极寒缺水条件下数据中心暖通系统调试技术研究

高黎骏

（上海市安装工程集团有限公司，上海 200080）

2020年以来，为满足高质量发展要求，国家开始大力发展新基建。未来几年，全国各地将在新基建领域持续发力，作为新基建重要内容的大数据中心建设亦将如火如荼地进行[1]。近来，国家部委、地方政府委办局密集出台了大量关于建设绿色数据中心，降低数据中心PUE的政策性文件[2]。由于数据中心整年均处于热负荷的空调运行工况，为了降低PUE，数据中心往往选址于严寒且偏离城市中心区的地区[3]，在施工及调试过程中，常面临在极寒条件下进行空调制冷工况的调试[4]。做好极寒条件下的暖通制冷调试，总结相关技术经验，不仅可供今后相似条件下的数据中心项目施工借鉴，同时也对其他类型的北方项目具有一定的参考价值，可提高该领域相关项目的施工竞争力。

背景工程云计算数据中心位于河北省张家口市张北县中都草原，项目地处北方高原，冬季温度最低至-30℃，严冬长达6个月且西北风强烈，周边无市政给排水但是有大量风力发电。该项目选址环境有利于降低数据中心的运营能耗，但对于施工来说则十分不利。项目建筑面积2万m2，作为A级数据中心，采用2（N+1）双系统同时运行（即采用双路市电电源沿不同路由入户，楼内互备使用，末端需要不间断供电的设备电源经UPS供电）、高压直流系统、风冷式冷水机组冷源系统。项目开工时间为2020年7月，竣工时间为2021年3月30日，根据施工进度安排，项目调试工作于2020年12月上旬开始，至2021年1月中旬结束，期间正处于张北县地区最寒冷的时节。

2.1 项目工期及经济综合条件

项目工期紧张，第二年开春必须达到竣工及投产使用的目标，而冬季施工及暖通调试工作无法避开严冬天气，故必须有经过审核的极寒条件下暖通系统调试的专项方案。另一方面，极寒缺水条件下的施工和调试会造成大量人力、物力成本的增加，并伴随一定的风险成本，故还需做好经济成本预算分析和控制。

2.2 调试期间项目场地环境条件分析

（1）水源条件：项目位置偏远且无市政给排水，空调系统采用闭式循环系统，平时运行时依靠深井泵补水，但水量并不能满足调试阶段冲洗及测试需求，故暖通调试所需水源需要外运外排，进水需要提供生活水水质报告，以达到冲洗管道的要求。排水需确定排水点，且需具备污水站排水资质，尤其是化学药剂的清洗和镀膜阶段的排水，必须确保排至指定的污水站处理。由于没有市政排水系统，故该工程系统排水先排放至室外总体的污水池，再由污水站安排污水运输车来抽取，运至指定的污水站处理。

（2）封闭及采暖条件：楼体已经具备外墙封闭的条件，采取内部加热措施。楼体外部暖通管路经过的区域，检查封闭条件，配合使用采暖设备，保证管道经过区域的环境温度能达到零度以上。部分保温措施如图1所示。

图1 新风口、空调机房及出入口的保温措施

（3）市政送电条件：若市政电尚未送达，需配备独立稳定的额外电源，满足调试需求。

（4）热负荷条件：在极寒条件下进行暖通系统的调试，冷机的启动需要足够的热负荷。

3.1 暖通管道的试压

极寒条件下，一旦管道漏水，管道内的水将无法进行整体循环，极易造成管道内水发生冰冻现象，导致管道损坏从而影响工期及增加成本。并且该项目没有市政水源，向外采购调试用水的成本本来就比较高，一旦管道严密性不够造成漏水，此部分水便无法重复利用，将造成极大的经济损失。为避免漏水问题，应先采用气体测试管道密封性，经气压检查后再注水试压。

3.2 楼体整体采暖

为保障楼内的温度兼顾安全性，且考虑到采暖效果、成本，对成品设备的保护和运行的稳定性等因素，优先采用安全性高的电加热设备。项目在调试初期，由于市政用电尚未正式送入，采用小型的燃油加热设备（图2），单个功率为100kW，可避免敷设燃油管道。在使用过程中，需在设备口布置临时围挡，安排专人看护。由于燃油加热器的油箱不大，全天需安排人员定时加油，否则油量不足会发生中断供暖的情况。后期正式送电后，及时调整为电加热设备（图3），功率在40～80kW之间，根据使用位置，布置专用的临时电缆和临时电箱。采暖期间在关键位置设置温度监控点，安排专人巡检，并在附近设置灭火器。

图2 燃油加热器

图3 电加热风扇

3.3 楼外管道保暖措施

项目地处北方，冬季温度非常低，在所有室外管道及靠近通道门口位置的管道都设有电伴热系统，分区域单独设置电伴热箱。电伴热带的布置采用螺旋缠绕法，确保管道均匀受热；
在系统设置上，确保管道内的水温始终在5℃以上，检查调试室外管道及靠近进出口处的管道电伴热和保温设施，临时进水管也需设置电伴热和保温设施。

