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数据中心水冷空调管路系统工艺设计难点及解决策略

水冷系统中庞大且错综复杂的管路系统，是数据中心机电工程中施工最为复杂、难度较大、周期最长的工序。从工程实践的角度出发，在满足工程可实施性、施工规范性及便于操作维护等要求下，专门针对水冷管路系统的工艺设计难点研究了解决策略，总结了管路系统设计的管径速查表、水平干管各部分组成占用水平空间高度速查表以及垂直空间高度要求速查表，同时列举了工程实践中需要注意的诸多细节问题与经验。
    随着我国“东数西算”工程正式全面启动，算力时代悄然而至，促使，数据中心基建迎来了新的发展浪潮。水冷空调系统因其利用自然冷源范围广、新型末端形式多样、能耗低等特点，在全国数据中心中应用广泛。然而，水冷系统的庞大且错综复杂的管路系统，成为数据中心机电工程中施工最为复杂、难度较大、周期最长的工序。机电工程往往分为大、小机电。空调系统的大机电包含冷源系统及走廊主干管管路系统等，小机电包含每个机房内的管路系统及空调末端系统等。两者之间的分工界面在于大机电至走廊内水平主干管在每个机房外预留好的支管，小机电由此支管起接立管或水冷冷凝器等末端所需的管路后分别进入机房[1]。

数据中心水冷空调管路系统工艺设计难点及解决策略

1 管路系统总体工艺要求

    水系统管路设计及现场照片如图1所示。管路系统总体工艺要求如下文所述。
    （1）冷冻水管（双供双回）末端采用直通管或环管。供水管路上安装截止阀、温度计、压力表及过滤器，末端位置设置排气阀等；回水管路上安装截止阀、温度计、压力表及平衡阀，末端位置设置排气阀等；如需增加一重安全保障，相邻两组（双供双回）水管可做旁通管路。
    （2）冷冻水供回水管敷设于架空地板下，需要做好相关防水、挡水、漏水告警、排水设计及施工管理，避免水管或链接软管漏水损坏设备机架。设置专用泄水槽及挡水围堰，泄水槽内管道及支架不应阻挡排水。机房地面做防水前预埋膨胀螺栓，供后期管道支架安装。膨胀螺栓与楼板缝隙间填充防水材料，做好地面防水及坡度，确保及时通畅排水。
    （3）冷冻水供、回水管敷设坡度不小于0.003，水系统中的最低点处应配置如DN25的泄水管，并配置相同管径的全铜截止阀；在最高点处，应配置如DN20的全铜自动排气阀。排气阀前同样安装截止阀。
    （4）冷凝水管敷设坡度不小于0.003，空调冷凝水最终排至本机房内就近地漏。冷凝水管干管始端设置扫除口。另外，空调冷凝水管必须做充水实验，无渗漏为合格。
数据中心水冷空调管路系统工艺设计难点及解决策略

图1 空调水系统管路设计及现场照片

    管道的支、吊、托架，应置于保温层的外部，在穿过支、吊、托架处应镶以垫木。多根管道共用支吊架或管径大于300mm的单根管道吊架，宜采用门型抗震支吊架。管道抗震支吊架不应限制管线热胀冷缩产生的位移，空调管道管径大于或等于DN65的水平管道。当其采用吊架、支架或托架固定时，应设置抗震支承。管路敷设安装剖面示意如图2 所示。

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2 管路系统管径设计要求

    数据中心单个机房内以每个冷通道为单位，每个冷通道内根据主用空调冷量、供回水温差如5~6 ℃、比摩阻100~300Pa/m计算管径。通常，电源机房冷冻水房间级空调单台100~140kW空调供回水管管径DN80；主设备机房冷冻水列间空调同一冷通道共用双供双回管路管径选择DN100或DN125；传输机房同侧多台冷冻水房间级空调共用双供双回水管管径选择DN125或DN150及以上。冷冻水管路系统常用到4种管径可参考查询表1[2]。

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3 管路系统空间布局要求
  3.1 水平布局

    （1）机房内管路布局应建设防水围堰，要求如下。范围要求：防水围堰应布置在冷凝水排水管、冷冻水供回水管、进水管、恒湿机及空调设备等涉水区域[3]。

    边界要求：以“几”字形沿行级空调底座外边沿、机柜底座内边沿布设，将行级空调、冷冻水管及其他水管全部布局在防水围堰湿区范围内，要求围堰围绕整个行级空调外延，以便确保冷冻水管路无论前、后接管都能被包在围堰内。要求围堰在机柜底座内边沿，以便确保冷通道内冷冻水干管管路敷设空间最大化，便于施工及维护。

    （2）在1200mm宽的冷通道地板下排布4根冷冻水管（双供双回）时，涉及冷凝水排水管是否在冷通道内敷设。当冷冻水管双供双回管径为DN100 时，冷通道剩余空间可敷设DN50冷凝水排水管；当冷冻水管双供双回管径为DN125及以上时，则冷通道内没有空间敷设冷凝水排水管，需要在相邻热通道内敷设。主设备机房管路路由图及现场照片如图3 所示。

