淺談數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計新思考

淺談數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計新思考陳露;王玉峰【摘要】本文分析了《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》實施帶來的一些暖通設(shè)計參數(shù)變化，同時結(jié)合一實際數(shù)據(jù)中心設(shè)計方案的前后變化，綜合分析在新規(guī)范指導下，數(shù)據(jù)中心暖通方案設(shè)計中可能遇到的一些難點及解決思路.【期刊名稱】《建筑熱能通風空調(diào)》【年(卷)，期】2019(038)005【總頁數(shù)】4頁(P57-60)【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心;設(shè)計;節(jié)能【作者】陳露;王玉峰【作者單位】中國建筑設(shè)計研究院有限公司數(shù)據(jù)中心設(shè)計所;中國建筑設(shè)計研究院有限公司數(shù)據(jù)中心設(shè)計所【正文語種】中文隨著信息化時代的到來，對于網(wǎng)絡(luò)共享、虛擬化數(shù)據(jù)處理、電子商務(wù)等方面的需求呈現(xiàn)爆炸式增漲趨勢，與之配套的數(shù)據(jù)中心的需求井噴式增加，國內(nèi)陸續(xù)新建了很多大型數(shù)據(jù)中心。大型數(shù)據(jù)中心能耗巨大，服務(wù)于數(shù)據(jù)中心的暖通系統(tǒng)本身也是耗能大戶，因此優(yōu)化暖通系統(tǒng)，使其在滿足使用要求的同時減少能耗具有重要意義。同時，數(shù)據(jù)中心與高新IT技術(shù)結(jié)合緊密，暖通設(shè)計師需要適應(yīng)前沿技術(shù)發(fā)展帶來的設(shè)計思路的改變。1數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計參數(shù)變化在2018年之前，國內(nèi)對于數(shù)據(jù)中心的暖通設(shè)計主要遵循《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》GB50174-2008（以下簡稱08版規(guī)范）的A~C級的相關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，在長期的設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)大型數(shù)據(jù)中心的要求均需達到A級機房要求，然而，08版規(guī)范對于數(shù)據(jù)中心尤其是A級機房設(shè)計的很多規(guī)定，不能與現(xiàn)階段的IT技術(shù)、服務(wù)器發(fā)展水平、各類型使用者的需求相匹配。因此，許多大型數(shù)據(jù)中心設(shè)計時也常參考一些國際標準，如ASHRAE（美國采暖制冷空調(diào)工程師學會）主編的《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南》中1級環(huán)境等級標準［1］，以及UptimeInstitute（全球公認的數(shù)據(jù)中心標準組織和第三方認證機構(gòu)）提出的國際等級認證體系TierI-TierIV中的Tierm（在線維護的機房基礎(chǔ)設(shè)施）和TierIV（容錯的機房基礎(chǔ)設(shè)施）級別的相關(guān)標準。2018年，《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017（以下簡稱17版規(guī)范）替代08版規(guī)范全面實施，17版規(guī)范相較于08版規(guī)范，設(shè)計標準和國際數(shù)據(jù)中心行業(yè)現(xiàn)階段使用標準接軌，以數(shù)據(jù)機房的主機房暖通環(huán)境溫濕度設(shè)計參數(shù)為例，17版規(guī)范中A~C級主機房的參數(shù)均統(tǒng)一采用《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南》中1級環(huán)境的推薦值。