世源科技工程有限公司 吳天昊

華東建筑設(shè)計(jì)研究總院 孟 強(qiáng)

0 引言

數(shù)據(jù)中心是為集中放置的電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的建筑場(chǎng)所，是為金融交易、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊等高端信息化產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的重要組成部分。中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)2020年3月4日召開(kāi)會(huì)議，要求加快推進(jìn)國(guó)家規(guī)劃已明確的重大工程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度[1]。

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]及Uptime Institute(國(guó)際正常運(yùn)行時(shí)間協(xié)會(huì))的分級(jí)要求，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)中心電力及信息設(shè)備安全運(yùn)行的重要組成。蓄電池室是數(shù)據(jù)中心放置不間斷電源系統(tǒng)后備電池的房間，承擔(dān)數(shù)據(jù)中心市電斷電至柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)期間的應(yīng)急電源的功能，該類房間的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。但實(shí)際工程中由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)蓄電池室的通風(fēng)換氣次數(shù)要求不同，其通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)方案也具有爭(zhēng)議。本文通過(guò)對(duì)蓄電池的特點(diǎn)、析氫量、散熱量及應(yīng)用場(chǎng)景的分析，總結(jié)數(shù)據(jù)中心蓄電池室的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 蓄電池的特點(diǎn)

蓄電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，按可再充電設(shè)計(jì)的電池，通過(guò)可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再充電。表1給出了主流蓄電池按充放電化學(xué)反應(yīng)的分類比較。

表1 不同類型蓄電池比較

鉛酸電池因其技術(shù)成熟、成本低廉、應(yīng)用廣泛及可回收等因素，在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。其中，固定型閥控式鉛酸蓄電池因其酸霧、氫氧析出量少，免維護(hù)等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多。本文結(jié)合固定型閥控式鉛酸蓄電池(以下簡(jiǎn)稱蓄電池)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景，分析蓄電池室的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 蓄電池室通風(fēng)設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池在運(yùn)行時(shí)會(huì)析出少量氫氣，GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》將蓄電池劃分為ⅡC級(jí)[3]，當(dāng)蓄電池室通風(fēng)良好時(shí)可劃分為非危險(xiǎn)區(qū)域，因此蓄電池室需設(shè)計(jì)平時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)[4]。

2.1 通風(fēng)要求

蓄電池室通風(fēng)的相關(guān)要求主要體現(xiàn)在電氣及暖通專業(yè)，現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓄電池通風(fēng)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求如表2所示。

表2 現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓄電池室通風(fēng)要求

由表2可知，現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)規(guī)范未對(duì)蓄電池種類進(jìn)行分類說(shuō)明，且對(duì)通風(fēng)換氣設(shè)計(jì)要求為0.5～12.0 h-1不等，可能導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)時(shí)通風(fēng)量取值偏大。雖然上述規(guī)范間存在著不同的通風(fēng)要求，但其設(shè)計(jì)原則都是通過(guò)采用通風(fēng)措施來(lái)稀釋蓄電池充電過(guò)程中逸散的氫氣，以防止其積聚至爆炸極限[9]。

2.2 蓄電池析氫量分析

蓄電池析氫的主要原因是蓄電池過(guò)充電，鉛酸蓄電池充電時(shí)總反應(yīng)式為2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+2H2SO4，當(dāng)蓄電池充電接近完成且大部分PbSO4已經(jīng)被轉(zhuǎn)化為Pb和PbO2時(shí)，過(guò)充反應(yīng)就開(kāi)始為2H2O→2H2+O2。

參考18DX009《數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)與安裝》中蓄電池室設(shè)備布置示意圖[10]，結(jié)合工程實(shí)例，典型蓄電池室平面示意圖見(jiàn)圖1。蓄電池室長(zhǎng)8.8 m、寬5.9 m、層高4.0 m，內(nèi)設(shè)4組電池架，每組電池架為4層，每層放置40節(jié)150 A·h(10 h放電率)蓄電池。以GB/T 19638.2—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第2部分：產(chǎn)品品種和規(guī)格》表2中6-GF-150I為例[11]，蓄電池尺寸為483 mm(長(zhǎng))×170 mm(寬)×240 mm(高)，直流開(kāi)關(guān)柜尺寸為600 mm(長(zhǎng))×400 mm(寬)×1 600 mm(高)。

