超大型數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)設計實踐

沈錚

北京市市政工程設計研究有限公司

0 引言

隨著整個社會信息化進程的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)信息已經(jīng)成為許多行業(yè)正常工作的重要組成部分。數(shù)據(jù)的處理、儲存、傳遞都需要高性能的計算機數(shù)據(jù)處理以及與之相配套的數(shù)據(jù)機房。各類建筑，如政府機關、銀行、網(wǎng)絡公司、科研機構等，其數(shù)據(jù)中心的建設量日益加大，不論是規(guī)模還是數(shù)量上，都呈快速增長態(tài)勢。

數(shù)據(jù)中心按規(guī)模分類，目前還沒有統(tǒng)一的界定方法。我國《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》（GB50174-2008）[1]中無按面積分類的提法，目前該規(guī)范已有新版[2]，在新版中也無規(guī)定。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴大，當今的大中型數(shù)據(jù)中心已不斷出現(xiàn)。

一般而言，建筑面積小于200 m2稱為小型數(shù)據(jù)中心；建筑面積在200～500 m2之間為中型數(shù)據(jù)中心。建筑面積在500～2000 m2之間為中、大型數(shù)據(jù)中心。建筑面積在2000～10000 m2為大型數(shù)據(jù)中心。建筑面積大于10000 m2則稱為超大數(shù)據(jù)中心。

從近幾年的發(fā)展情況上看，新建數(shù)據(jù)中心在數(shù)量上主要在500 m2以下的中、小型數(shù)據(jù)中心，約占90%。但從規(guī)模上看，各個規(guī)模的面積比例呈均衡發(fā)展的狀態(tài)，其中2000 m2以上的大型、超大型的新建面積將近40%?？梢钥闯觯笮?、超大型數(shù)據(jù)中心的建設，盡管在數(shù)量上較少，但在規(guī)模上占有重要的比例，從發(fā)展趨勢上看，這一比例還會繼續(xù)擴大。

大量數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)的建筑空調行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心耗電量大、發(fā)熱密度高，特別是隨著規(guī)模的擴大，這一特點尤為突出。因而，對于大型、超大型數(shù)據(jù)中心的空調設計，絕不能簡單等同于多個小型數(shù)據(jù)中心的疊加。

數(shù)據(jù)中心的熱濕負荷特性以及空調設計都具有明顯的特點[3]。由于機房中設備裝機功率大，機柜的散熱量大且集中，但機房內部的散濕量極小。因此數(shù)據(jù)中心的散熱中顯熱占絕大多數(shù)，而散濕小，熱濕比近似無窮大，空調的處理過程可近似為等濕降溫過程。送風焓差小，風量大。因此在空調工程的設計上有較大難度。為了提高送風效率，大部分數(shù)據(jù)機房都選擇下部地板送風方式對發(fā)熱設備進行冷卻。在實際工程中，大型和大中型以下的數(shù)據(jù)中心的應用案例較多，在文獻中也均有介紹[4-7]。而超大型數(shù)據(jù)中心的設計案例則介紹較少。

相比于一般規(guī)模的數(shù)據(jù)機房而言，超大型機房的空調設計難度更大。由于熱源集中，且占地面積更大，因此在布置送風管道及氣流組織方面更加困難，同時也要求更高。建筑主要功能空間大多是數(shù)據(jù)機房，其他部位屬配套功能，熱量需求小，因此機房排出的余熱不易在同建筑中利用，只能排出室外，但又由于路由問題，排出不易組織好。超大型機房的重要級別往往都屬A 類，若系統(tǒng)出現(xiàn)問題將造成重大經(jīng)濟損失或造成公共場所秩序的嚴重混亂，對運行保障性要求極高，因此在設計中如何平衡節(jié)能，新技術應用與保留冗余、保障安全則是一個重要的問題。

1 工程概況

本工程位于北京市城區(qū)，為一國有大型商業(yè)銀行的擴建項目。現(xiàn)有用地內已建有該銀行辦公樓（14 層）及入口大堂（1 層），其總建筑高度72 m，總建筑面積47500 m2。此次擴建的新增總建筑面積47175 m2，包括主樓及裙房，其中主樓為一類高層建筑，在現(xiàn)狀大堂西側相鄰貼建，地上16 層，地下共4 層，建筑高度80 m，為數(shù)據(jù)機房及操作控制用房。裙房位于現(xiàn)狀辦公樓南側，地上5 層，地下二層，建筑高度23.4 m，為配套生活服務用房。

該工程的主要功能房間為數(shù)據(jù)機房，機房實際面積超過20000 m2，標準層建筑平面圖如圖1 所示。因此，空調工程的設計成為了該工程設計中的重點。本文將對該工程的空調系統(tǒng)設計中的關鍵技術環(huán)節(jié)進行闡述。

