门设计，管网架构如图 16 右下部所示。　　　