數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的分析

中國中元國際工程有限公司 劉 星 徐 偉

0 引言

在信息化時(shí)代，作為核心的數(shù)據(jù)中心，有著舉足輕重的地位。數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)部一旦灰塵過多，可能導(dǎo)致靜電放電問題而損壞元器件，造成不可估量的損失。為了解決這個(gè)問題，需要對(duì)機(jī)房內(nèi)部補(bǔ)充新風(fēng)，維持機(jī)房內(nèi)與機(jī)房外走廊的正壓差，保持空氣的潔凈度，從而控制空氣中的含塵量。

數(shù)據(jù)中心對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度有明確的要求，因此在引入室外新風(fēng)之前需進(jìn)行預(yù)冷、預(yù)熱，從而不增加室內(nèi)精密空調(diào)的冷熱負(fù)荷。本文主要分析數(shù)據(jù)機(jī)房新風(fēng)送入的通道、季節(jié)不同對(duì)新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)要求的影響。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房新風(fēng)量的確定

數(shù)據(jù)中心新風(fēng)主要為了提高數(shù)據(jù)中心室內(nèi)空氣質(zhì)量，保證機(jī)房微正壓，以及保證工作人員正常工作需求(≥40 m3/(人·h))。新風(fēng)量建議取“維持?jǐn)?shù)據(jù)中心所需正壓值”和“≥40 m3/(人·h)”2種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的較大值。維持機(jī)房正壓(主機(jī)房對(duì)走廊或其他房間的正壓≥5 Pa)所需的新風(fēng)量，即要求通過門窗等縫隙的出風(fēng)速度≥2.8 m/s。

由于維持機(jī)房正壓所需新風(fēng)量難以計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及參照潔凈室的設(shè)計(jì)，可按換氣次數(shù)1～2 h-1計(jì)算。若機(jī)房四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密封性較好，可采用換氣次數(shù)≥1 h-1來計(jì)算新風(fēng)量；若密封性較差，可適當(dāng)提高換氣次數(shù)并采取密封措施。最有效且節(jié)能的辦法是對(duì)四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取密封措施，應(yīng)特別注意活動(dòng)地板下和吊頂內(nèi)的密封，所有穿過機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的管線敷設(shè)后均應(yīng)將孔洞封堵嚴(yán)密，防止漏風(fēng)。

數(shù)據(jù)中心新風(fēng)量的選取應(yīng)適宜，新風(fēng)量過小不能滿足機(jī)房溫濕度和潔凈度的要求，新風(fēng)量過大將會(huì)給空調(diào)系統(tǒng)增加較大的負(fù)擔(dān)。

2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)分析

2.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷、熱通道環(huán)境分析

數(shù)據(jù)中心新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的選取，首先應(yīng)明確新風(fēng)送入冷通道還是熱通道，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心內(nèi)冷通道和熱通道的環(huán)境狀態(tài)區(qū)別很大，對(duì)新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的要求也不同。GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)機(jī)房內(nèi)環(huán)境有明確的要求，見表1。

由表1可以看出，規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)中心室內(nèi)的露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度是有明確要求的，同時(shí)數(shù)據(jù)中心內(nèi)絕對(duì)不能發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。如數(shù)據(jù)中心采用冷通道封閉的方式，假設(shè)冷通道內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度取22 ℃，冷空氣經(jīng)過機(jī)柜后升溫至32 ℃，即為熱通道干球溫度，根據(jù)表1要求冷通道露點(diǎn)溫度不高于15 ℃，同時(shí)由于空氣經(jīng)過機(jī)柜升溫的過程為等濕升溫，熱通道理論上露點(diǎn)溫度和冷通道相同。

2.2 夏季新風(fēng)送入冷通道送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)分析

結(jié)合上述分析，冷通道干球溫度22 ℃、相對(duì)濕度60%，查焓濕圖可知，此時(shí)露點(diǎn)溫度為13.7 ℃，接近規(guī)范要求的15 ℃，比焓為47.9 kJ/kg(見表2)。為了保證新風(fēng)送入室內(nèi)不結(jié)露，則需要新風(fēng)送風(fēng)溫度高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度。

表2 露點(diǎn)溫度接近15 ℃時(shí)冷熱通道空氣狀態(tài)參數(shù)

考慮機(jī)房新風(fēng)只承擔(dān)新風(fēng)本身負(fù)荷，新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)等焓線與90%相對(duì)濕度線的交點(diǎn)。查焓濕圖可知，新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)干球溫度為18 ℃、相對(duì)濕度為90%。

對(duì)于機(jī)柜數(shù)量少、封閉冷通道數(shù)量有限，有條件將新風(fēng)直接送入封閉冷通道的項(xiàng)目，封閉起來的冷通道容積相對(duì)較小，雖然新風(fēng)量不大，但如果新風(fēng)送入冷通道溫度較低，也可起到輔助機(jī)房降溫、增加冷通道冷池的作用。因此確定新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)干球溫度為15 ℃、相對(duì)濕度為90%，使新風(fēng)送風(fēng)溫度在滿足室內(nèi)不結(jié)露的前提下盡可能低。以北京夏季為例，經(jīng)計(jì)算，1 000 m3/h新風(fēng)量新風(fēng)負(fù)荷為12.0 kW。對(duì)于封閉熱通道，新風(fēng)送入房間冷池的項(xiàng)目，可適當(dāng)提高新風(fēng)送風(fēng)溫度至18 ℃(相對(duì)濕度為90%)。