由于大型數(shù)據(jù)中心設(shè)計時基本要求至少達到國標A級機房標準，因此，本文僅對比兩版規(guī)范對于A級機房暖通設(shè)計主要溫濕度參數(shù)的變化，及其對設(shè)計產(chǎn)生的一些影響。兩版規(guī)范A級機房設(shè)計參數(shù)中，輔助區(qū)設(shè)計參數(shù)未作改變，維持以下設(shè)計參數(shù)：開機時，18~28°C（溫度）、35%~75%（相對濕度），停機時，5~35°C（溫度）、20%~80%（相對濕度）。電池室設(shè)計溫度范圍有所提高，由15~25C,提高為20~30°C。變化最大的為主機房的設(shè)計參數(shù)，在焓濕圖上表示見圖1所示，08版規(guī)范主機房溫度設(shè)計定義為23±1C,17版規(guī)范將其修改為冷通道或機柜進風區(qū)域的溫度，由于IT主機房一般采用冷熱通道分離的方式布置，冷通道送風，熱通道回風，因此，控制冷通道或機柜進風區(qū)域（近似可以認為是送風）溫濕度，即控制機柜吸入口空氣的溫度參數(shù)比控制整體房間溫度在一個范圍之內(nèi)，更為容易實現(xiàn)。同時，控制的送風范圍寬泛，便于在設(shè)計時綜合考慮實際情況，在盡量減少降溫、除濕的耗能處理過程的同時滿足設(shè)備正常運行。圖1主機房設(shè)計溫濕度范圍變化對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，夏季制冷時，考慮室內(nèi)設(shè)計干球溫度為25°C,相對濕度60%，此時露點溫度為16.7C,對室內(nèi)進行冷卻除濕時，冷源的溫度需要低于室內(nèi)空氣露點溫度16.7C,考慮5C傳熱溫差與5C介質(zhì)輸送溫差，因此常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的供回水溫度大多設(shè)定在7C/12C。數(shù)據(jù)機房的特性是室內(nèi)只有熱負荷，基本沒有濕負荷，數(shù)據(jù)機房的冷源系統(tǒng)只需承擔冷卻功能，因此冷源的溫度低于主機房送風溫度即可，適當提高冷源的供水溫度，相當于冷凝溫度不變的情況下提高了冷水機組的蒸發(fā)溫度，可以提高冷水機組的COP，是暖通行業(yè)的一個共識，08版規(guī)范未明確主機房送風溫度，但根據(jù)其對主機房的溫度設(shè)定以及實際工程設(shè)計經(jīng)驗，可以認為22C作為機房空調(diào)系統(tǒng)的送風溫度［2］?？紤]傳熱溫差與介質(zhì)輸送溫差，可以將供回水溫度提高51左右，同時考慮減少水泵能耗，可將供回水溫差略微加大，數(shù)據(jù)中心暖通系統(tǒng)常采用12C/18C的供回水溫度。17版規(guī)范中主機房允許送風溫度進一步提高，理論上，為主機房服務(wù)的冷源溫度有進一步提高的空間，也即有更大的節(jié)能空間。但同時，17版規(guī)范中輔助區(qū)的設(shè)定溫度與之前變化不大，加之還需要同時考慮辦公、新風等因素，因此，在設(shè)計時要綜合考慮，力爭在符合實際建筑條件、保證設(shè)備運行條件、滿足業(yè)主使用需求的同時選擇最節(jié)能的空調(diào)方案。2工程設(shè)計方案以下，筆者將結(jié)合一數(shù)據(jù)機房的工程設(shè)計實例，介紹根據(jù)17版規(guī)范進行設(shè)計時帶來的一些思考和解決方案，愿為廣大同仁提供參考。該工程位于北京市昌平區(qū)，整棟樓作為IDC出租，建筑功能以數(shù)據(jù)機房為主，兼有部分信息指揮大廳和內(nèi)部維護辦公功能，數(shù)據(jù)機房建設(shè)等級為A級。總建筑面積13296m2（其中地上建筑面積7887m2，地下建筑面積5409m2），建筑高度為23m，地上4層，地下2層，總IT容量約為5747kW，單機柜容量不高于5kW?？照{(diào)主要負荷估算如表1所示。表1空調(diào)負荷估算表？本項目特點如下：水資源緊張，不適合使用水冷冷水系統(tǒng)。