数据中心机柜水冷系统中一次泵和二次泵哪个更好？

前言：

随着设计水平及机械加工水平的进步，使得数据中心机柜空调系统的能耗结构发生了较大的变化，主要能耗点在于冷水机组和配套的水泵系统的运行，其中，水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20-30%，故节约低负载时水系统的输送能量，意义重大，水泵的能耗比例已经成为一个比较重要的部分，下面看看数据中心机柜水冷系统中一次泵和二次泵孰优孰劣？

什么是一次泵系统二次泵系统？

在冷源侧和负荷侧合用一组循环泵的称为一次泵或称单式泵)系统，在冷源侧和负荷侧分别配置循环泵的称为二次泵(或称复式泵)系统。

1、一次泵系统

冷水机组与循环水泵一一对应布置，并将冷水机组设在循环泵的压出口，使得冷水机组和水泵的工作较为稳定，只要建筑高度不太高(100m)，系统静压大，则将循环泵设在冷水机组蒸发器出口，以降低蒸发器的工作压力。

当空调负荷减小到相当的程度，通过旁通管路的水量基本达到一台循环泵的流量时，就可停止一台冷水机组的工作，从而达到节能的目的。旁通管上电动两通阀的最大设计水流量应是一台循环泵的流量，旁通管的管径按一台冷水机组的冷水量确定。

一次泵变流量系统的控制方法 压差旁通控制法 恒定用户处两通阀前后压差的旁通控制法设置负荷侧调节阀是为了缓解在系统增加或减少水泵运行时，在末端处产生的水力失调和水泵启停的振荡。

一次泵变流量系统的特点是简单、自控装置少、初投资较低、管理方便，因而目前广泛应用。但是它不能调节泵的流量，难以节省系统输送能耗。特别是当各供水分区彼此间的压力损失相差较为悬殊时，这种系统就无法适应。因此，对于系统较小或各环路负荷特性或压力损失相差不大的中小型工程，宜采用一次泵系统。

2、二次泵系统

该系统用旁通管AB将冷水系统划分为冷水制备和冷水输送两个部分，形成一次环路和二次环路，一次环路由冷水机组、一次泵，供回水管路和旁通管组成，负责冷水制备，按定流量运行，二次环路由二次泵、空调末端设备、供回水管路和旁通管组成，负责冷水输送，按变流量运行。设置旁通管的作用是使一次环路保持定流量运行。旁通管上应设流量开关和流量计，前者用来检查水流方向和控制冷水机组、一次泵的启停;后者用来检测管内的流量。旁通管将一次环路与二次环路两者连接在一起。

二次泵变流量系统的控制方法 二次泵采用压差控制、一次泵采用流量盈亏控制 二次泵采用流量控制、一次泵采用负荷控制。

数据中心机柜水冷系统一次泵和二次泵的原理

1、数据中心一次泵定流量系统

一次泵定流量系统的原理如下图所示，这种系统简单、投资低，适用于中小型工程。

空调系统冷冻水流量固定不变，当系统的实际负载低于设计负载时，冷冻水供回水温差将小于设计温差。系统在低温差、大流量的情况下工作，不仅会降低末端空调换热效率，也会增加管路系统的能量损失。

水冷数据中心一次泵变流量系统：

随着制冷技术的发展，现在的制冷机组都允许冷水量有较大的变化，因此，变流量冷水机组的使用得到推广，一次泵变流量系统即是采用可变流量的冷水机组、末端设备、变频水泵等组成的空调系统。

一次泵变流量系统的旁通管路及平衡阀：

对于一次泵变流量系统，当末端设备的冷冻水流量随负荷改变时，其两端的压差也在随之改变，一次水泵的变频器根据最不利的压差信号，改变水泵的转速，从而改变系统的水流量以满足末端设备的要求。因此，一次变频泵能随着负荷的减少而降低转速，从而减少系统的供水量。已知在管路系统固定不变的前提下，变频水泵的效率特性和水系统的阻力特性接近，理论上水泵的能耗与流量成三次方的关系，故变流量系统节能降耗潜力明显。

在数据中心采用的一次泵变流量系统中，当冷机因故障停机时， UPS带动一次变频泵向机房供冷，但需克服冷水机组阻力，因此对应的UPS的容量要求也较二次泵系统大。

2、数据中心机柜二次泵变流量系统

二次泵变流量系统是在冷水机组蒸发侧流量恒定前提下，把传统的一次泵分解为两级，形成一次环路和二次环路，其特点是减少了冷水制备与冷水输送之间的相互干涉。

一次泵定流量、二次泵变流量系统简图：

如图所示，一次环路由冷水机组、一次定频泵，供回水管路和旁通管路组成，主要负责冷水制备，并按定流量运行。一次定频泵主要用来克服冷水机组蒸发器和一次环路的流动阻力，即自蒸发器出口到旁通管路再到蒸发器入口的阻力。