圖1 標準層平面圖

2 空調負荷分析

2.1 室內設計參數(shù)

對于超大型數(shù)據(jù)中心建筑而言，建筑的主要功能房間是數(shù)據(jù)機房。但除了主要功能的數(shù)據(jù)機房以外，還需要有大量其他功能的房間，如：辦公、餐飲、車庫等，以滿足數(shù)據(jù)中心正常運行維護所需。本建筑中，將主要空調房間分為兩類：數(shù)據(jù)機房屬工藝性空調房間，其室內設計參數(shù)按照數(shù)據(jù)機房的工藝性要求選取。其他辦公、餐飲等房間屬舒適性空調房間，室內參數(shù)按照普通舒適性房間的要求選取。

工藝性空調部分（數(shù)據(jù)機房）的室內設計參數(shù)，其溫度、濕度指標均執(zhí)行A 級標準，如表1 所示。舒適性空調部分的室內設計參數(shù)，如表2 所示。

表1 電子計算機組開機時室內設計參數(shù)（A 級）

表2 舒適性空調部分的室內設計參數(shù)

2.2 冷熱負荷

在數(shù)據(jù)機房建筑中，通常室外環(huán)境對室內的影響較小，空調的熱濕負荷主要來自于室內。機柜設備散熱量大且熱源集中，需全年向外排熱，即使在冬季也有相當大的冷負荷。機柜設備無散濕量，主機房內的散濕量主要來自于工作人員，而大中型電子計算機主機房內工作人員較少，因此主機房內的散濕量很小，同時新風負荷也較小。此外，主機房對照明的要求通常不高，因而機房內照明負荷與設備用電負荷相比很低，照明發(fā)熱量不大。大中型電子計算機一般都全年內長時間連續(xù)運行，在計算主機房內的負荷時可按開機時的要求進行設計。在本工程中，電子計算機房的新風量取機房空調總循環(huán)風量的5%。

歸納起來，機房空調的熱濕負荷主要包括以下內容：機房內電子計算機和其它設備的散熱；人體散熱、散濕；照明裝置散熱；新風負荷；建筑圍護結構的傳熱以及太陽輻射得熱。

圖2 顯示了本建筑全樓冷熱負荷的計算結果。可以看出，數(shù)據(jù)中心夏季最大冷負荷為8322 kW，而冬季沒有熱負荷，充分反映出了數(shù)據(jù)中心的負荷特點。對于其他房間的舒適性空調而言，冷熱負荷較為匹配，夏季最大冷負荷為2075 kW，冬季最大熱負荷為2713 kW?？梢钥闯?，全樓冷負荷最大的部分為數(shù)據(jù)中心，其冷負荷比例為全樓冷負荷的80.04%。

圖2 全樓空調負荷

在數(shù)據(jù)中心中，除了數(shù)據(jù)機房以外，還包括一些輔助性用房，主要有UPS 室、以及值班控制室。圖3 顯示了本建筑中工藝性空調（數(shù)據(jù)中心）冷負荷的構成?？梢钥闯鰯?shù)據(jù)機房負荷所占比例最大，達到72.67%；其次為UPS 室，比例為17.02%，二者相加，達到了數(shù)據(jù)中心負荷的約90%。在一般數(shù)據(jù)中心設計中，UPS室的規(guī)模往往較小，但在大型、超大型數(shù)據(jù)中心中，UPS 室的發(fā)熱量顯著提高，因而不能忽視。

圖3 數(shù)據(jù)中心空調負荷

圖4 其他房間空調負荷

在本建筑中，辦公、餐廳等其他舒適性房間的夏季和冬季負荷分布情況見圖4。由于本項目中新風機組為統(tǒng)一設置，同時負擔樓內所有房間的新風負荷，因而此處將新風負荷計入舒適性空調負荷范圍。在本工程中，冷、熱負荷中比例最大為新風負荷，分別占到了舒適性空調冷、熱負荷的65.25%和55.33%。可以看出，超大型數(shù)據(jù)中心建筑中，舒適性空調負荷總體所占比重較小，其中50%以上為新風負荷。

3 系統(tǒng)形式選擇

3.1 冷源

本項目制冷及采暖采用集中冷熱源方式。冷源采用離心式冷水機組，制冷機房設在地下二層；熱源采用市政熱力，熱交換站設置在地下二層，提供全樓冬季空調及采暖二次熱水（60/50 ℃）。夏季空調冷源采用3 臺電動式水冷離心式冷水機組,每臺冷水機組制冷量為3868 kW，總制冷量為11604 kW。空調冷凍水供回水溫度為7/12 ℃。空調冷凍水系統(tǒng)采用一次泵負荷側變流量系統(tǒng)。

