沈錚

北京市市政工程設(shè)計研究有限公司

0 引言

隨著整個社會信息化進程的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)信息已經(jīng)成為許多行業(yè)正常工作的重要組成部分。數(shù)據(jù)的處理、儲存、傳遞都需要高性能的計算機數(shù)據(jù)處理以及與之相配套的數(shù)據(jù)機房。各類建筑，如政府機關(guān)、銀行、網(wǎng)絡(luò)公司、科研機構(gòu)等，其數(shù)據(jù)中心的建設(shè)量日益加大，不論是規(guī)模還是數(shù)量上，都呈快速增長態(tài)勢。

數(shù)據(jù)中心按規(guī)模分類，目前還沒有統(tǒng)一的界定方法。我國《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2008）[1]中無按面積分類的提法，目前該規(guī)范已有新版[2]，在新版中也無規(guī)定。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴大，當今的大中型數(shù)據(jù)中心已不斷出現(xiàn)。

一般而言，建筑面積小于200 m2稱為小型數(shù)據(jù)中心；建筑面積在200～500 m2之間為中型數(shù)據(jù)中心。建筑面積在500～2000 m2之間為中、大型數(shù)據(jù)中心。建筑面積在2000～10000 m2為大型數(shù)據(jù)中心。建筑面積大于10000 m2則稱為超大數(shù)據(jù)中心。

從近幾年的發(fā)展情況上看，新建數(shù)據(jù)中心在數(shù)量上主要在500 m2以下的中、小型數(shù)據(jù)中心，約占90%。但從規(guī)模上看，各個規(guī)模的面積比例呈均衡發(fā)展的狀態(tài)，其中2000 m2以上的大型、超大型的新建面積將近40%。可以看出，大型、超大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，盡管在數(shù)量上較少，但在規(guī)模上占有重要的比例，從發(fā)展趨勢上看，這一比例還會繼續(xù)擴大。

大量數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)的建筑空調(diào)行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心耗電量大、發(fā)熱密度高，特別是隨著規(guī)模的擴大，這一特點尤為突出。因而，對于大型、超大型數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)計，絕不能簡單等同于多個小型數(shù)據(jù)中心的疊加。

數(shù)據(jù)中心的熱濕負荷特性以及空調(diào)設(shè)計都具有明顯的特點[3]。由于機房中設(shè)備裝機功率大，機柜的散熱量大且集中，但機房內(nèi)部的散濕量極小。因此數(shù)據(jù)中心的散熱中顯熱占絕大多數(shù)，而散濕小，熱濕比近似無窮大，空調(diào)的處理過程可近似為等濕降溫過程。送風焓差小，風量大。因此在空調(diào)工程的設(shè)計上有較大難度。為了提高送風效率，大部分數(shù)據(jù)機房都選擇下部地板送風方式對發(fā)熱設(shè)備進行冷卻。在實際工程中，大型和大中型以下的數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用案例較多，在文獻中也均有介紹[4-7]。而超大型數(shù)據(jù)中心的設(shè)計案例則介紹較少。

相比于一般規(guī)模的數(shù)據(jù)機房而言，超大型機房的空調(diào)設(shè)計難度更大。由于熱源集中，且占地面積更大，因此在布置送風管道及氣流組織方面更加困難，同時也要求更高。建筑主要功能空間大多是數(shù)據(jù)機房，其他部位屬配套功能，熱量需求小，因此機房排出的余熱不易在同建筑中利用，只能排出室外，但又由于路由問題，排出不易組織好。超大型機房的重要級別往往都屬A 類，若系統(tǒng)出現(xiàn)問題將造成重大經(jīng)濟損失或造成公共場所秩序的嚴重混亂，對運行保障性要求極高，因此在設(shè)計中如何平衡節(jié)能，新技術(shù)應(yīng)用與保留冗余、保障安全則是一個重要的問題。

1 工程概況

本工程位于北京市城區(qū)，為一國有大型商業(yè)銀行的擴建項目?，F(xiàn)有用地內(nèi)已建有該銀行辦公樓（14 層）及入口大堂（1 層），其總建筑高度72 m，總建筑面積47500 m2。此次擴建的新增總建筑面積47175 m2，包括主樓及裙房，其中主樓為一類高層建筑，在現(xiàn)狀大堂西側(cè)相鄰貼建，地上16 層，地下共4 層，建筑高度80 m，為數(shù)據(jù)機房及操作控制用房。裙房位于現(xiàn)狀辦公樓南側(cè)，地上5 層，地下二層，建筑高度23.4 m，為配套生活服務(wù)用房。

該工程的主要功能房間為數(shù)據(jù)機房，機房實際面積超過20000 m2，標準層建筑平面圖如圖1 所示。因此，空調(diào)工程的設(shè)計成為了該工程設(shè)計中的重點。本文將對該工程的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進行闡述。