建議新風(fēng)送風(fēng)溫度根據(jù)機(jī)房模塊具體情況選擇不低于15 ℃或18 ℃，同時(shí)為保證送入室內(nèi)的新風(fēng)經(jīng)過表冷器后除濕，新風(fēng)送風(fēng)相對(duì)濕度應(yīng)為90%。

2.3 冬季新風(fēng)送入冷通道送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)分析

由上述可知，冷通道設(shè)計(jì)干球溫度通常選取22 ℃，GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定冷通道露點(diǎn)溫度不得低于5.5 ℃，相對(duì)濕度不得高于60%。根據(jù)冷通道干球溫度22 ℃、露點(diǎn)溫度5.5 ℃，查焓濕圖可知此時(shí)相對(duì)濕度為34.2%，比焓為36.6 kJ/kg。對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房而言，室內(nèi)相對(duì)濕度過低，但為了節(jié)約能源，減少新風(fēng)熱負(fù)荷，建議新風(fēng)送風(fēng)溫度不高于10 ℃，相對(duì)濕度為40%。表3給出了露點(diǎn)溫度接近5.5 ℃時(shí)冷熱通道空氣狀態(tài)參數(shù)。由表3可知，此時(shí)熱通道相對(duì)濕度低于30%，應(yīng)開啟加濕功能。如果不開啟加濕功能，熱通道空氣狀態(tài)如表4所示，露點(diǎn)溫度為12.1 ℃，此時(shí)新風(fēng)送風(fēng)溫度需高于12.1 ℃。

表3 露點(diǎn)溫度接近5.5 ℃時(shí)冷熱通道空氣狀態(tài)參數(shù)

表4 熱通道相對(duì)濕度30%時(shí)空氣狀態(tài)參數(shù)

2.4 夏季新風(fēng)送入熱通道送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)分析

夏季熱通道環(huán)境溫度為32 ℃，露點(diǎn)溫度為15 ℃，比焓為58.2 kJ/kg(見表2)，考慮機(jī)房新風(fēng)不承擔(dān)負(fù)荷，新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為室內(nèi)等焓線與相對(duì)濕度90%線的交點(diǎn)。查焓濕圖可知，新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為干球溫度21.2 ℃、相對(duì)濕度90%。

相對(duì)于封閉的冷通道而言，開放的熱通道容積較大，而機(jī)房維持微正壓的新風(fēng)量較小，利用低溫新風(fēng)和熱通道大量回風(fēng)混合無法起到明顯的冷卻降溫效果。因此，夏季應(yīng)最大限度提高新風(fēng)送入熱通道的溫度以降低新風(fēng)冷負(fù)荷，從而降低數(shù)據(jù)中心電能使用效率PUE。

以北京為例，夏季室外空氣干球溫度33.5 ℃、濕球溫度26.4 ℃，相對(duì)于熱通道設(shè)計(jì)溫度還需要對(duì)室外空氣進(jìn)行減焓減濕處理才能送入熱通道內(nèi)。根據(jù)濕空氣焓濕圖可知，只有在熱濕比ε=-∞與ε=0之間的空氣狀態(tài)變化是減焓減濕過程[1-2]。針對(duì)北京地區(qū)夏季室外空氣狀態(tài)而言，對(duì)應(yīng)區(qū)域見圖1，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)見表5。

圖1 濕空氣焓濕圖

表5 圖1中各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

室外新風(fēng)通過表冷器進(jìn)行減焓減濕處理過程中，先進(jìn)行等濕冷卻后再進(jìn)行減濕冷卻，通常送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)相對(duì)濕度達(dá)到機(jī)器露點(diǎn)(即相對(duì)濕度90%)。但在夏季新風(fēng)處理過程中，由于室外新風(fēng)露點(diǎn)溫度為23.9 ℃，表冷器中冷水溫度普遍低于此溫度，因此新風(fēng)通過表冷器必然經(jīng)過減濕減焓的空氣處理過程。由此可知，此時(shí)室外新風(fēng)極限送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為圖1中的等濕點(diǎn)，即干球溫度25.8 ℃、相對(duì)濕度90%。

綜上所述，建議夏季新風(fēng)送入熱通道的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)溫度不高于干球溫度25.8 ℃，相對(duì)濕度為90%。

2.5 冬季新風(fēng)送入熱通道送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)分析

冬季降低新風(fēng)熱負(fù)荷的關(guān)鍵因素是降低新風(fēng)送風(fēng)溫度，具體分析如2.3節(jié)所述?？砂词欠裨跈C(jī)房內(nèi)采取加濕措施來確定新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)。

3 結(jié)語

基于北京市室外空氣狀態(tài)點(diǎn)及濕空氣焓濕圖，分析了夏季及冬季新風(fēng)分別送入冷通道和熱通道的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。不同地區(qū)數(shù)據(jù)中心機(jī)房新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的確定應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在地的室外空氣參數(shù)進(jìn)行具體分析。為保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)新風(fēng)需求和避免不必要的浪費(fèi)，建議采用新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)及新風(fēng)量設(shè)計(jì)和智能控制相結(jié)合的方式來達(dá)到較好效果。

大型數(shù)據(jù)中心如果設(shè)置的模塊數(shù)量較多，機(jī)房新風(fēng)的設(shè)置應(yīng)盡量分散，最好以模塊為單位設(shè)置新風(fēng)機(jī)組，不建議1臺(tái)新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)過多機(jī)房模塊負(fù)荷。實(shí)踐證明，在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行時(shí)，對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制是降低PUE的一個(gè)重要手段。因此，每個(gè)新風(fēng)系統(tǒng)所承擔(dān)的機(jī)房模塊數(shù)量越少，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)越容易單獨(dú)調(diào)節(jié)。