貴陽某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目暖通空調(diào)設(shè)計(jì)

徐聰聰 黃艷 胡廣月 王敏 韓笑

1 悉地（北京）國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司

2 北京鑫鴻城運(yùn)營管理有限公司

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于貴州省貴陽，包含4 棟數(shù)據(jù)中心和1 個(gè)能源中心以及其他多棟員工宿舍，辦公活動(dòng)區(qū)，車庫等配套功能用房，總建筑面積約為150000m2。

本論文著重介紹4 棟數(shù)據(jù)中心相關(guān)的暖通設(shè)計(jì)內(nèi)容，各棟樓平面圖布置如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心平面布置示意圖

2 室外計(jì)算參數(shù)

貴陽屬于溫和 A 區(qū)，其氣候參數(shù)見《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）[1]中附錄A。

3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

數(shù)據(jù)中心及主要電氣用房室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及通風(fēng)換氣要求根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》G B50174-2017[2]及使用部門對房間室內(nèi)參數(shù)具體要求確定,主要功能區(qū)域室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)據(jù)中心房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 冷熱負(fù)荷確定

數(shù)據(jù)中心模塊機(jī)柜區(qū)及相關(guān)電氣用房機(jī)柜散熱量由電氣專業(yè)提供，圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷及燈光等其他冷負(fù)荷用天正負(fù)荷計(jì)算軟件得出。室內(nèi)基本無散濕量，不考慮室內(nèi)濕負(fù)荷。各樓棟機(jī)柜區(qū)及電氣用房發(fā)熱量如表2 和表3 所列。

表2 機(jī)柜區(qū)設(shè)備發(fā)熱量及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置

表3 電氣用房設(shè)備發(fā)熱量

5 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

5.1 冷源系統(tǒng)設(shè)置

本項(xiàng)目在方案設(shè)計(jì)階段對貴陽的氣候特點(diǎn)、項(xiàng)目所在地水資源等條件進(jìn)行了分析，最終選定直接通風(fēng)冷卻技術(shù)、直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)對數(shù)據(jù)中心模塊區(qū)機(jī)柜進(jìn)行冷卻降溫，以實(shí)現(xiàn)最大程度運(yùn)用天然冷源。

4 棟數(shù)據(jù)中心的微模塊間(不包含A2 區(qū)域)，采用直通風(fēng)+蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，不設(shè)置冷水機(jī)組。

A 樓棟A2 區(qū)域微模塊間與所有數(shù)據(jù)中心相關(guān)電氣用房共用空調(diào)冷源，采用4 臺1200RT 離心式中溫冷水機(jī)組CH-1～4，供回水溫度14/21℃，3 用1 備，其中2 臺采用變頻，2 臺為定頻，變頻機(jī)組滿足低負(fù)荷情況下機(jī)組正常運(yùn)行。對應(yīng)設(shè)置4 臺變頻低噪音開式冷卻塔CT-1～4，水量Q=915 m3/h，供回水溫度33/38℃。

數(shù)據(jù)中心相關(guān)電氣用房的新風(fēng)機(jī)組與辦公活動(dòng)區(qū)、宿舍區(qū)等夏季共用冷源，采用2 臺600RT 離心式冷水機(jī)組CH-5～6，1 臺300RT 螺桿式冷水機(jī)組CH-7，供回水溫度為6/13℃。對應(yīng)設(shè)置2 臺變頻低噪音開式冷卻塔 CT-5～6，水量Q=535 m3/h，1 臺變頻低噪音開式冷卻塔 CT-7，水量Q=270 m3/h，供回水溫度均33/38℃。

制冷機(jī)房設(shè)于能源中心地下一層，冷卻塔均設(shè)于屋頂。

5.2 空調(diào)熱源設(shè)置

冬季數(shù)據(jù)中心輔助用房新風(fēng)處理與辦公活動(dòng)區(qū)及宿舍空調(diào)共用熱源。

能源中心制冷機(jī)房設(shè)置螺桿式熱泵機(jī)組，回收數(shù)據(jù)中心A 樓A2 模塊間及4 樓棟數(shù)據(jù)中心配套電氣用房發(fā)熱量，熱泵機(jī)組可提供的總制熱量為6328 kW，供回水溫度為60/50℃，可以負(fù)擔(dān)園區(qū)內(nèi)冬季空調(diào)用熱水和生活熱水熱負(fù)荷。