蓄電池室空氣總體積(V)=空間總體積-設(shè)備體積=193.5 m3，蓄電池總?cè)萘緾10=96 000 A·h。

根據(jù)GB/T 19638.1—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件》第5.2.1條的規(guī)定，出廠合格的蓄電池需符合以下技術(shù)要求[12]：

1) 在20 ℃及單體蓄電池電壓為Uflo(Uflo為蓄電池或蓄電池組的浮充充電電壓，數(shù)值由制造商確定，V)浮充條件下，氣體析出量Ge≤0.04 mL/(A·h·h)；

2) 在20 ℃及單體蓄電池電壓為2.40 V浮充條件下，氣體析出量G′e≤1.70 mL/(A·h·h)。

在蓄電池室不設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)的情況下，假設(shè)蓄電池析出的氣體全部為氫氣(實(shí)際為氫氧混合)，計(jì)算析氫量和達(dá)到氫氣爆炸濃度下限(4%)時(shí)所需的時(shí)間。

Uflo浮充條件下的析氫量Ve為

Ve=GeC10

(1)

達(dá)到氫氣爆炸下限所需的時(shí)間T為

(2)

計(jì)算可得，Uflo浮充條件下達(dá)到氫氣爆炸下限需84 d，2.40 V浮充條件下達(dá)到氫氣爆炸下限需2 d。2.40 V浮充通常只發(fā)生在電池均充的部分狀態(tài)，時(shí)長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)10 h。因此在正常使用且產(chǎn)品合格的情況下，數(shù)據(jù)中心蓄電池室采用固定型閥控式鉛酸蓄電池時(shí)的析氫速率是非常緩慢的。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析可得：YD 5003—2014《通信建筑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和T/CECS 487—2017《數(shù)據(jù)中心制冷與空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]提出的0.5～1.0 h-1換氣次數(shù)要求較為符合析氫分析中實(shí)際所需換氣量，而部分國(guó)家規(guī)范要求的6 h-1及以上的換氣次數(shù)則遠(yuǎn)大于實(shí)際所需換氣量。

數(shù)據(jù)中心蓄電池室采用0.5～1.0 h-1的平時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)既可將充電過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣及時(shí)排出，又可維持房間負(fù)壓、防止氫氣擴(kuò)散，保障數(shù)據(jù)中心整體的安全可靠運(yùn)行。

此外，由于GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]及GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中均提到：“對(duì)可能突然放散大量有毒氣體、有爆炸危險(xiǎn)氣體或粉塵的場(chǎng)所，應(yīng)設(shè)置事故通風(fēng)系統(tǒng)”，關(guān)于蓄電池室是否需要設(shè)置事故通風(fēng)，工程中經(jīng)常會(huì)提出質(zhì)疑。上述計(jì)算表明，數(shù)據(jù)中心所采用的固定型閥控鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中不存在突然放散大量爆炸危險(xiǎn)氣體的情況，且蓄電池本身不儲(chǔ)存大量爆炸危險(xiǎn)氣體；由于蓄電池安全閥的存在，過(guò)充電情況下電解水產(chǎn)生的氫氣大部分仍在蓄電池內(nèi)部并與氧氣進(jìn)行再化合反應(yīng)。因此，建議數(shù)據(jù)中心蓄電池室可不設(shè)置事故通風(fēng)系統(tǒng)，但工程設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)征詢建設(shè)運(yùn)營(yíng)方及當(dāng)?shù)貙張D機(jī)構(gòu)的意見(jiàn)。

歸納相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采取以下措施：

1) 通風(fēng)系統(tǒng)吸風(fēng)口上緣至蓄電池室頂棚的距離不大于0.1 m[13]；

2) 通風(fēng)機(jī)采用防爆風(fēng)機(jī)，風(fēng)管及閥門(mén)采取防靜電接地等措施；

3) 通風(fēng)機(jī)采用備份設(shè)計(jì)[14]，自控系統(tǒng)具有故障報(bào)警及自動(dòng)切換功能；

4) 通風(fēng)機(jī)采取常開(kāi)運(yùn)行策略，有條件時(shí)可采取間歇運(yùn)行策略；

5) 通風(fēng)機(jī)間歇運(yùn)行時(shí)，通風(fēng)機(jī)與氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連鎖，當(dāng)蓄電池室氫氣濃度達(dá)爆炸下限值的10%時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，當(dāng)蓄電池室氫氣濃度降低至傳感器探測(cè)范圍下限時(shí)停止通風(fēng)機(jī)。

