數據中心暖通設計若干思考

荀冬明

摘要：近年來，人們在生產和生活中越來越依賴信息，這使得數字信息技術的飛速發展和需求不斷擴大。數據中心建設如火如荼，越來越多的設計院和暖通工程師加入到數據中心的建設中來。然而，數據中心的機電系統與公共建筑的機電系統大不相同。數據中心的過程要求和應用特點決定了機電系統的差異。對于沒有數據中心設計經驗的設計師來說，照搬公共建筑機電系統的設計理念是行不通的，會給數據中心帶來重大的安全隱患。

關鍵詞：數據中心;暖通設計;策略

1數據中心相關數據統計

在項目初期，如何確定數據中心的機柜數量、建筑面積等困擾著設計師，因為這些都受限于數據中心工藝規劃及機電系統方案的確定。合理的機電用房使用面積經驗顯得尤為重要。針對獨立的數據中心樓（可能包含總控中心在內），筆者對參與設計的金融業數據中心工程進行了統計。

確定數據中心建筑面積需要掌握幾個基本數據：建設標準（等級）、IT設備功率密度、架空地板面積或機柜數量。1）建設標準。不同等級的數據中心，相同機柜數量的建筑面積需求差異很大。不同等級的數據中心在機電系統架構方面的基本要求不同，以分級更細的UptimeInstitute《Datacentersiteinfrastructuretierstandard：topology》標準為例，其TierⅣ標準與TierⅢ標準在基礎設架構上的典型例子分別為設備方面2N（N為基本需求）或N+X （N+X為系統滿足基本需求外，增加了X個組件、X個單元、X個模塊或X個路徑。任何X個組件、單元、模塊或路徑的故障或維護不會導致系統運行中斷（X=1～N）），管網方面2個獨立單路系統或環網系統。在機柜數量及功率密度相同的條件下，與TierⅢ級系統相比，TierⅣ級系統將占用更多的建筑面積。2）IT設備功率密度。設備功率密度由數據中心機房工藝專業決定，2～80kW/機柜均有可能出現。常規設計中單機柜功率為2.5～20kW左右。上述案例中均為低密度機柜（案例中最高功率密度為6kW/機柜）。3）架空地板面積或機柜數量。工程案例中所描述的機柜指標準機柜（600mm×1200mm，42U），一些特殊設備，如小型機、超算系統設備本文不討論。表1～3中設計案例統計數據總結如下：①單機柜功率密度均值為3.71kW/機柜;②單機柜建筑面積均值為11.38m2/機柜;③單機柜架空地板面積均值為3.26m2/機柜;④建筑面積與架空地板面積比值均值為3.5。

2新風系統設計問題

數據中心大樓是為計算機系統和其他支持設備提供工作空間的建筑物。它的服務對象是服務器和計算機。建筑新風系統的功能不同于一般辦公建筑或人員活動較多的公共建筑。新風供應的主要目的是稀釋室內環境污染物，防止外部灰塵進入主機室，保持機器運行環境的清潔度要求。用新鮮空氣保持室內正壓是實現清潔控制的最簡單方法。施工圖設計中的新風量應符合GB50174-2017《數據中心設計規范》第4條和第7.4條的規定，在第5條中確定，但本規范未給出正壓值和新風量的計算過程。在實際設計中，通常采用換氣次數的經驗數據，選擇在0.7～1.5h-1之間。當機房面積較大時，取上限值。在傳統設計中，新風經過冷處理和熱處理，僅承受新風負荷，而不承受室內負荷。新鮮空氣從室外狀態直接處理到等焓線與室內狀態點90%～95%相對濕度線的交點，然后沿等焓線或等溫線處理到室內參數點。

由于數據室內沒有濕負荷，數據室內的精密空調僅承受顯熱負荷，并在干燥條件下運行。在數據室新風處理過程中，如果夏季采用常規空調，新風處理到室內等焓點，可能導致狀態點的偏差。因此，新風送至數據室前需先除濕至室內露點溫度，再送至數據室空調室與回風混合，經機房精密空調機組冷卻處理后送至it機柜區。

在冬季，由于數據室仍然寒冷，如果使用常規系統將新鮮空氣加熱到室內等焓點，然后對其進行加濕，則可能需要將新鮮空氣加熱到30或40℃甚至更高。但是，數據室的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，只要確保送至室內后沒有冷凝，因此，新鮮空氣可沿等含水量線在數據中心機房露點溫度附近進行處理，然后送至數據中心機房空調室的回風。部分回風由加濕器加濕，部分回風由機房精密單元冷卻，兩部分混合送至室內。

數據室新風系統的冬季熱源溫度不需要太高，因為只需將室外新風沿等含水量線加熱至接近數據中心室露點溫度（約15℃）。因此，水溫在40℃以上，一般能滿足冬季新風采暖的需要。

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，逼近度由原設計方案的5.5℃改為3.5℃，即在保證冷卻水供水溫度不變時，濕球溫度由8℃提升至10℃，全年自然冷源利用時間可提升385h。

3.2自然冷源切換

結合運行實際情況優化暖通系統控制邏輯，合理使用預冷模式和全冷卻塔冷卻模式。冷機制冷模式：當室外濕球溫度t>22℃（可調）時，冷機工作，自然冷源不工作;預冷模式：當室外濕球溫度15℃<t≤22℃（可調）時，機械冷源與自然冷源聯合運行;完全自然冷卻模式：當室外濕球溫度t≤15℃（可調）時，冷機不工作，自然冷源工作。

以呼和浩特某數據中心為例，調整前當室外濕球溫度低于5℃時啟用2臺板式換熱器（單臺制冷量4500kW）制冷，調整后當室外濕球溫度低于7℃時啟用3臺板式換熱器（單臺制冷量4500kW）可滿足制冷需求。即在現有熱負荷工況下可提前或延后自然冷源使用時間（由原來的11月～次年3月變更為10月～次年4月），在10～11月和3～4月采用水冷機組與板式換熱器相結合的方式降低制冷耗能。

結論

數據中心的發展突飛猛進。在數據中心的設計和建設中，設計者需要認真對待，積累設計經驗，提高設計水平，設計出合理節能的數據中心。

參考文獻：

[1]周慧鑫，曹廣路，姜軍.某指揮中心暖通空調設計及BIM正向設計實踐[J].暖通空調，2021，51（S2）：160-164.

[2]張春朋.數據中心暖通空調水冷系統節能控制優化及應用[J].暖通空調，2020，50（12）：50-53.