方案設計階段數(shù)據(jù)機房空調冷負荷的估算

陳 揚 / 王 肅

(中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，北京 100044)

1 數(shù)據(jù)機房現(xiàn)狀

隨著信息化的高速發(fā)展，全球已經(jīng)邁入了云計算時代，數(shù)據(jù)機房市場發(fā)展勢頭突飛猛進，2012年，中國的數(shù)據(jù)機房市場規(guī)模預計超過120億美元。根據(jù)國家“十二五”新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，中國數(shù)據(jù)機房市場在未來五年都會保持兩位數(shù)的增長率。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)、電信業(yè)、金融業(yè)、總部企業(yè)的信息化提升和擴張需求十分旺盛，大型和超大型的數(shù)據(jù)機房越來越多。隨之而來的是設計周期的縮短以及業(yè)主方對于方案階段配電及空調負荷的準確性把握，這要求空調設計人員在方案階段就要對項目有一個整體的把握，空調設計的出發(fā)點是負荷計算。本文通過對三個大型數(shù)據(jù)機房的冷負荷組成及特點進行分析，總結出在方案階段的負荷估算指標。

2 負荷構成及特點

根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》(GB 50174-2008)規(guī)定，機房空調負荷應包括：機房內設備的散熱、建筑圍護結構的傳熱、通過外窗進入的太陽輻射熱、人體散熱、照明裝置散熱、新風負荷以及伴隨各種散濕過程產(chǎn)生的潛熱。

在方案設計階段，為了更快、更準確地估算出數(shù)據(jù)機房的負荷，可以將上述負荷簡化為圍護結構負荷、照明和一般動力設備及人員熱負荷、IT及電氣安裝機械負荷以及新風負荷四大類。

1)圍護結構負荷、照明和一般動力設備及人員負荷

可按照《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》(GB 50019-2003)要求進行計算。在方案設計階段可以按照面積指標或將整個數(shù)據(jù)機房建筑當作是一個房間來計算。

2)IT及電氣安裝機械負荷

數(shù)據(jù)機房內最主要的發(fā)熱設備為機柜、UPS及變壓器。對于機柜，可將機柜電量當作發(fā)熱量來計算負荷；對于UPS及變壓器，發(fā)熱量由額定負荷乘以其功率因數(shù)及一定的系數(shù)確定，具體計算參見《全國民用建筑工程設計技術措施：暖通空調·動力》(2009年版)。

3)新風負荷

Q新風=GXΔhXCt

式中，Q新風為該系統(tǒng)的新風負荷(kW)，G為設計新風量(kg/s)，Δh為室內設計點焓值與室外焓值之差(kJ/kg干空氣)，Ct為定壓比熱，為1.01kJ/(kg·℃)。

3 結合具體工程案例分析負荷特點

表1中的三個項目均位于北京市，建筑面積均為數(shù)據(jù)機房部分的建筑面積，其中項目一和項目二為數(shù)據(jù)機房樓，全部為數(shù)據(jù)機房使用，項目三為綜合樓，地下二～四層為數(shù)據(jù)機房使用，其余部分為辦公等。項目一和項目二的數(shù)據(jù)機房均為金融類使用，項目三的數(shù)據(jù)機房為科研類使用。

對于表1的數(shù)據(jù)，從面積上看，三個項目的建筑面積均超過10 000m2，屬于大型或超大型數(shù)據(jù)機房，空調系統(tǒng)均為水冷/風冷冷水+末端機房空調方式。

表1 數(shù)據(jù)機房基本負荷指標

對于圍護結構、人員燈光冷負荷指標和新風冷負荷指標這兩個指標來說，三個項目中的數(shù)值大致相當。分析其原因：

1)圍護結構冷負荷指標

為了提高建筑物內部使用效率，數(shù)據(jù)機房建筑一般都比較方正，體形系數(shù)??；為了減少太陽輻射熱對建筑物的影響，會減少不必要的外窗；在數(shù)據(jù)機房選址方面，盡量選擇過渡季及冬季長的地區(qū)(嚴寒、寒冷以及夏熱冬冷的局部)，保證自由冷卻時間，降低全年PUE。

