中小型數據中心機房空調設計探討

摘 要：新建民用建筑配置中小型數據中心愈加普遍，但其中大部分機房沒有完善的空調通風設計。通過對中小型數據中心機房空調負荷特征、空調設計示例、新風通風和自控系統設計等方面進行分析闡述，以期為類似項目設計提供一定的參考。

關鍵詞：中小型數據中心;冷源;空調末端;房間級精密空調;列間級精密空調

0 ? ?引言

隨著信息化進程加快，越來越多的新建民用建筑配置中小型數據中心。數據中心機房專用空調屬于工藝性空調，與常規舒適性空調存在明顯差異。其不僅要滿足機房內溫濕度、控制精度等要求，還要求穩定不間斷運行。

根據前期調研，浙南區域民用建筑內的中小型數據機房空調大部分由智能化單位施工，未針對不同機房特性進行專業設計。從機房空調實際使用情況來看，效果并不理想，普遍存在能耗大、溫度不均勻、濕度無法控制、機房無法維持正壓、空氣潔凈度較差、防水措施不到位等問題。

本文針對中小型數據中心機房空調設計進行多方面梳理，以期為類似項目提供參考。

1 ?數據中心機房空調負荷特征

1.1 ?數據中心機房空調負荷組成

根據數據中心特性，其空調負荷主要由數據中心內設備散熱、建筑圍護結構負荷、人體熱負荷、照明裝置散熱、新風負荷等部分組成[1]。

1.2 ?數據中心機房空調特性

數據中心機房空調特性主要包括：

（1）數據中心設備為常年散熱，須持續供冷，不間斷運行。

（2）以設備散熱（顯熱）為主，潛熱極小。一個服務器機柜散熱量在每小時幾千瓦至十幾千瓦（如安裝刀片式服務器，則散熱量更高）。大中型數據中心散熱量在 400 W/m2左右，裝機密度高的數據中心散熱量可以達到 600 W/m2以上[2]。

（3）為使機房內各區域溫濕度均勻，末端系統具有大風量、小焓差的特性。

（4）空氣中的塵埃、腐蝕性氣體等影響電子元件壽命，容易引起接觸不良或短路等，故數據中心有空氣潔凈度的要求。

2 ?中小型數據中心空調冷源及末端

中小型數據中心機房冷源應根據不同機房規模、氣候條件、自然資源、建設成本、運行節能訴求及運維能力等因素進行綜合選擇。不同冷源形式及其特點如表1所示。

中小型數據中心空調系統按末端布置位置不同，可分為房間級、列間級和機架級[3]，具體如表2所示。

3 ?中小型數據中心空調設計示例

3.1 ?小型數據中心

小型數據中心服務器柜一般少于4個，單機架運行功耗 3 kW以下，定位為 C 級數據中心。該數據中心采用基站式空調，房間級制冷，送風方式為前送前回。基站空調需具有如下功能：（1）超大風量，高顯熱比，杜絕凝霜;（2）相序保護和相序容錯;（3）掉電記憶和自動重啟;（4）模糊智能控制;（5）過電流保護遠程故障識別與報警;（6）遠程通信控制等。

3.2 ?中型數據中心

（1）當數據中心服務器柜少于6個，單機架運行功耗5 kW以下，定位為C級數據中心時，該數據中心采用房間級精密空調，利用靜電地板下部空間作為靜壓箱送風或在地板下設置風道送風。設計時應根據不同功率的機柜進行個性化調節，以達到最優的制冷能效。在房間布局允許的情況下，考慮散熱均勻及節能，建議設置封閉冷通道。

（2）當數據中心服務器柜為6～12個，單機架運行功耗5 kW以下，定位為B級數據中心時，該數據中心設置封閉冷通道，將冷風聚集在列間過道空間中，以冷通道前送風、機柜后回風的水平送風方式，解決冷熱氣流短路問題，保障了服務器機柜溫度的均勻，消除了局部熱點（圖 1）。房間級精密空調采用N+1備份形式，單臺設備故障不影響系統使用。

