数据中心新风系统设计的若干思考

   日期:2023-10-31     来源:北京瑞云智信    

        近年来,人们在生产和生活中对信息的依赖越来越高,使得数字信息技术飞速发展,需求不断扩大。数据中心的建设如火如荼,越来越多的设计院、暖通工程师加入到数据中心的建设之中。然而,数据中心机电系统与公共建筑机电系统有很大的区别,数据中心的工艺需求及应用特点决定了其机电系统的不同。对于没有数据中心设计经验的设计师来说,照搬公共建筑的机电系统设计思路是行不通的,并会对数据中心产生重大的安全隐患。本文就数据中心暖通设计常见的3个问题进行探讨。



        一、金融类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。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。不同等级的数据中心,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


      《Datacentersiteinfrastructuretier standard: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11.38㎡/机柜;③单机柜架空地板面积均值为3.26平方米/机柜;④建筑面积与架空地板面积比值均值为3.5。



        注:架空地板(含空调间)基数比值为数据中心建筑中规划的区域面积或 IT设备配电功率与架空地板的比值。



        注:单机柜基数比值为数据中心建筑中规划的区域面积或 IT 设备配电功率与 IT机柜个数的比值。以上统计数据可供金融类数据中心参考。


        二、新风系统设计问题数据中心建筑是为计算机系统和其他与之配套的设备提供工作空间的一类建筑,其服务对象是服务器和计算机。建筑中新风系统功能有别于一般办公建筑或人员大量活动的公共建筑中的新风系统。其新风供给主要目的是稀释室内环境污染物,防止外部灰尘进入主机房,维持机器运行环境的洁净要求。用新风维持室内正压则是最易于实现洁净控制的方式。施工图设计中新风量应按GB50174-2017《数据中心设计规范》第7.4.4条和第7.4.5条确定,但此规范未给出正压值与新风量的计算过程。实际设计时通常采用换气次数的经验数据,在0.7~1.5h-1之间选取,机房面积较大时取上限值。在常规设计中,新风经过冷热处理,只承担新风负荷,不负担室内负荷。将新风从室外状态直接处理到沿着室内状态点的等焓线与90%~95%相对湿度线的交点,之后沿着等焓线或者等温线处理至室内参数点。由于数据机房内不存在湿负荷,因此,数据机房内的机房精密空调只承担显热负荷,干工况运行。在数据机房的新风处理过程中,夏季若采用常规空调的做法,新风处理至室内等焓点,则有可能导致状态点的偏离,因此,在新风送至数据机房之前,需要将其除湿至室内的露点温度,然后送入数据机房空调间与回风混合,经机房精密空调机组降温处理后送至IT机柜区,夏季新风处理过程焓湿图见下图。



夏季新风处理工程焓湿图


       注:为室内状态点;W为室外状态点;O为新风冷却处理后警尔折了点;C为混风状态点。


       而在冬季,由于数据机房仍然供冷,若采用常规系统对新风升温至室内等焓点后再进行加湿处理,可能需要将新风升温至三四十℃甚至更高,然而,数据机房的IT模块内通常配置有加湿机组,新风不需要在新风机.html'>风机组处进行湿处理,只要保证送入室内之后不结露即可,因此,可以将新风沿等含湿量线处理到数据中心机房的露点温度附近,再送至数据机房空调间回风处,一部分回风经过加湿器加湿,一部分回风经过机房精密机组降温,两部分风混合后送入室内。冬季新风处理焓湿图见下图。



夏季新风处理工程焓湿图


  注:W1为新风加热处理后的送风状态点;L1为机房空调冷却处理后空气处态点;L2为加湿处理后空气状态点。


      数据机房新风系统的夏季冷源需要高品位的,一般采用制冷剂或者7℃/12℃冷水的常规冷源用于新风的降温除湿。常规冷水的制取做法有2种方式:采用风冷冷机组制取7℃/12℃的冷水;采用冷却塔+水冷冷水机组制取7℃/12℃冷水。数据机房新风系统的冬季热源温度不需要太高,因为只需要将室外新风沿等含湿量线加热到数据中心机房的露点温度(15℃左右)附近即可。因此,40℃以上的水温一般就可以满足冬季新风加热的需求。由于数据机房一年四季均产生大量热量,需要持续供冷,因此,综合以上新风处理的要求及数据机房本身的特殊性,从节能角度来说,若有条件,则可利用数据机房产热作为新风冬季热源。在利用机房余热的同时,减少其他能源的消耗。常采用水环热新风机组分散布置或水源热泵机组集中供冷供热。另外,为了节能,还可预热新风,采用空气空气换热回收的方式,用机房内温度较高的空气对室外新风进行预热。数据机房的新风处理状态与办公建筑区别较大,主要是夏季水盘管(或制冷剂盘管)制冷量较大,故在设备采购时应格外注意,避免项目在实际运行中出现机房湿度大、控制不住的问题。而且现在数据中心节能要求高,中高温冷水应用越来越多,机房空调基本没有除湿能力,避免夏季新风处理不到位。三、空调系统测量装置问题数据中心能耗很大,开源节流非常重要。暖通空调的节能及能源管理是数据中心管理的重中之重。在数据中心空调系统中,传感器.html'>传感器用于测量温度、流速、电流、电压、压力、湿度等参数,各测量装置通常组成一个监测系统,信息被相应的软件收集进而整合展示一装置(例如,数据中心的子系统)、一个设施或者一个企业的整体信息。显然,由于有大量不同类型的软件,需要能实现不同传感器、测量装置通讯交流的能力。



        传感器和测量仪器有不同的外形、精确度和连接形式。表中给出了数据中心关键子系统、每个子系统的主要部件及每个子系统需要测量的关键变量。传感器的选择需要考虑的因素包括:测量品质(准确性、精度、趋势、响应速率)、数量、测量方法需求、输出信号需求(或者信号控制)、测量范围、衰减率、数据记录装置容量等,以方便投资、电源等资源的规划。传感器的准确度是最重要的,设计及使用人员应给予重视。数据中心常用传感器特性见下表。



        测量数据不准确会对能耗产生很大影响。例如,冷水供水温度测量不准确读数偏高0.56℃,导致冷水实际温度降低0.56℃,为了维持这个错误的供水温度导致制冷机功耗增加2%~4%。不了解设备真实的温度不仅可能导致能源的浪费,更严重的是,可能因为超过许可的运行范围而损坏机器。错误的数据主要是由于温度传感器、压力传感器、流量仪测量不准确和人工错误(如读数或操作错误等)造成的。下面举例说明不准确的数据对能效的影响。假设1台制冷机设计冷量为2.11MW(600rt),460V下满载电流500A,功率因数0.9,产生5.6℃温差,流量327m³/h,设计能效比为5.88。如果制冷机的蒸发器液温传感器的读数低了0.56℃,蒸发器出口水温传感器读数高了0.56℃,出现一个1.1℃的错误。此时计算能效比为4.71。4.71除以5.88为80%。即1.1℃的错误会导致制冷机的能效降低20%。上述例子中的测量误差会影响设备的运行维护方案,产生不准确的能耗分析,制冷站负荷曲线偏离实际需求20%,使得制冷机容量选择变得困难。对于1台80%负荷率为额定负荷率的2.11MW(600rt)制冷机,运行在50%的负荷率下,一天24h、365d运行,按电价1元/(kW·h)计算,全年会损失415200元。由此可以看出传感器和测量装置校对对所需精准度的重要性。四、结语数据中心的发展突飞猛进,在数据中心设计与建设中,设计师需要认真的态度,需要积累设计经验,提高设计水平,设计出合理和节能的数据中心。


 
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