能源中心地下一層配置2 臺2800 kW 燃?xì)庹婵諢崴仩t作為供暖備用熱源、2 臺700 kW 燃?xì)庹婵諢崴仩t作為宿舍生活熱水備用熱源。

6 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 微模塊機(jī)柜區(qū)空調(diào)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)機(jī)房微模塊機(jī)柜區(qū)域設(shè)置“冷通道”和“熱通道”，采用“熱通道”封閉。依據(jù)方案階段提供的 CFD 模擬計(jì)算結(jié)果對空調(diào)設(shè)備及模塊機(jī)柜進(jìn)行合理布置?？照{(diào)風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心模塊間空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)示意圖

6.1.1 微模塊間（除B 樓微模塊間B2 外）

①直通風(fēng)模式。室外干球溫度小于等于28℃時(shí)，室外空氣通過數(shù)據(jù)中心外墻上百葉，經(jīng)變頻 AHU 風(fēng)扇陣列送到數(shù)據(jù)機(jī)柜房冷通道區(qū)域?？諝馑椭晾渫ǖ溃鹘?jīng)模塊機(jī)組后進(jìn)入到熱通道，將數(shù)據(jù)機(jī)柜散熱量帶到熱通道。熱通道空氣通過管道豎井收集，并通過安裝在屋頂上的屋頂式排風(fēng)機(jī)排出至室外。A HU 及排風(fēng)機(jī)臺數(shù)對應(yīng)，為 N+1 冗余。

②蒸發(fā)冷卻模式。室外干球溫度超過28℃時(shí)，室外空氣通過AHU 的濕膜段進(jìn)行加濕，從而實(shí)現(xiàn)水蒸發(fā)過程中對空氣進(jìn)行冷卻。送風(fēng)參數(shù)溫度需滿足18℃～28℃，相對濕度20%～80%。

③混風(fēng)加熱模式。室外干球溫度低于18℃時(shí)，通過新風(fēng)，回風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量，使熱通道空氣與室外空氣混合，以達(dá)到設(shè)定的送風(fēng)溫度18℃。

④數(shù)據(jù)機(jī)柜房壓力控制。直通風(fēng)和蒸發(fā)冷卻工況下，屋頂排風(fēng)機(jī)與AHU 空調(diào)設(shè)備相對應(yīng)啟停。當(dāng)室外氣溫低于18℃處于在混風(fēng)模式時(shí)，屋頂排風(fēng)機(jī)根據(jù)吊頂內(nèi)熱通道設(shè)置壓差傳感器感應(yīng)壓力值變化來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率。運(yùn)行過程中優(yōu)先調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，再執(zhí)行風(fēng)機(jī)啟停機(jī)的控制，可以實(shí)現(xiàn)排風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量平衡。

6.1.2 B 樓微模塊間B2

①冬季或過渡季室外干球溫度低于18℃時(shí)運(yùn)行模式與其他模塊間一致，采用混風(fēng)加熱模式。當(dāng)室外干球溫度超過28℃時(shí)，則開啟冷凍水盤管水閥進(jìn)入冷卻模式。供回水溫度為14/21℃，送風(fēng)溫度設(shè)計(jì)為28℃。

②冬季此地塊辦公活動(dòng)區(qū)、宿舍等區(qū)域進(jìn)入供暖狀態(tài)時(shí)，此時(shí)需要關(guān)閉新風(fēng)風(fēng)閥和屋頂排風(fēng)風(fēng)機(jī)，進(jìn)入熱回收模式。通過盤管吸收回風(fēng)中由服務(wù)器機(jī)柜排出的熱量，經(jīng)熱泵機(jī)組回收熱能后提供60/50℃熱水供給空調(diào)用熱水及生活熱水。

③數(shù)據(jù)機(jī)柜房壓力控制。夏季或過渡季工況下，與其他模塊區(qū)域控制方式一致。冬季進(jìn)入熱回收模式情況下，新風(fēng)按最小新風(fēng)量設(shè)定，滿足室內(nèi)壓力+5 Pa，屋頂排風(fēng)風(fēng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)。

6.2 數(shù)據(jù)中心變配電室空調(diào)系統(tǒng)

變配電室采用水冷機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組，N+1 配置，空調(diào)盤管用的冷凍水接自14/21℃中溫冷凍水系統(tǒng)。室內(nèi)濕度及正壓控制通過新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。