（3）當數據中心服務器柜為12～24個，單機架運行功耗 15 kW 以下，定位為B級數據中心時，該數據中心采用列間級精密空調，將精密空調部署在機柜排中，緊靠熱源安裝，動態匹配數據中心負載需求。列間級空調采用全直流變頻架構，配合微模塊智能管理系統做 到冷電聯動，可根據負載運行情況按需制冷（圖 2）。列間級精密空調采用N+1備份形式，單臺設備故障不影響系統使用。

4 ?機房新風設計

數據中心新風量是指維持室內正壓所需的新風量和機房內工作人員所需的新風量，按兩者的最大值作為機房所需的新風量。

維持機房人員健康所需的新風量可按40 m3/（人·h） 計算，維持機房正壓所需的新風量按表3計算。

數據中心機房采用預處理新風機組引入室外新鮮空氣，設置三級過濾（初效+中效+亞高效），使處理后送入機房的新風滿足機房空氣潔凈度要求。新風管設置電動風閥與消防系統實現聯動控制。

夏季新風以等室內露點溫度送風，控制室內濕度。冬季新風加熱至12 ℃（高于室內露點溫度）送風，當機房內部相對濕度低于40%時，啟動加濕器進行加濕處理。

5 ?機房通風設計

數據中心機房和電池室設置氣體滅火系統，在氣體滅火區域設置通風設施，其排風量按換氣次數8次/h確定，排風口設在氣體滅火區域下部并直接通至室外。

電池室設有機械排風系統，換氣次數按平時3次/h、災后 8次/h確定。電池室排風系統兼做災后排風系統，排風支管設兩個排風口，一個設在上部，排除可能產生的少量氫氣，另一個靠近下部用以排除災后氣體。

6 ?機房空調給水排水設計

機房空調加濕器供水干管及空調冷凝水干管建議設于下層吊頂內，冷凝水管按1%坡度設置。為有效杜絕水系統漏水進入機房設備區域，精密空調區域地面設置擋水壩，并設置漏水檢測（圖 3）。

7 ?機房空調自控系統設計

7.1 ?小型機房

小型機房可以采用空調遠程控制器或者空調來電自啟動器，遠程控制或定時控制普通帶遙控的空調，其是通過學習并存儲空調遙控器的指令代碼實現對空調的控制，可實現遠程開關機、工作模式切換、溫度調節等所有遙控器上的功能。控制原理如圖4所示。

7.2 ?中型機房

中型機房應設置專門的機房環境監控系統，通過智能監控、分析、控制，并以多樣化的報警處理機制和友好的展現方式，使機房運維人員及時了解機房設備運行狀況，實現統一監控、統一管理、統一展示的運維管理目的。

具體到空調系統的監控，應通過安裝溫濕度傳感器，以實時檢測機房內的溫濕度。采用空調自帶通信接口及通信協議的方式，系統實時、全面診斷空調運行狀況，監控空調各部件（如壓縮機、風機、加濕器、加熱器、除濕器、過濾器等）的運行狀態與參數，并通過軟件在系統上或通過網絡遠程修改空調設置參數（溫度、濕度等），實現空調的遠程開關機。系統一旦檢測到報警或參數越限，將自動切換到相關的運行畫面，越限參數將變色，并伴有報警聲音及相關處理提示。對重要參數可做曲線記錄，用戶可通過曲線記錄直觀地看到空調機組的運行品質。

8 ?結語

數據中心能耗中約40%為空調耗能，設計方應充分調研并根據機房規模、氣候條件、投資、節能訴求及運維能力等因素綜合考量選擇合適的冷源及末端方式。同時需注重機房新風設計和給水排水、自控系統等方面的設計。受篇幅所限，文中未對熱管末端、水冷柜門等機架級空調進行描述。

[參考文獻]

[1] 數據中心設計規范：GB 50174—2017[S].

[2] 彭殿貞.綠色數據中心空調設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[3] 張泉，李震，鄭宏，等.數據中心節能技術與應用[M].北京：?機械工業出版社，2018.

收稿日期：2021-03-01

作者簡介：葉豐（1973—），男，浙江溫州人，高級工程師，研究方向：暖通設計。