數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計(jì)若干思考

荀冬明

摘要：近年來(lái)，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中越來(lái)越依賴信息，這使得數(shù)字信息技術(shù)的飛速發(fā)展和需求不斷擴(kuò)大。數(shù)據(jù)中心建設(shè)如火如荼，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)院和暖通工程師加入到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中來(lái)。然而，數(shù)據(jù)中心的機(jī)電系統(tǒng)與公共建筑的機(jī)電系統(tǒng)大不相同。數(shù)據(jù)中心的過(guò)程要求和應(yīng)用特點(diǎn)決定了機(jī)電系統(tǒng)的差異。對(duì)于沒(méi)有數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，照搬公共建筑機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是行不通的，會(huì)給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)重大的安全隱患。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;暖通設(shè)計(jì);策略

1數(shù)據(jù)中心相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在項(xiàng)目初期，如何確定數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜數(shù)量、建筑面積等困擾著設(shè)計(jì)師，因?yàn)檫@些都受限于數(shù)據(jù)中心工藝規(guī)劃及機(jī)電系統(tǒng)方案的確定。合理的機(jī)電用房使用面積經(jīng)驗(yàn)顯得尤為重要。針對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)中心樓（可能包含總控中心在內(nèi)），筆者對(duì)參與設(shè)計(jì)的金融業(yè)數(shù)據(jù)中心工程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

確定數(shù)據(jù)中心建筑面積需要掌握幾個(gè)基本數(shù)據(jù)：建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（等級(jí)）、IT設(shè)備功率密度、架空地板面積或機(jī)柜數(shù)量。1）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。不同等級(jí)的數(shù)據(jù)中心，相同機(jī)柜數(shù)量的建筑面積需求差異很大。不同等級(jí)的數(shù)據(jù)中心在機(jī)電系統(tǒng)架構(gòu)方面的基本要求不同，以分級(jí)更細(xì)的UptimeInstitute《Datacentersiteinfrastructuretierstandard：topology》標(biāo)準(zhǔn)為例，其TierⅣ標(biāo)準(zhǔn)與TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)在基礎(chǔ)設(shè)架構(gòu)上的典型例子分別為設(shè)備方面2N（N為基本需求）或N+X （N+X為系統(tǒng)滿足基本需求外，增加了X個(gè)組件、X個(gè)單元、X個(gè)模塊或X個(gè)路徑。任何X個(gè)組件、單元、模塊或路徑的故障或維護(hù)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷（X=1～N）），管網(wǎng)方面2個(gè)獨(dú)立單路系統(tǒng)或環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。在機(jī)柜數(shù)量及功率密度相同的條件下，與TierⅢ級(jí)系統(tǒng)相比，TierⅣ級(jí)系統(tǒng)將占用更多的建筑面積。2）IT設(shè)備功率密度。設(shè)備功率密度由數(shù)據(jù)中心機(jī)房工藝專業(yè)決定，2～80kW/機(jī)柜均有可能出現(xiàn)。常規(guī)設(shè)計(jì)中單機(jī)柜功率為2.5～20kW左右。上述案例中均為低密度機(jī)柜（案例中最高功率密度為6kW/機(jī)柜）。3）架空地板面積或機(jī)柜數(shù)量。工程案例中所描述的機(jī)柜指標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜（600mm×1200mm，42U），一些特殊設(shè)備，如小型機(jī)、超算系統(tǒng)設(shè)備本文不討論。表1～3中設(shè)計(jì)案例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)如下：①單機(jī)柜功率密度均值為3.71kW/機(jī)柜;②單機(jī)柜建筑面積均值為11.38m2/機(jī)柜;③單機(jī)柜架空地板面積均值為3.26m2/機(jī)柜;④建筑面積與架空地板面積比值均值為3.5。

2新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題

數(shù)據(jù)中心大樓是為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其他支持設(shè)備提供工作空間的建筑物。它的服務(wù)對(duì)象是服務(wù)器和計(jì)算機(jī)。建筑新風(fēng)系統(tǒng)的功能不同于一般辦公建筑或人員活動(dòng)較多的公共建筑。新風(fēng)供應(yīng)的主要目的是稀釋室內(nèi)環(huán)境污染物，防止外部灰塵進(jìn)入主機(jī)室，保持機(jī)器運(yùn)行環(huán)境的清潔度要求。用新鮮空氣保持室內(nèi)正壓是實(shí)現(xiàn)清潔控制的最簡(jiǎn)單方法。施工圖設(shè)計(jì)中的新風(fēng)量應(yīng)符合GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》第4條和第7.4條的規(guī)定，在第5條中確定，但本規(guī)范未給出正壓值和新風(fēng)量的計(jì)算過(guò)程。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常采用換氣次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇在0.7～1.5h-1之間。當(dāng)機(jī)房面積較大時(shí)，取上限值。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，新風(fēng)經(jīng)過(guò)冷處理和熱處理，僅承受新風(fēng)負(fù)荷，而不承受室內(nèi)負(fù)荷。新鮮空氣從室外狀態(tài)直接處理到等焓線與室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)90%～95%相對(duì)濕度線的交點(diǎn)，然后沿等焓線或等溫線處理到室內(nèi)參數(shù)點(diǎn)。