由于蓄電池室全年都需維持相對(duì)恒定的環(huán)境溫度，因此蓄電池室空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行。通過(guò)數(shù)據(jù)中心DCIM(數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理)系統(tǒng)與通風(fēng)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)，蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)的控制邏輯可進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最大程度降低蓄電池室通風(fēng)帶來(lái)的冷熱量損失，在保證數(shù)據(jù)中心安全的前提下，使蓄電池室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行更加高效節(jié)能。

3 蓄電池室空調(diào)設(shè)計(jì)

固定型閥控式鉛酸蓄電池的容量及使用壽命與環(huán)境溫度緊密相關(guān)(見(jiàn)表3)，因此數(shù)據(jù)中心蓄電池室環(huán)境溫度相較于一般配電房的要求較高，GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定不間斷電源系統(tǒng)電池室溫度為20～30 ℃[2]。

表3 閥控式鉛酸蓄電池容量及使用壽命與溫度變化關(guān)系

3.1 空調(diào)負(fù)荷

數(shù)據(jù)中心蓄電池室的空調(diào)負(fù)荷主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗冷(熱)量，照明、人體的散熱量，蓄電池及其他內(nèi)熱源設(shè)備的散熱量，房間通風(fēng)的耗冷(熱)量，房間滲透空氣的耗冷(熱)量組成。大部分空調(diào)負(fù)荷都可以按所處地區(qū)的熱工參數(shù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算。

3.2 蓄電池散熱量分析

對(duì)于蓄電池的散熱量部分，工程實(shí)踐中多以蓄電池充電功率的損耗進(jìn)行估算，但是在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行期間蓄電池存在多種狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)散熱量也不斷變化。

鉛酸蓄電池在充電和放電時(shí)都會(huì)伴隨著熱效應(yīng)，其中為克服蓄電池兩極極化和電池內(nèi)阻而損失的電壓降將全部轉(zhuǎn)換為熱量，此時(shí)蓄電池內(nèi)部狀態(tài)一直處于變化中，所以發(fā)熱量的計(jì)算非常復(fù)雜。采用某一線品牌蓄電池廠家樣本中提供的發(fā)熱量數(shù)值進(jìn)行分析，以圖1蓄電池室中選用的6-GF-150I(相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4)為例。從表4可以看出，蓄電池浮充時(shí)散熱量非常小，而均充時(shí)散熱量則會(huì)增大至20倍左右，且蓄電池的散熱量會(huì)隨著使用時(shí)長(zhǎng)不斷變大。

表4 25 ℃時(shí)某品牌6-GF-150I型12 V單只電池散熱量 W

數(shù)據(jù)中心蓄電池作為不間斷供電系統(tǒng)的后備儲(chǔ)能，平時(shí)處于浮充狀態(tài)；當(dāng)市電斷電后，蓄電池進(jìn)入15 min應(yīng)急放電狀態(tài)；當(dāng)市電恢復(fù)后，蓄電池轉(zhuǎn)為均充狀態(tài)且持續(xù)10 h左右；當(dāng)均充完畢后，蓄電池重新進(jìn)入浮充狀態(tài)。由于蓄電池放電過(guò)程復(fù)雜多變，難以定量分析且持續(xù)時(shí)間較短，蓄電池在短時(shí)間內(nèi)可以耐受高溫，因此工程中一般不考慮該過(guò)程蓄電池散熱量。

以2.2節(jié)中的蓄電池室模型為例，參考表4的散熱量數(shù)據(jù)，對(duì)蓄電池浮充及均充過(guò)程的散熱量進(jìn)行計(jì)算。

浮充狀態(tài)下蓄電池總散熱量Qf為

Qf=NQsf

(3)

浮充狀態(tài)下蓄電池單位面積散熱量Q′f為

(4)

式(3)、(4)中N為蓄電池室中單體蓄電池?cái)?shù)量；Qsf為單體蓄電池(新)在浮充狀態(tài)下的散熱量，W；S為蓄電池室的總面積，m2。

均充狀態(tài)下蓄電池總散熱量Qj為

Qj=NQsj

(5)

均充狀態(tài)下蓄電池單位面積散熱量Q′j為

(6)