機(jī)房空調(diào)設(shè)置在變配電室專用空調(diào)設(shè)備區(qū)域，用擋水圍堰與電氣機(jī)柜區(qū)進(jìn)行分隔，氣流組織為頂部雙層百葉送風(fēng)，機(jī)組下前方回風(fēng)。房間內(nèi)所有空調(diào)機(jī)組送風(fēng)用聯(lián)箱聯(lián)通，雙層百葉送風(fēng)，為保證空調(diào)冷卻效果，送風(fēng)口位置依據(jù) CDF 模擬結(jié)果，布置在UPS 及變壓器等發(fā)熱量大的設(shè)備機(jī)柜前方。每個(gè)空調(diào)機(jī)組出風(fēng)口處設(shè)置止回閥，以防止空調(diào)送風(fēng)吹入備用空調(diào)機(jī)組內(nèi)部。

多個(gè)變配電室共用新風(fēng)機(jī)組。新風(fēng)機(jī)組盤管段夏季接自6/13℃低溫冷凍水，冬季接自60/50℃空調(diào)熱水，夏季采用冷卻除濕，冬季采用濕膜加濕。

6.3 數(shù)據(jù)中心電池室空調(diào)系統(tǒng)

每個(gè)電池室分別設(shè)置直膨式機(jī)房專用空調(diào)，N+1 配置，室外機(jī)置于屋頂?？照{(diào)送風(fēng)用聯(lián)箱聯(lián)通，雙層百葉送風(fēng)，送風(fēng)口布置在發(fā)熱量大的蓄電池機(jī)組前方。

多個(gè)電池室共用新風(fēng)機(jī)組，每個(gè)房間均獨(dú)立設(shè)置排風(fēng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)變頻，保證房間內(nèi)保持壓力-10 Pa。新風(fēng)機(jī)組盤管段夏季接自6/13℃低溫冷凍水，冬季接自60/50℃空調(diào)熱水，夏季采用冷卻除濕，冬季采用濕膜加濕。

7 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1 中溫水系統(tǒng)

中溫冷凍水系統(tǒng)主要服務(wù)于B 樓的 L1～3 層?xùn)|側(cè)的微模塊間B2、數(shù)據(jù)中心內(nèi)變配電室和電池室。

中溫水設(shè)置雙母管系統(tǒng)，保證單點(diǎn)故障時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

中溫水系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)急供冷系統(tǒng)，配置4 臺有效容積為35 m3的蓄冷水罐。若市電停電中溫冷水機(jī)組突然停止工作，可以維持供冷的房間空調(diào)設(shè)備運(yùn)行8 min。

7.2 空調(diào)冷熱水系統(tǒng)

園區(qū)內(nèi)非數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用一次泵定流量，二次泵變流量系統(tǒng)，兩管制，異程式。冷凍水供回水溫度為6/13℃，空調(diào)熱水供回水溫度為60/50℃。

7.3 蒸發(fā)冷卻補(bǔ)水系統(tǒng)

夏季室外溫度超過28℃情況，數(shù)據(jù)中心微模塊間進(jìn)入蒸發(fā)冷卻模式。蒸發(fā)冷卻水源由給排水專業(yè)供給，補(bǔ)水管采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，管內(nèi)始終保持有壓滿水狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)在線維修。

7.4 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，供回水溫度為32/37℃。

數(shù)據(jù)中心用冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻，當(dāng)冷卻水管上的溫度低于設(shè)定值時(shí)，冷卻塔的風(fēng)機(jī)將由高速轉(zhuǎn)至低速。如水溫繼續(xù)下降，為節(jié)省能源冷卻塔風(fēng)機(jī)將會(huì)停止工作。此時(shí)將單靠冷卻塔循環(huán)水灑水，自然風(fēng)冷。

冬季或過渡季運(yùn)行期間，冷卻水總供/回水管之間之旁通調(diào)節(jié)閥控制旁通水量，以免出現(xiàn)冷卻塔進(jìn)水溫度過低的現(xiàn)象。冷卻水進(jìn)口最低溫度按15℃考慮，冷卻塔根據(jù)出水溫度進(jìn)行啟閉控制。

冷卻塔設(shè)置防凍設(shè)施，包括室外管道設(shè)置保溫及電伴熱，水盤設(shè)電加熱管。

數(shù)據(jù)中心的冷卻水系統(tǒng)主干管采用雙母管設(shè)計(jì)，保證單點(diǎn)故障時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

8 通風(fēng)防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目防排煙系統(tǒng)執(zhí)行《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》 GB50016-2014（2018 版）[3]、《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》G B51251－2017[4]。

模塊機(jī)柜區(qū)設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)，機(jī)械補(bǔ)風(fēng)，排煙風(fēng)機(jī)置于四層專用排煙機(jī)房內(nèi)。辦公區(qū)、內(nèi)走道等其他需要排煙的場合設(shè)置機(jī)械排煙，自然補(bǔ)風(fēng)。