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图3 主设备机房管路路由图及现场照片

    （3）冷冻水管出管位置水平空间受到机房走线井和消防井限制，采用双供双回水管带多列空调，减少水管数量增大管径，可满足出管减少占用空间，同时经测算也满足空调水量。

    （4）靠近门口的冷通道由于受斜坡和踏步下方空间限制，此冷通道地板下敷设2 根冷冻水管（一供一回），另外2 根冷冻水管需要在相邻热通道地板下方敷设。冷冻水管路系统常用4种管径的水平占用空间尺寸可参考查询表2。

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  3.2 垂直布局
    （1）电源机房空调间内为美观整洁，可铺设架空地板。管路敷设于地板下，要求防静电架空地板下沿的净高至少500mm。电源机房内冷冻水干管及支管常用管径DN80、DN100。组件包含水管支架、温度计、压力表、过滤器、阀门阀柄、空调末端支管等，总体高度约为500mm。地板上采用冷冻水房间级空调上送风下回风方式，空调设备高约2000mm，要求空调间与电力设备间隔墙的高度与空调机组出风口下沿同高，上部加装送风帽或送风管。另外，空调回风需在空调间隔墙下半区域开洞，回风口洞下沿与空调间地板上沿同高，并在洞口设置回风口单层百叶及过滤装置[4]。电源机房管路系统示意图及现场照片如图4 所示。
数据中心水冷空调管路系统工艺设计难点及解决策略

图4 电源机房管路系统示意图及现场照片

    （2）网络机房（同IT、IDC等服务器机房）要求防静电架空地板下沿距地面净高至少650mm，采用冷冻水列间空调水平送回风形式时，在冷通道地板下空间敷设冷冻水管常用管径DN125或管径DN100。主设备机房管路高度要求及现场照片如图5 所示。
数据中心水冷空调管路系统工艺设计难点及解决策略
图5 主设备机房管路高度要求及现场照片

    （3）传输机房对防静电架空地板高度要求较高，因通常采用下送风房间级空调，地板下作为送风静压箱同时兼顾敷设冷冻水管路，要求地板下沿净高至少750mm。地板下空间敷设冷冻水管常用管径DN150。

    上述3 种代表性的不同功能的机房，根据管路承载总冷量选用不同管径时，敷设管路、水管支架、温度计、压力表、过滤器、阀门阀柄、空调末端支管等的垂直空间总体高度可参考查询表3。

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4 工程实践中需要注意的问题

    （1）因在机房内地板下空间有限，网络机房的供水管过滤器不便于操作维护，研究后提出了优化方案，可将每根供水管过滤器由机房内地板下移位到走廊侧立管上，将过滤器前后的压力表同步调整到走廊侧立管上，原过滤器配套的温度表依旧保留在机房内地板下，同时在地板下增加1个压力表。
    （2）机房走廊侧踢脚线高度100mm，立管进机房是水平干管距地面高度至少100mm。可将管道支架高度设置为150mm，使出管位置避开踢脚线。
    （3）管路系统受多个界面的高度影响，且各界面间存在一定的制约性，如地板架高高度、标准机柜高度、3层走线架每层厚度及层间间距，还受机房层高、消防喷头距地面净空间影响，也会受经常被忽略的机房地面防水层等处理后的增高厚度影响。其他高度要求尽可能克服困难，必要时降低要求，以满足管路系统及附属设施的施工及维护的总高度空间要求。
    （4）电源机房空调间内要求架空地板下敷设冷冻水管路，架空高度要便于管路阀门等操作维护，且上送风气流路径要避免被走线架等阻挡。上送风冷冻水空调含底座、设备本体及风帽后，风帽上沿距地面约2950mm，这就要求隔墙前上方电缆走线架标高要高于2950mm，可避免阻挡送风。

    （5）当遇到走廊侧进机房前的下立管位置与消防栓、柱体等冲突时，解决方案有两种：如果是电源机房，因有单独的空调间防水，可将立管移至空调间内下管；如果是网络机房，机房内侧不允许有立管，则需要在走廊侧水平干管出管的高度先拐至不冲突的位置，再下立管，确保美观。

5 结 论

    数据中心水冷系统需根据不同管径规划合适的敷设空间及高度，并对各专业提出地板架空高度等各细节要求。为避免增加多余的管路弯头，尽可能降低局部阻力，务必考虑大、小机电预留接管的对接位置，机房内至走廊出管位置，以及与消防箱、上线井、消防井避免冲突等。电力机房空调间内要做到管路、阀门美观并便于维护，空调设备送回风避免短路，回风过滤网便于拆换。大型数据中心水冷系统庞大，管路系统错综复杂，且使用年限较设备更新换代周期长，因此测算空调系统冷冻水管径务必要考虑设备功率密度的长远规划。
作者：牛琳，王志广，王世通

参考文献：

[1] 中国电子工程设计院. 数据中心设计规范：GB50174—2017[S]. 北京：中国计划出版社，2017.

[2] 华中建筑集团股份有限公司. 建筑给水排水设计标准：GB 50015—2019[S]. 北京：中国计划出版社，2019.

[3] 中冶建筑研究总院有限公司. 钢结构焊接规范：GB50661—2011[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] 中国建筑标准设计研究院. 建筑室内防水工程技术规程[M]. 北京：中国计划出版社，2006.

 

来源：数据中心基础设施运营管理

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