式(5)、(6)中Qsj為單體蓄電池(新)在均充狀態(tài)下的散熱量，W。

經(jīng)計(jì)算，Qf=1.31 kW，Q′f=25 W/m2，Qj=27 kW，Q′j=520 W/m2。

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析：

1) 蓄電池在浮充時(shí)散熱量較小，單位面積的設(shè)備散熱量?jī)H25 W/m2左右，此時(shí)的蓄電池室有別于其他電氣設(shè)備用房全年空調(diào)制冷或通風(fēng)降溫的運(yùn)行模式。當(dāng)數(shù)據(jù)中心建筑位于北方地區(qū)或蓄電池室處于建筑物外區(qū)時(shí)，冬季蓄電池通過(guò)自身散熱可能無(wú)法維持20～30 ℃的環(huán)境溫度，此時(shí)應(yīng)采取供暖措施以保證蓄電池穩(wěn)定運(yùn)行。

2) 蓄電池在均充時(shí)散熱量較大，單位面積散熱量高達(dá)500 W/m2左右,與低密度數(shù)據(jù)機(jī)房相當(dāng)。盡管均充時(shí)間段在全年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)中占比極小，但若不及時(shí)設(shè)置對(duì)應(yīng)散熱量的降溫措施將導(dǎo)致蓄電池室過(guò)熱，若蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)熱及電流焦耳熱不能及時(shí)釋放，溫度和電流則會(huì)形成正反饋，導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象并使電池膨脹報(bào)廢。

因此在蓄電池室空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)按下列原則考慮：

1) 計(jì)算蓄電池室夏季空調(diào)負(fù)荷時(shí)，按蓄電池均充散熱量進(jìn)行取值；

2) 計(jì)算蓄電池室冬季空調(diào)負(fù)荷時(shí)，按蓄電池浮充散熱量進(jìn)行取值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否需要供暖措施。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓄電池室冷熱負(fù)荷確定后，根據(jù)房間負(fù)荷需求及可供使用冷熱源來(lái)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)中心建筑全年以供冷為主，除人員辦公區(qū)外基本無(wú)供熱需求，且大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心無(wú)集中供能條件。數(shù)據(jù)中心本身配備有強(qiáng)大的電網(wǎng)供電能力，故適合采用電動(dòng)壓縮式機(jī)組作為冷源，大中型數(shù)據(jù)中心通常采用水冷/風(fēng)冷冷水機(jī)組提供空調(diào)冷水，小型數(shù)據(jù)中心則采用單元式電壓縮制冷空調(diào)機(jī)組。當(dāng)蓄電池室存在供熱需求，應(yīng)優(yōu)先考慮采用單元式電壓縮熱泵空調(diào)機(jī)組作為熱源，若所在地區(qū)無(wú)法利用熱泵時(shí)可考慮采用電加熱作為熱源。

當(dāng)空調(diào)機(jī)組設(shè)置于蓄電池室專用空調(diào)區(qū)或非蓄電池內(nèi)時(shí)，可采用立式或吊掛式空調(diào)機(jī)組，通過(guò)上送側(cè)下回或上送上回的氣流組織對(duì)房間溫度進(jìn)行控制；當(dāng)空調(diào)機(jī)組設(shè)置于蓄電池室內(nèi)時(shí)，應(yīng)采用立式空調(diào)機(jī)組并在空調(diào)四周做好防濺水措施，不應(yīng)采用吊掛式空調(diào)機(jī)組，防止高位冷水或冷凝水飛濺及滴落導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞。蓄電池室空調(diào)設(shè)置還應(yīng)遵循GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中N+X(X=1～N)的冗余要求[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心的蓄電池是不間斷電源系統(tǒng)的重要保障，確保了通信及電子信息設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等重大影響。根據(jù)數(shù)據(jù)中心蓄電池的應(yīng)用場(chǎng)景，分析了蓄電池的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了數(shù)據(jù)中心蓄電池室通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)的建議：

1) 蓄電池室通風(fēng)采用0.5～1.0 h-1的平時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)；

2) 蓄電池室通風(fēng)采用常開(kāi)或間歇運(yùn)行控制，間歇運(yùn)行時(shí)與氫氣濃度監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制；

3) 蓄電池室夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)采用蓄電池均充散熱量，冬季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)采用蓄電池浮充散熱量；

4) 蓄電池室冬季僅靠設(shè)備散熱無(wú)法維持室溫時(shí)，應(yīng)增加空調(diào)制熱措施。

蓄電池行業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)中心采用鋰電池備電，因此工程實(shí)踐中還應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際采用的蓄電池種類及其特點(diǎn)，綜合考慮暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足數(shù)據(jù)中心可靠、高效、節(jié)能等要求。