圖1 標準層平面圖

2 空調(diào)負荷分析

2.1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

對于超大型數(shù)據(jù)中心建筑而言，建筑的主要功能房間是數(shù)據(jù)機房。但除了主要功能的數(shù)據(jù)機房以外，還需要有大量其他功能的房間，如：辦公、餐飲、車庫等，以滿足數(shù)據(jù)中心正常運行維護所需。本建筑中，將主要空調(diào)房間分為兩類：數(shù)據(jù)機房屬工藝性空調(diào)房間，其室內(nèi)設(shè)計參數(shù)按照數(shù)據(jù)機房的工藝性要求選取。其他辦公、餐飲等房間屬舒適性空調(diào)房間，室內(nèi)參數(shù)按照普通舒適性房間的要求選取。

工藝性空調(diào)部分（數(shù)據(jù)機房）的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，其溫度、濕度指標均執(zhí)行A 級標準，如表1 所示。舒適性空調(diào)部分的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，如表2 所示。

表1 電子計算機組開機時室內(nèi)設(shè)計參數(shù)（A 級）

表2 舒適性空調(diào)部分的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2.2 冷熱負荷

在數(shù)據(jù)機房建筑中，通常室外環(huán)境對室內(nèi)的影響較小，空調(diào)的熱濕負荷主要來自于室內(nèi)。機柜設(shè)備散熱量大且熱源集中，需全年向外排熱，即使在冬季也有相當大的冷負荷。機柜設(shè)備無散濕量，主機房內(nèi)的散濕量主要來自于工作人員，而大中型電子計算機主機房內(nèi)工作人員較少，因此主機房內(nèi)的散濕量很小，同時新風負荷也較小。此外，主機房對照明的要求通常不高，因而機房內(nèi)照明負荷與設(shè)備用電負荷相比很低，照明發(fā)熱量不大。大中型電子計算機一般都全年內(nèi)長時間連續(xù)運行，在計算主機房內(nèi)的負荷時可按開機時的要求進行設(shè)計。在本工程中，電子計算機房的新風量取機房空調(diào)總循環(huán)風量的5%。

歸納起來，機房空調(diào)的熱濕負荷主要包括以下內(nèi)容：機房內(nèi)電子計算機和其它設(shè)備的散熱；人體散熱、散濕；照明裝置散熱；新風負荷；建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱以及太陽輻射得熱。

圖2 顯示了本建筑全樓冷熱負荷的計算結(jié)果?？梢钥闯觯瑪?shù)據(jù)中心夏季最大冷負荷為8322 kW，而冬季沒有熱負荷，充分反映出了數(shù)據(jù)中心的負荷特點。對于其他房間的舒適性空調(diào)而言，冷熱負荷較為匹配，夏季最大冷負荷為2075 kW，冬季最大熱負荷為2713 kW?？梢钥闯?，全樓冷負荷最大的部分為數(shù)據(jù)中心，其冷負荷比例為全樓冷負荷的80.04%。

圖2 全樓空調(diào)負荷

在數(shù)據(jù)中心中，除了數(shù)據(jù)機房以外，還包括一些輔助性用房，主要有UPS 室、以及值班控制室。圖3 顯示了本建筑中工藝性空調(diào)（數(shù)據(jù)中心）冷負荷的構(gòu)成?？梢钥闯鰯?shù)據(jù)機房負荷所占比例最大，達到72.67%；其次為UPS 室，比例為17.02%，二者相加，達到了數(shù)據(jù)中心負荷的約90%。在一般數(shù)據(jù)中心設(shè)計中，UPS室的規(guī)模往往較小，但在大型、超大型數(shù)據(jù)中心中，UPS 室的發(fā)熱量顯著提高，因而不能忽視。

圖3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)負荷

圖4 其他房間空調(diào)負荷

在本建筑中，辦公、餐廳等其他舒適性房間的夏季和冬季負荷分布情況見圖4。由于本項目中新風機組為統(tǒng)一設(shè)置，同時負擔樓內(nèi)所有房間的新風負荷，因而此處將新風負荷計入舒適性空調(diào)負荷范圍。在本工程中，冷、熱負荷中比例最大為新風負荷，分別占到了舒適性空調(diào)冷、熱負荷的65.25%和55.33%?？梢钥闯?，超大型數(shù)據(jù)中心建筑中，舒適性空調(diào)負荷總體所占比重較小，其中50%以上為新風負荷。

3 系統(tǒng)形式選擇

3.1 冷源

本項目制冷及采暖采用集中冷熱源方式。冷源采用離心式冷水機組，制冷機房設(shè)在地下二層；熱源采用市政熱力，熱交換站設(shè)置在地下二層，提供全樓冬季空調(diào)及采暖二次熱水（60/50 ℃）。夏季空調(diào)冷源采用3 臺電動式水冷離心式冷水機組,每臺冷水機組制冷量為3868 kW，總制冷量為11604 kW?？照{(diào)冷凍水供回水溫度為7/12 ℃?？照{(diào)冷凍水系統(tǒng)采用一次泵負荷側(cè)變流量系統(tǒng)。

