数据中心暖通设计若干思考

荀冬明

摘要：近年来，人们在生产和生活中越来越依赖信息，这使得数字信息技术的飞速发展和需求不断扩大。数据中心建设如火如荼，越来越多的设计院和暖通工程师加入到数据中心的建设中来。然而，数据中心的机电系统与公共建筑的机电系统大不相同。数据中心的过程要求和应用特点决定了机电系统的差异。对于没有数据中心设计经验的设计师来说，照搬公共建筑机电系统的设计理念是行不通的，会给数据中心带来重大的安全隐患。

关键词：数据中心;暖通设计;策略

1数据中心相关数据统计

在项目初期，如何确定数据中心的机柜数量、建筑面积等困扰着设计师，因为这些都受限于数据中心工艺规划及机电系统方案的确定。合理的机电用房使用面积经验显得尤为重要。针对独立的数据中心楼（可能包含总控中心在内），笔者对参与设计的金融业数据中心工程进行了统计。

确定数据中心建筑面积需要掌握几个基本数据：建设标准（等级）、IT设备功率密度、架空地板面积或机柜数量。1）建设标准。不同等级的數据中心，相同机柜数量的建筑面积需求差异很大。不同等级的数据中心在机电系统架构方面的基本要求不同，以分级更细的UptimeInstitute《Datacentersiteinfrastructuretierstandard：topology》标准为例，其TierⅣ标准与TierⅢ标准在基础设架构上的典型例子分别为设备方面2N（N为基本需求）或N+X （N+X为系统满足基本需求外，增加了X个组件、X个单元、X个模块或X个路径。任何X个组件、单元、模块或路径的故障或维护不会导致系统运行中断（X=1～N）），管网方面2个独立单路系统或环网系统。在机柜数量及功率密度相同的条件下，与TierⅢ级系统相比，TierⅣ级系统将占用更多的建筑面积。2）IT设备功率密度。设备功率密度由数据中心机房工艺专业决定，2～80kW/机柜均有可能出现。常规设计中单机柜功率为2.5～20kW左右。上述案例中均为低密度机柜（案例中最高功率密度为6kW/机柜）。3）架空地板面积或机柜数量。工程案例中所描述的机柜指标准机柜（600mm×1200mm，42U），一些特殊设备，如小型机、超算系统设备本文不讨论。表1～3中设计案例统计数据总结如下：①单机柜功率密度均值为3.71kW/机柜;②单机柜建筑面积均值为11.38m2/机柜;③单机柜架空地板面积均值为3.26m2/机柜;④建筑面积与架空地板面积比值均值为3.5。

2新风系统设计问题

数据中心大楼是为计算机系统和其他支持设备提供工作空间的建筑物。它的服务对象是服务器和计算机。建筑新风系统的功能不同于一般办公建筑或人员活动较多的公共建筑。新风供应的主要目的是稀释室内环境污染物，防止外部灰尘进入主机室，保持机器运行环境的清洁度要求。用新鲜空气保持室内正压是实现清洁控制的最简单方法。施工图设计中的新风量应符合GB50174-2017《数据中心设计规范》第4条和第7.4条的规定，在第5条中确定，但本规范未给出正压值和新风量的计算过程。在实际设计中，通常采用换气次数的经验数据，选择在0.7～1.5h-1之间。当机房面积较大时，取上限值。在传统设计中，新风经过冷处理和热处理，仅承受新风负荷，而不承受室内负荷。新鲜空气从室外状态直接处理到等焓线与室内状态点90%～95%相对湿度线的交点，然后沿等焓线或等温线处理到室内参数点。

由于数据室内没有湿负荷，数据室内的精密空调仅承受显热负荷，并在干燥条件下运行。在数据室新风处理过程中，如果夏季采用常规空调，新风处理到室内等焓点，可能导致状态点的偏差。因此，新风送至数据室前需先除湿至室内露点温度，再送至数据室空调室与回风混合，经机房精密空调机组冷却处理后送至it机柜区。

在冬季，由于数据室仍然寒冷，如果使用常规系统将新鲜空气加热到室内等焓点，然后对其进行加湿，则可能需要将新鲜空气加热到30或40℃甚至更高。但是，数据室的IT模块通常配备有加湿装置，新鲜空气不需要在新鲜空气装置处加湿，只要确保送至室内后没有冷凝，因此，新鲜空气可沿等含水量线在数据中心机房露点温度附近进行处理，然后送至数据中心机房空调室的回风。部分回风由加湿器加湿，部分回风由机房精密单元冷却，两部分混合送至室内。

数据室新风系统的冬季热源温度不需要太高，因为只需将室外新风沿等含水量线加热至接近数据中心室露点温度（约15℃）。因此，水温在40℃以上，一般能满足冬季新风采暖的需要。

3提高自然冷源利用效率

3.1提高冷却塔冷选型

冷却塔选型适度放大，按照冬季选型，夏季校核，逼近度由原设计方案的5.5℃改为3.5℃，即在保证冷却水供水温度不变时，湿球温度由8℃提升至10℃，全年自然冷源利用时间可提升385h。

3.2自然冷源切换

结合运行实际情况优化暖通系统控制逻辑，合理使用预冷模式和全冷却塔冷却模式。冷机制冷模式：当室外湿球温度t>22℃（可调）时，冷机工作，自然冷源不工作;预冷模式：当室外湿球温度15℃<t≤22℃（可调）时，机械冷源与自然冷源联合运行;完全自然冷却模式：当室外湿球温度t≤15℃（可调）时，冷机不工作，自然冷源工作。

以呼和浩特某数据中心为例，调整前当室外湿球温度低于5℃时启用2台板式换热器（单台制冷量4500kW）制冷，调整后当室外湿球温度低于7℃时启用3台板式换热器（单台制冷量4500kW）可满足制冷需求。即在现有热负荷工况下可提前或延后自然冷源使用时间（由原来的11月～次年3月变更为10月～次年4月），在10～11月和3～4月采用水冷机组与板式换热器相结合的方式降低制冷耗能。

结论

数据中心的发展突飞猛进。在数据中心的设计和建设中，设计者需要认真对待，积累设计经验，提高设计水平，设计出合理节能的数据中心。

参考文献：

[1]周慧鑫，曹广路，姜军.某指挥中心暖通空调设计及BIM正向设计实践[J].暖通空调，2021，51（S2）：160-164.

[2]张春朋.数据中心暖通空调水冷系统节能控制优化及应用[J].暖通空调，2020，50（12）：50-53.