因此，根據(jù)國標公建節(jié)能標準，圍護結構主要為外墻及屋面，選取外墻及屋面的傳熱系數(shù)限制，建筑面積指標大致相同。對比其他數(shù)據(jù)機房工程的圍護結構冷指標，基本與表1中的數(shù)字相似。

2)人員燈光冷負荷指標

數(shù)據(jù)機房正常工作時，機房內是無人值守的，值班人員定時巡檢，機房內不需照明，只在巡檢時，需要開啟照明。所以，人員燈光負荷均可按值班負荷計算。

因此，對于數(shù)據(jù)機房類建筑而言，圍護結構、人員燈光負荷的面積指標相對穩(wěn)定，可以在方案階段未進行負荷計算時估算使用，經(jīng)驗數(shù)據(jù)可以按照25 W/m2～30 W/m2考慮，也可以將整個建筑當作一個房間來進行負荷計算，這樣得到的數(shù)據(jù)會更加準確一些。

3)新風負荷指標

表1中三個項目的新風冷負荷指標也大致相當。數(shù)據(jù)機房引入新風的房間為主機房、電池室及值班室等房間。其中，主機房部分所需新風量占到數(shù)據(jù)機房全部新風量的絕大部分(見表2)。因此，在方案階段，可以只考慮主機房這部分的新風量并相應放大一定的系數(shù)，即可以估算出該數(shù)據(jù)機房的新風量。

表2 數(shù)據(jù)機房新風量

主機房設置新風的目的是為了保持機房內的正壓，是機房工藝需求。一般主機房內的正壓值為5 Pa～10Pa。

在方案設計階段，可以按照30 W/m2的指標估算新風負荷，也可以根據(jù)計算出的主機房的新風量，估算出該數(shù)據(jù)機房的全部新風量，通過焓差計算出一個更加準確的新風負荷。

4)工藝裝機負荷指標

表1所示三個項目的工藝裝機負荷指標均不相同，而且差異較大，這項數(shù)值是不能指標化的，其最主要的原因是由于業(yè)主方的需求不同。由于單機柜容量不同，在相同機房面積的情況下，能提供的總量是不相同的。同時，相關配套的UPS及供電方案根據(jù)不同級別、不同使用功能的機房要求，也會有差異。因此，這部分負荷需要有工藝電氣專業(yè)配合。這部分負荷占設計總負荷的比例非常大，而圍護結構及新風的總負荷不到設計總負荷的10%。在方案設計階段，這部分負荷是需要仔細計算的。

表3 數(shù)據(jù)中心工藝負荷組成

表3為這三個項目中工藝負荷的組成，最主要的部分為主機房安裝負荷和UPS變配電安裝負荷，其余如電池室、電信接入間等房間的工藝負荷所占比例很小，在方案設計階段，可以根據(jù)主機房安裝負荷和UPS變配電安裝負荷之和附加一個系數(shù)。

在方案設計階段，如此估算工藝負荷可以算是相對準確的數(shù)值，在接下來的設計過程當中，在計算負荷時，應按照相關規(guī)范及手冊中的公式計算。同時，在負荷累計的過程中，根據(jù)本項目的配電及機房級別，相應加減備份機房或配電室等房間的負荷。

4 結束語

在方案設計階段，業(yè)主方只能為設計人員提出一個大致的機房需求。在計算空調冷負荷時，需要設計人員根據(jù)對本項目的認識以及對數(shù)據(jù)機房這類項目的經(jīng)驗積累做出適合的估算，從而滿足設計要求。

工藝負荷的總量很大，且每個項目的單機柜容量不同，面積指標不固定的情況，需要花費時間來分項估算。圍護結構、人員燈光冷負荷和新風冷負

荷的總量很小，且面積指標固定的情況，可以直接按照指標估算，或將整個建筑物當作一個房間來計算。蓄冷裝置的冷負荷，可以按照總負荷的5%～10%來考慮。

[1] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部.采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范(GB 50019-2003)[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范(GB 50174-2008)[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[3] 住房和城鄉(xiāng)建設部工程質量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施：暖通空調·動力(2009年版)[M].北京：中國計劃出版社，2009.