由于數(shù)據(jù)室內(nèi)沒(méi)有濕負(fù)荷，數(shù)據(jù)室內(nèi)的精密空調(diào)僅承受顯熱負(fù)荷，并在干燥條件下運(yùn)行。在數(shù)據(jù)室新風(fēng)處理過(guò)程中，如果夏季采用常規(guī)空調(diào)，新風(fēng)處理到室內(nèi)等焓點(diǎn)，可能導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)點(diǎn)的偏差。因此，新風(fēng)送至數(shù)據(jù)室前需先除濕至室內(nèi)露點(diǎn)溫度，再送至數(shù)據(jù)室空調(diào)室與回風(fēng)混合，經(jīng)機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組冷卻處理后送至it機(jī)柜區(qū)。

在冬季，由于數(shù)據(jù)室仍然寒冷，如果使用常規(guī)系統(tǒng)將新鮮空氣加熱到室內(nèi)等焓點(diǎn)，然后對(duì)其進(jìn)行加濕，則可能需要將新鮮空氣加熱到30或40℃甚至更高。但是，數(shù)據(jù)室的IT模塊通常配備有加濕裝置，新鮮空氣不需要在新鮮空氣裝置處加濕，只要確保送至室內(nèi)后沒(méi)有冷凝，因此，新鮮空氣可沿等含水量線在數(shù)據(jù)中心機(jī)房露點(diǎn)溫度附近進(jìn)行處理，然后送至數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)室的回風(fēng)。部分回風(fēng)由加濕器加濕，部分回風(fēng)由機(jī)房精密單元冷卻，兩部分混合送至室內(nèi)。

數(shù)據(jù)室新風(fēng)系統(tǒng)的冬季熱源溫度不需要太高，因?yàn)橹恍鑼⑹彝庑嘛L(fēng)沿等含水量線加熱至接近數(shù)據(jù)中心室露點(diǎn)溫度（約15℃）。因此，水溫在40℃以上，一般能滿足冬季新風(fēng)采暖的需要。

3提高自然冷源利用效率

3.1提高冷卻塔冷選型

冷卻塔選型適度放大，按照冬季選型，夏季校核，逼近度由原設(shè)計(jì)方案的5.5℃改為3.5℃，即在保證冷卻水供水溫度不變時(shí)，濕球溫度由8℃提升至10℃，全年自然冷源利用時(shí)間可提升385h。

3.2自然冷源切換

結(jié)合運(yùn)行實(shí)際情況優(yōu)化暖通系統(tǒng)控制邏輯，合理使用預(yù)冷模式和全冷卻塔冷卻模式。冷機(jī)制冷模式：當(dāng)室外濕球溫度t>22℃（可調(diào)）時(shí)，冷機(jī)工作，自然冷源不工作;預(yù)冷模式：當(dāng)室外濕球溫度15℃<t≤22℃（可調(diào)）時(shí)，機(jī)械冷源與自然冷源聯(lián)合運(yùn)行;完全自然冷卻模式：當(dāng)室外濕球溫度t≤15℃（可調(diào)）時(shí)，冷機(jī)不工作，自然冷源工作。

以呼和浩特某數(shù)據(jù)中心為例，調(diào)整前當(dāng)室外濕球溫度低于5℃時(shí)啟用2臺(tái)板式換熱器（單臺(tái)制冷量4500kW）制冷，調(diào)整后當(dāng)室外濕球溫度低于7℃時(shí)啟用3臺(tái)板式換熱器（單臺(tái)制冷量4500kW）可滿足制冷需求。即在現(xiàn)有熱負(fù)荷工況下可提前或延后自然冷源使用時(shí)間（由原來(lái)的11月～次年3月變更為10月～次年4月），在10～11月和3～4月采用水冷機(jī)組與板式換熱器相結(jié)合的方式降低制冷耗能。

結(jié)論

數(shù)據(jù)中心的發(fā)展突飛猛進(jìn)。在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，設(shè)計(jì)者需要認(rèn)真對(duì)待，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)出合理節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。

參考文獻(xiàn)：

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