屋頂設12 臺超低噪聲方型橫流冷卻塔，冬夏均使用，考慮到在冬季數(shù)據(jù)機房仍然需要向外排熱，系統(tǒng)在冬季采用冷卻塔進水機組供冷；在夏季28 ℃濕球溫度下，12 臺冷卻塔總處理水量1995 m3/h，保證進塔38 ℃，出塔32 ℃。在冬季（11 月至次年2 月），采用室外天然冷源，通過冷卻塔-板式換熱器提供冷水。12臺冷卻塔在濕球溫度0 ℃下，總處理水量1270 m3/h，保證進塔12 ℃，出塔7 ℃。此外，裙房屋頂新增冷卻塔共6 臺，在濕球溫度0 ℃下，總處理水量828 m3/h，保證進塔12 ℃，出塔7 ℃。處于節(jié)能調控考慮，各冷卻塔風扇電機均可變頻調速。

處于對數(shù)據(jù)機房安全性保障的考慮，空調系統(tǒng)進行了冗余設計。所謂冗余，是指空調系統(tǒng)中重復配置一定的設備，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的設備投入使用，承擔故障設備的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間。在本工程中，由于數(shù)據(jù)機房的重要性為A 類，因此空調系統(tǒng)的設計采用了N+N 的冗余設計，以達到設備互為備份的作用。各數(shù)據(jù)機房均采用雙冷源（冷凍水和直接蒸發(fā)式冷媒）的恒溫空調系統(tǒng)，室內的末端機組同時接空調冷凍水管和冷媒管道。在一般情況下，系統(tǒng)由離心式冷水機組通過冷凍水系統(tǒng)供冷；當遇有冷凍機組或水泵、管道等故障發(fā)生的情況下，切換至直接蒸發(fā)式空調系統(tǒng)供冷；在停電等情況發(fā)生時，由柴油發(fā)電機組供給計算機房用直接蒸發(fā)式空調系統(tǒng)工作。

3.2 末端

對于數(shù)據(jù)機房建筑，機房內部的空調末端形式以及氣流組織設計，一直是影響空調效率和效果的重要部分。近年來，隨著數(shù)據(jù)機房的大量出現(xiàn)，國內外也逐漸形成了比較成熟的室內空調氣流組織的解決方案和相應的專業(yè)設計團隊。這些解決方案針對不同規(guī)模、不同等級的數(shù)據(jù)機房，綜合考慮室內環(huán)境控制與節(jié)能的需求。

在本建筑中，數(shù)據(jù)機房的空調末端采用架空地板下送風、上部回風的方式，同時根據(jù)機柜排布的順序，區(qū)分了空調送風的“冷通道”和“熱通道”，將送風口布置在機架正面的通道內，使得由送風口送出的冷風，首先經(jīng)過機柜的處理器單元進行冷卻，然后加熱后的熱空氣穿過機架經(jīng)熱通道向上至回風口。這就形成正面的送風通道溫度低，而機架后面的排風通道溫度高。如圖5，這種氣流組織設計避免了冷熱空氣混合所帶來的效果降低，最大限度地提高了地板送風系統(tǒng)的送風效率。對于本建筑中辦公、餐廳等舒適性空調的室內末端，則采用較為常規(guī)的新風加風機盤管系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)需要靈活調節(jié)室內溫度參數(shù)，且控制簡單，便于管理，是比較節(jié)能的空調方式。在冬季設采暖的房間，如廚房值班采暖等，均另設有散熱器。

圖5 數(shù)據(jù)機房空調氣流組織示意圖

此外，每層電子計算機房設置新風機組，以保證專用計算機房的正壓。按電子計算機房新風量的80%作為平時的排風量。同時，設置一套電子計算機房內氣體滅火系統(tǒng)作用完畢后的專用排風系統(tǒng)，按5 次/h換氣次數(shù)計算。

4 結論

本文介紹了北京某超大型數(shù)據(jù)中心建筑的空調設計過程，對設計中的重要環(huán)節(jié)進行了闡述，如空調室內參數(shù)的確定，空調負荷的計算，以及室內末端的選擇等。該工程的設計針對超大型數(shù)據(jù)中心的特點，考慮了其空調系統(tǒng)的安全保障性而進行了冗余設計，同時也采用了利用冬季冷卻塔供冷、室內空調氣流組織布置等方法，提高運行效率，降低空調系統(tǒng)的運行能耗。

該工程于2010 年12 月竣工投入使用，至今已近10 年時間，各項指標完全達到設計要求，節(jié)能效果顯著，得到各方好評，并獲得2010 年度國家優(yōu)質工程銀質獎。

本文中對于該項目空調系統(tǒng)的設計思路和設計過程，可供同類超大型數(shù)據(jù)中心建筑的空調系統(tǒng)設計參考。