二次环路由二次变频泵、空调末端设备、供回水管路和旁通管组成，负责冷水输送，按变流量运行，二次泵用来克服从旁通管路的蒸发器侧到末端设备再到用户侧的水环路阻力，可以根据该环路负荷变化进行独立控制、变频调节。

二次变频泵的流量与扬程可以根据各个环路的负荷特性分别配置，如对于阻力较小的环路，就可以降低二次变频泵的设置扬程。因此，二次泵变流量系统比较适合系统大、各环路空调负荷特性相差较大或阻力相差悬殊的情况（如高层建筑和远距离输送系统）。

在数据中心的空调系统中，二次变频泵不经过冷水机组直接与UPS和蓄冷罐连接，从而减少了冷量输送管路系统的阻力，加上本身的功率较小，因此对应的UPS容量要求比一次泵变流量系统小很多，当冷机因停电或故障不能启动时，UPS带动二次变频泵将蓄冷罐的冷量送到各个空调末端，保障了冷机停机期间冷量的供应。

数据中心水冷系统一次泵VS二次泵一览表：

一次泵VS二次泵技术比较

相对于这两种方式，一次泵变流量系统的优势如下表

一次泵变流量系统中选择可变流量运行的冷水机组，当机组运行时，蒸发器的供回水温差基本恒定，蒸发侧流量随负荷侧流量的变化而改变，从而达到“按需供应”，并使得降低水泵在部分负荷时的供水量成为可能，最终降低系统运行能耗。末端冷量由冷冻水量调配，冷水机组生产的冷量由流经蒸发器的水流量和相对固定的温差决定。其系统形式类似于一次泵定流量系统，增加了一套自控系统，同时定流量水泵变为变流量水泵，按照一定的控制逻辑运行，如下图所示：

一次泵变流量系统的首要问题是掌握冷水机组及其系统控制的特性，这其中有两个比较重要的概念。

末端两通阀

与二次泵变流量系统相同，一次泵变流量系统的末端采用模拟量或开关量的两通阀控制，房间温度传感器控制两通阀的开度。当房间的负荷增加时，室内温度高于房间的设定温度，两通阀开大，供回水间压差随之减小；反之，当房间的负荷减少时，室内温度低于房间的设定温度，两通阀关小，供回水间压差随之增大。利用压差传感器控制水泵的流量，保证末端的所需的水量（冷量），同时维持末端的压差设定值。在二次泵系统中，该压差控制的是冷冻水分配侧的冷冻水泵变频器，而在一次泵变流量系统中，压差信号直接控制系统中仅有的一组变流量水泵，与变流量水泵相对应的是可变流量的冷水机组。

可变流量的冷水机组

常规冷水机组蒸发器水流量变化必然引起冷水机组的出水温度波动，导致冷水机组运行不稳定，甚至会使蒸发器结冰。特灵公司经过数十年的研究开发与实践检验，不断革新的CentraVac三级离心式冷水机组，配以UC800控制器结合系统控制技术，已经能够很好地解决这一问题，真正实现变流量运行。

正如上段所言，要保证一次泵变流量系统成功实现，除却系统设计及控制系统的合理设计之外对机组有着较为严格的要求

机组允许的流量变化率

当冷水机组运行接近满载而负荷侧的冷量需求还在增加时（通常达到95%的满载电流），系统应再投入一台冷水机组来满足冷量的需求。在一次泵变流量系统中水泵的流量只受末端供回水管的压差控制，其冷冻水泵和冷水机组之间没有连锁控制，因此，新投入的冷水机组的水量是从原来已运行的冷水机组分流出来的，此时没有水泵跟进投入。假设原来有一台机组在运行，且新投入的冷水机组容量和已在运行的冷水机组容量相等，将有一半的水量会被分流到新投入的冷水机组上。如果这是机组的可承受流量变化率较小，则整个系统的流量及水温重新达到稳定的时间很长，对于能耗及舒适性都几位不利，因此推荐的流量变化率为30%/min-50%/min。

机组允许的流量变化范围

机组允许的最低流量和最高流量之间是该机组允许的流量变化范围。允许的最低流量越小，系统节能的潜力越大；除单一机组的一次泵变流系统外，多机并联系统推荐的冷水机组最低流量在额定流量的50％以下，即满足：额定流量／最低流量>２。这样设计的主要原因是为了避免在两台或以上的机组运行时旁通阀动作，如果最低流量大于额定流量的50%时，会给自控的逻辑设计增加难度。

因此冷水机组的流量变化范围和每分钟允许流量变化率两者是衡量冷水机组性能的指标。机组的流量变化范围越大，冷水机组节能效果越明显。机组的每分钟允许流量变化率越大，变流量时出水温度波动越小。