業(yè)主希望盡可能利用室內(nèi)空間，多布置機柜，以利于出租。室外場地空間局促，屋面空間可用于布置設(shè)備，但屋面空間較緊張。冬季有市政供熱。機房區(qū)全年制冷，不可斷電。本項目耗時較長，方案開始很早，彼時17版規(guī)范尚未實施，根據(jù)以上項目特點，確定方案如下：數(shù)據(jù)機房區(qū)系統(tǒng)設(shè)置：采用一級泵變流量系統(tǒng)，冷源為帶自然冷卻模塊風冷冷水機組，全年供/回水溫度12/18°C。風冷冷水機組為1300kWx7臺，六用一備，布置于屋面（圖2）。水泵四臺，三用一備，變頻，位于地下二層冷熱源機房。設(shè)置1臺室外開式蓄冷罐，蓄冷容量保障IT設(shè)備15min持續(xù)供冷的需求，儲存12C冷水，風冷冷水機組失電時，蓄冷罐作為冷源向機房區(qū)放冷。IT機房及電氣房間末端采用水冷型機房空調(diào)，設(shè)計送風溫度17C。辦公及新風系統(tǒng)：采用變冷媒流量多聯(lián)機系統(tǒng)負擔辦公類用房空調(diào)供冷供熱，新風機組使用水源多聯(lián)機系統(tǒng)，夏季使用機房區(qū)12C冷水，冬季采用市政熱供熱。機房末端采用水冷式機房空調(diào)，為提高供冷效率，采用冷通道封閉。圖2屋面設(shè)備布置圖該方案滿足項目需求，空間利用緊湊，因此得到業(yè)主的認可，但在具體推進時遇見了一些問題。數(shù)據(jù)中心17版規(guī)范開始實施，該方案能滿足規(guī)范要求，經(jīng)深思熟慮，可在規(guī)范允許范圍內(nèi)進行一些改進。某通信科技公司作為該數(shù)據(jù)中心的使用者及運維方，提供了其服務(wù)器的實際運行工況：服務(wù)器可在送風溫度27°C,回風溫度39°C的情況下運行，不影響性能。根據(jù)以上項目特點，本項目重新進行方案設(shè)計，并在過程中需要解決兩個問題：1）主機房房間送回風溫度可以提高，送風溫度最高可提升至27C,根據(jù)前述，在此情況下，空調(diào)供回水溫度最高可以提升至17/23^左右，即提高了冷機中冷媒的蒸發(fā)溫度，而在冷凝溫度不變的情況下，提高蒸發(fā)溫度，可以大大提高冷機的COP，同時，提高了供回水溫度，可以顯著延長冬季使用室外冷源自然冷卻的時間，減少機械制冷時間。由于供回水溫差不變，因此對輸送系統(tǒng)（冷源系統(tǒng)的水泵及其他配套設(shè)施）選型影響不大，房間送回風溫差仍然可以達到12C，對末端機房空調(diào)選型影響不大（經(jīng)與廠家驗證，機房空調(diào)同一型號進行修正后對其出力有影響，但差異不大），在輸送系統(tǒng)和末端用電量基本不變的情況下，減少了制冷主機用電量，可以大幅減少項目總用電量。在此工況下，蒸發(fā)溫度的提高，導致制冷機組壓縮機的蒸發(fā)壓力提高，制冷系統(tǒng)的壓縮比顯著減小[3],對制冷機組要求較高，需要確定廠家是否生產(chǎn)如此高水溫的機型。經(jīng)過咨詢，主流的風冷冷水機組均可以生產(chǎn)17/23°C的機組，因此，初步確定，機房區(qū)供回水采用17/23°C的水溫。2）根據(jù)17版規(guī)范，輔助區(qū)的允許溫度范圍仍然與舊規(guī)范相同，為18~28C,不間斷電源系統(tǒng)電池室溫度雖然有所提高，但是也沒有超過30°C,因此，17/23C的供回水溫度情況下，機房區(qū)能夠滿足要求。如果要維持輔助區(qū)（包括電池室）在規(guī)范規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，末端機房空調(diào)的選型會有困難。另有人員辦公區(qū)域還需設(shè)計一部分常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，夏季的新風也需要設(shè)計一些低溫冷源用于降溫除濕?；谝陨锨闆r，重新估算空調(diào)冷負荷如表2:表2空調(diào)負荷估算表？根據(jù)表2，考慮以下幾個方案備選：方案一：機房區(qū)設(shè)置供回水溫度17/231的高溫冷水系統(tǒng)，機房輔助區(qū)和新風機組使用冷媒直膨機組，辦公區(qū)使用VRF系統(tǒng)。