屋頂設(shè)12 臺超低噪聲方型橫流冷卻塔，冬夏均使用，考慮到在冬季數(shù)據(jù)機房仍然需要向外排熱，系統(tǒng)在冬季采用冷卻塔進水機組供冷；在夏季28 ℃濕球溫度下，12 臺冷卻塔總處理水量1995 m3/h，保證進塔38 ℃，出塔32 ℃。在冬季（11 月至次年2 月），采用室外天然冷源，通過冷卻塔-板式換熱器提供冷水。12臺冷卻塔在濕球溫度0 ℃下，總處理水量1270 m3/h，保證進塔12 ℃，出塔7 ℃。此外，裙房屋頂新增冷卻塔共6 臺，在濕球溫度0 ℃下，總處理水量828 m3/h，保證進塔12 ℃，出塔7 ℃。處于節(jié)能調(diào)控考慮，各冷卻塔風扇電機均可變頻調(diào)速。

處于對數(shù)據(jù)機房安全性保障的考慮，空調(diào)系統(tǒng)進行了冗余設(shè)計。所謂冗余，是指空調(diào)系統(tǒng)中重復配置一定的設(shè)備，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的設(shè)備投入使用，承擔故障設(shè)備的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間。在本工程中，由于數(shù)據(jù)機房的重要性為A 類，因此空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計采用了N+N 的冗余設(shè)計，以達到設(shè)備互為備份的作用。各數(shù)據(jù)機房均采用雙冷源（冷凍水和直接蒸發(fā)式冷媒）的恒溫空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)的末端機組同時接空調(diào)冷凍水管和冷媒管道。在一般情況下，系統(tǒng)由離心式冷水機組通過冷凍水系統(tǒng)供冷；當遇有冷凍機組或水泵、管道等故障發(fā)生的情況下，切換至直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)供冷；在停電等情況發(fā)生時，由柴油發(fā)電機組供給計算機房用直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)工作。

3.2 末端

對于數(shù)據(jù)機房建筑，機房內(nèi)部的空調(diào)末端形式以及氣流組織設(shè)計，一直是影響空調(diào)效率和效果的重要部分。近年來，隨著數(shù)據(jù)機房的大量出現(xiàn)，國內(nèi)外也逐漸形成了比較成熟的室內(nèi)空調(diào)氣流組織的解決方案和相應(yīng)的專業(yè)設(shè)計團隊。這些解決方案針對不同規(guī)模、不同等級的數(shù)據(jù)機房，綜合考慮室內(nèi)環(huán)境控制與節(jié)能的需求。

在本建筑中，數(shù)據(jù)機房的空調(diào)末端采用架空地板下送風、上部回風的方式，同時根據(jù)機柜排布的順序，區(qū)分了空調(diào)送風的“冷通道”和“熱通道”，將送風口布置在機架正面的通道內(nèi)，使得由送風口送出的冷風，首先經(jīng)過機柜的處理器單元進行冷卻，然后加熱后的熱空氣穿過機架經(jīng)熱通道向上至回風口。這就形成正面的送風通道溫度低，而機架后面的排風通道溫度高。如圖5，這種氣流組織設(shè)計避免了冷熱空氣混合所帶來的效果降低，最大限度地提高了地板送風系統(tǒng)的送風效率。對于本建筑中辦公、餐廳等舒適性空調(diào)的室內(nèi)末端，則采用較為常規(guī)的新風加風機盤管系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度參數(shù)，且控制簡單，便于管理，是比較節(jié)能的空調(diào)方式。在冬季設(shè)采暖的房間，如廚房值班采暖等，均另設(shè)有散熱器。

圖5 數(shù)據(jù)機房空調(diào)氣流組織示意圖

此外，每層電子計算機房設(shè)置新風機組，以保證專用計算機房的正壓。按電子計算機房新風量的80%作為平時的排風量。同時，設(shè)置一套電子計算機房內(nèi)氣體滅火系統(tǒng)作用完畢后的專用排風系統(tǒng)，按5 次/h換氣次數(shù)計算。

4 結(jié)論

本文介紹了北京某超大型數(shù)據(jù)中心建筑的空調(diào)設(shè)計過程，對設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)進行了闡述，如空調(diào)室內(nèi)參數(shù)的確定，空調(diào)負荷的計算，以及室內(nèi)末端的選擇等。該工程的設(shè)計針對超大型數(shù)據(jù)中心的特點，考慮了其空調(diào)系統(tǒng)的安全保障性而進行了冗余設(shè)計，同時也采用了利用冬季冷卻塔供冷、室內(nèi)空調(diào)氣流組織布置等方法，提高運行效率，降低空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗。

該工程于2010 年12 月竣工投入使用，至今已近10 年時間，各項指標完全達到設(shè)計要求，節(jié)能效果顯著，得到各方好評，并獲得2010 年度國家優(yōu)質(zhì)工程銀質(zhì)獎。

本文中對于該項目空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計思路和設(shè)計過程，可供同類超大型數(shù)據(jù)中心建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參考。