3.4 系统冲洗循环保证措施

该项目根据模块机房的使用分为A、B两个系统，单个系统自成回路，冷源为6+1台风冷式冷水机组，设置在屋面上。采用二级泵系统，一级泵与冷机一一对应，二级泵3+1+1台，并设置一座备用冷源蓄冷罐及其他附属设备，如定压装置、加药装置、水处理装置等。因项目外部送水并不稳定，如果水量不足不能充满管道，则无法及时稳定完成系统循环，且若中途断水导致系统无法运行，易产生管道冻裂现象。故利用系统自带的蓄冷罐作为临时储水点，单个蓄冷罐的储水量为318m3，蓄冷罐自带电伴热带，可确保其内水源温度不低于5℃。外部采购的水源先全部注入蓄冷罐内，待蓄冷罐内水量充足后，利用临时接管连通蓄冷罐的排水管和系统快速补水口，快速往系统内注水，尽快完成系统冲洗循环。中温冷冻水系统原理图如图4所示。

图4 中温冷冻水系统原理图

考虑到蓄冷罐水量无法满足系统整体冲洗循环用水量，采取分区循环的方式，将冷站的内循环管路及对应冷机的一级泵回路先一步循环，二级泵系统对应的末端空调设备区可以分为一层的变电所环路及二层的包间空调区环路，彼此可以单独逐个进行冲洗循环（图5）。

图5 外部采购水源向蓄冷罐储水

需要注意的是，在冲洗循环及加药镀膜的过程中会涉及多次排水注水，而由于冷机至冷站内循环管路是与一级泵一一对应的，如果一台水泵出现故障，相应的冷机管路必然水流量不足，室外管道内若有大量存水则极易造成管道冻坏，故每次注水都需要严格计算水量并密切观察水泵的状态及水温。

3.5 设备旁通切断

在调试过程中，还需考虑设备与系统的切断。在系统循环冲洗和加药镀膜未完成前，为避免设备内的铜管受影响，需在设备前端设置临时旁通，包括冷机、末端空调设备。作为系统临时补水的蓄冷罐，在补水完成后也应当及时关闭临时补水管阀门。

3.6 设置温度和流量监测仪表

该项目运行工况是全年冷负荷的状态，冷机的运行工况始终保持在有热负载的状态下。设备本身的使用环境温度相对较差，例如冷机的所在位置是室外屋顶，因此配置了内部电伴热系统，并配温度感应元件，由设备自身根据环境温度启用。

冲洗过程中需确保水温至少不低于5℃，尤其需监测末端过滤器前后的压差、水温，以防末端管路阻塞，水流循环不畅，出现管道冻裂现象。因此，在系统关键部位设置温度和流量监测仪表，以监测水温和水流量通路情况。如表1和表2所示，在冲洗过程中，各监测点的温度都在5℃以上，且温度和流量都非常稳定，表明前期的保温和疏通检查工作比较到位。

表1 冲洗过程中各监测点温度统计表

表2 冲洗过程中各监测点流量统计表

水质达标，水系统进设备前，再次检查设备前端的过滤器，设备自身的电加热系统调试完毕，电加热启动后才可进水。此外，设备系统内的铜管管径更小，保温措施更少，极易产生冻裂现象，故设备的电加热及管理必须保持正常状态。

3.7 系统末端配置假负载

数据中心项目全年需要供冷，所以在调试时为了模拟后期的使用工况，会在末端机柜处配置假负载，在提供电路负载的同时，也能提供空调测试的热负载，模拟空调系统的运行工况。机房包间的热负载主要来自IT机柜的运行散热，所以在假负载布置时，需要保证单根热通道的热负载相同，并且在热通道无封闭处设置临时封闭（图6）。图7为中温水系统示意图，每8台空调箱服务1个机房包间，每个包间有10列IT机柜，机柜之间通道为冷通道和热通道相间排列。

图6 通道处临时封闭处理

图7 中温水系统图

严禁在无热负载的情况下调试新风模式，调试新风模式过程中应时刻注意机房包间的温度。全新风/半新风模式会导致设备区域温度急速下降，因此需要时刻观察空调区域的温度和空调水温度，保证一定的热负载作为温度的提升源，否则极易造成暖通系统整体冻坏。

以包间一1模块机房为例，每列机柜布置12台12.5kW的假负载，10列机柜共计120台。机柜间通道在全回风模式下的空调工况如表3所示，机房内空调箱运行参数如表4所示。

表3 全回风模式下机柜间通道的空调工况

表4 全回风模式下空调箱的运行工况

在极寒缺水条件下进行暖通系统调试，需长期维持室内环境温度，消耗大量的燃油和电力。在运行过程中对环境温度、水流量、水温的额外观测记录，需耗费大量的人力。末端所需的假负载、热负载，也是一笔昂贵的费用，再加上在调试过程中面临的风险问题，在极寒条件下调试面临诸多困难。但是如果能够做好成本、风险和成果的平衡，将带来可观的效益。本文通过分析不利条件下暖通系统调试的技术措施，提出以下建议：

（1）极寒条件下数据中心的暖通系统调试应将保暖措施放在首位，利用采暖设备保证环境温度大于5℃，室外区域保证电伴热系统的稳定使用；

（2）极寒缺水条件下数据中心的暖通调试应确保充足的水源，注意系统运行通畅，保证水流量达到标准，避免局部管道堵塞；

（3）极寒条件下数据中心的暖通调试还应在系统末端保证相应的热源，必要时可设置假负载，达到设计要求的运行工况。

在北方一些地区，冬季的持续时间可能有半年之久，工程建设中及时的调试能节约半年的工期，做好极寒条件下的调试工作将提高工程整体效益。此外，本文提出的技术措施对寒冬抢险类项目的调试运行也具有一定的借鉴意义。