方案二：機房區(qū)設(shè)置供回水溫度17/23°C高溫冷水系統(tǒng)，為輔助區(qū)單獨設(shè)置一套供回水溫度12/18C的較低溫度冷水系統(tǒng)，新風機組和辦公區(qū)使用一套供回水溫度6/12C的低溫冷水系統(tǒng)。方案三：機房區(qū)設(shè)置供回水溫度17/23C的高溫冷水系統(tǒng)，輔助區(qū)和辦公區(qū)及新風機組合用一套供回水溫度6/12C的低溫冷水系統(tǒng)。其中，方案一需要使用大量冷媒直膨機組，室外機所占區(qū)域過大，經(jīng)過實際擺放，屋面空間不夠。方案二設(shè)置了三套冷水系統(tǒng)，管道的布置和運行時各個系統(tǒng)的分項控制過于復雜，造價較高。最終選擇方案三。方案三具體設(shè)置為：兩套冷源系統(tǒng)，一套系統(tǒng)供回水溫度17/23C,采用帶自然冷卻蒸發(fā)冷風冷冷水機組，為IT主機房服務(wù)，機組為1300kW（標況）x6臺，五用一備，全年供冷。另一套系統(tǒng)供回水溫度6/12C，采用帶自然冷卻蒸發(fā)冷風冷冷水機組，為機房輔助區(qū)、辦公及新風服務(wù)，機組為1300kW（標況）x2臺，保證動力部分供冷量基本達到一用一備，全年供冷，為辦公及新風服務(wù)的水管冬季采用閥門關(guān)斷，連接入市政熱供熱。設(shè)置1臺室外開式蓄冷罐，蓄冷容量保障IT設(shè)備15min持續(xù)供冷需求，儲存17C冷水。風冷冷水機組失電時，蓄冷罐作為冷源向機房區(qū)放冷。采用一級泵變流量系統(tǒng)，風冷冷水機組設(shè)置于屋面，泵房及其他輔助設(shè)備設(shè)置于地下二層冷熱源機房。機房末端采用水冷式機房空調(diào)，由于回風溫度較高，考慮機房整體環(huán)境溫度，采用熱通道封閉。調(diào)整后屋面布局如圖3所示。圖3調(diào)整后屋面設(shè)備布置圖該系統(tǒng)主要優(yōu)點如下：①由于設(shè)置了兩套冷源系統(tǒng)，解決了不同功能區(qū)域、不同設(shè)備的設(shè)計溫度要求不一致的問題。②在可能的范圍內(nèi)盡量使用能效較高的高溫冷水機組，減少全年的能耗。③采用帶自然冷卻蒸發(fā)冷風冷冷水機組，可以最大限度減少壓縮機的開機時間和滿負荷運轉(zhuǎn)時間，降低能耗。④蓄冷罐的容量僅保證核心IT區(qū)的緊急供冷，因此同樣蓄冷容量可以保證更長時間的蓄冷時間，增加系統(tǒng)安全性。原方案全年計算耗電量7581萬kWh，調(diào)整后方案全年計算耗電量6969萬kWh，原方案暖通系統(tǒng)總投資約為3974.37萬元，修改方案后暖通總投資約為4015.79萬元，投資增加了約41.42萬元（其中，由于調(diào)整了建筑布局及IT機柜密度，修改后方案末端機房空調(diào)投資與原方案相比減少約200萬元），綜合來看，投資增加較少，節(jié)電量巨大。3結(jié)論及思考1） 基于現(xiàn)在整個IT行業(yè)的飛速發(fā)展包括數(shù)據(jù)中心規(guī)范的相應(yīng)變遷，數(shù)據(jù)機房的水系統(tǒng)可以采用更高的供回水溫度，因此高溫冷水機組的應(yīng)用會更加廣泛，高溫冷水機組搭配蒸發(fā)冷卻及自然冷卻等節(jié)能方式可以使系統(tǒng)的節(jié)能潛力得到更好的發(fā)揮。2） 基于IT機房回風溫度的提高，為了同時兼顧機房工作人員的舒適度，在今后的數(shù)據(jù)中心設(shè)計中可以更多的考慮熱通道封閉的方式，同時，熱通道回風溫度越來越高，運維人員在熱通道內(nèi)進行設(shè)備的維修維護時將面臨較為惡劣的工作環(huán)境。根據(jù)一些統(tǒng)計結(jié)果表明，數(shù)據(jù)中心的工藝設(shè)備運行時負荷并未達到設(shè)計值，此時可以嘗試在機房內(nèi)采用定風量變溫差的控制調(diào)節(jié)方式對回風溫度進行調(diào)整或重新設(shè)定，以此改善運維時的工作環(huán)境。3） 每個數(shù)據(jù)機房都是一個獨立的個體，業(yè)主的需求和使用方的要求更多有不同，在設(shè)計中需要更多挖掘數(shù)據(jù)中心的實際狀況，考慮每個項目的特色，