變配電室設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)，每個(gè)變配電室設(shè)置一套事故后排風(fēng)系統(tǒng)。

電池室設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)，每個(gè)電池室設(shè)置一套平時(shí)排風(fēng)、事故后排風(fēng)、氫氣泄漏時(shí)事故排風(fēng)合用的排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)風(fēng)機(jī)為雙速。

每個(gè)電池室安裝氫氣泄露檢測系統(tǒng)，當(dāng)電池房發(fā)生氫氣濃度超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)空調(diào)風(fēng)管支路上電動(dòng)防火閥，排風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行進(jìn)行事故排風(fēng)。

電池室平時(shí)排風(fēng)和事故后排風(fēng)低速運(yùn)行，排風(fēng)口在房間上部和下部分別設(shè)置。設(shè)在上部的排風(fēng)口安裝高度不低于樓板下0.1 m，排除電池泄露產(chǎn)生的氫氣，且在各個(gè)梁上預(yù)留套管使各梁窩內(nèi)空間互相聯(lián)通來保證排除效果,設(shè)在下部的排風(fēng)口主要用以排除氣體滅火后產(chǎn)生的廢氣。

9 其他節(jié)能措施的應(yīng)用

9.1 冷卻塔免費(fèi)制冷

部分微模塊間與所有數(shù)據(jù)中心相關(guān)電氣用房冬季或過渡季存在供冷需要。因此，本項(xiàng)目設(shè)置4 臺板式換熱器實(shí)現(xiàn)免費(fèi)制冷，并以換熱器連通冷卻塔水管系統(tǒng)及冷凍水水管系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由板式換熱器和相關(guān)水泵組成。制冷系統(tǒng)的運(yùn)行模式分三種：制冷模式，部分冷卻水免費(fèi)供冷模式，完全冷卻水免費(fèi)供冷模式。制冷系統(tǒng)運(yùn)行模式采用以下原則進(jìn)行切換：

①制冷模式：當(dāng)室外濕球溫度T/sh≥14℃時(shí)，冷卻塔出水溫度T/cws≥18℃時(shí)，以冷卻塔出水溫度為準(zhǔn)，制冷機(jī)組工作，板式換熱器不工作。

②部分免費(fèi)供冷模式：當(dāng)室外濕球溫度10℃＜T/sh＜13℃時(shí)，冷卻塔出水溫度13℃＜T/cws＜15℃ 時(shí)，以冷卻塔出水溫度為準(zhǔn)，制冷機(jī)組、板式換熱器同時(shí)工作，板換與冷機(jī)為串聯(lián)運(yùn)行。

③完全免費(fèi)供冷模式：當(dāng)室外濕球溫度 T/sh≤9℃時(shí)，冷卻塔出水溫度T/cws≤12℃，以冷卻塔出水溫度為準(zhǔn)，制冷機(jī)組停止工作，板式換熱器工作。

9.2 湖水冷卻系統(tǒng)

本項(xiàng)目圍繞著65000 m2人工湖，湖水源取自上游湖泊。湖水最深處3 m，局部區(qū)域0.9 m,總蓄水量為15045 m3。根據(jù)規(guī)范要求，周平均水溫上升不超過1℃，經(jīng)計(jì)算得出湖水冷卻總散熱能力為2730 kW。

結(jié)合湖水循環(huán)水系統(tǒng)，從湖面較大的區(qū)域取水，經(jīng)過濾處理后輸送到能源站，通過板式換熱器與數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)進(jìn)行間接換熱，換熱之后溫度升高的熱水通過瀑布排入湖中，再經(jīng)過蒸發(fā)冷卻將高溫水冷卻下來，見圖2 所示。

圖2 湖水冷卻系統(tǒng)示意圖

湖水冷卻采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過熱交換器與湖水間接換熱。當(dāng)湖水溫度 T≤13℃時(shí)，可通過湖水進(jìn)行冷卻，減少中溫冷水機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)或卸載部分冷水機(jī)組負(fù)荷以滿足節(jié)能效果。

10 結(jié)論

作為暖通專業(yè)設(shè)計(jì)人員，在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)尤其關(guān)注空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性、節(jié)能性。一是，應(yīng)特別關(guān)注項(xiàng)目所在地室外氣候條件，充分利用天然冷源，確定經(jīng)濟(jì)合理的冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和運(yùn)行策略。二是，保證機(jī)柜區(qū)和支持區(qū)等重要區(qū)域空調(diào)管路故障時(shí)的檢修要求。三是，應(yīng)合理利用熱量回收技術(shù)以實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。四是，應(yīng)選擇高效節(jié)能的設(shè)備。