方案设计阶段数据机房空调冷负荷的估算

陈 扬 / 王 肃

(中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)智能工程中心，北京 100044)

1 数据机房现状

随着信息化的高速发展，全球已经迈入了云计算时代，数据机房市场发展势头突飞猛进，2012年，中国的数据机房市场规模预计超过120亿美元。根据国家“十二五”新兴产业规划，中国数据机房市场在未来五年都会保持两位数的增长率。互联网业、电信业、金融业、总部企业的信息化提升和扩张需求十分旺盛，大型和超大型的数据机房越来越多。随之而来的是设计周期的缩短以及业主方对于方案阶段配电及空调负荷的准确性把握，这要求空调设计人员在方案阶段就要对项目有一个整体的把握，空调设计的出发点是负荷计算。本文通过对三个大型数据机房的冷负荷组成及特点进行分析，总结出在方案阶段的负荷估算指标。

2 负荷构成及特点

根据《电子信息系统机房设计规范》(GB 50174-2008)规定，机房空调负荷应包括：机房内设备的散热、建筑围护结构的传热、通过外窗进入的太阳辐射热、人体散热、照明装置散热、新风负荷以及伴随各种散湿过程产生的潜热。

在方案设计阶段，为了更快、更准确地估算出数据机房的负荷，可以将上述负荷简化为围护结构负荷、照明和一般动力设备及人员热负荷、IT及电气安装机械负荷以及新风负荷四大类。

1)围护结构负荷、照明和一般动力设备及人员负荷

可按照《采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019-2003)要求进行计算。在方案设计阶段可以按照面积指标或将整个数据机房建筑当作是一个房间来计算。

2)IT及电气安装机械负荷

数据机房内最主要的发热设备为机柜、UPS及变压器。对于机柜，可将机柜电量当作发热量来计算负荷；对于UPS及变压器，发热量由额定负荷乘以其功率因数及一定的系数确定，具体计算参见《全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调·动力》(2009年版)。

3)新风负荷

Q新风=GXΔhXCt

式中，Q新风为该系统的新风负荷(kW)，G为设计新风量(kg/s)，Δh为室内设计点焓值与室外焓值之差(kJ/kg干空气)，Ct为定压比热，为1.01kJ/(kg·℃)。

3 结合具体工程案例分析负荷特点

表1中的三个项目均位于北京市，建筑面积均为数据机房部分的建筑面积，其中项目一和项目二为数据机房楼，全部为数据机房使用，项目三为综合楼，地下二～四层为数据机房使用，其余部分为办公等。项目一和项目二的数据机房均为金融类使用，项目三的数据机房为科研类使用。

对于表1的数据，从面积上看，三个项目的建筑面积均超过10 000m2，属于大型或超大型数据机房，空调系统均为水冷/风冷冷水+末端机房空调方式。

表1 数据机房基本负荷指标

对于围护结构、人员灯光冷负荷指标和新风冷负荷指标这两个指标来说，三个项目中的数值大致相当。分析其原因：

1)围护结构冷负荷指标

为了提高建筑物内部使用效率，数据机房建筑一般都比较方正，体形系数小；为了减少太阳辐射热对建筑物的影响，会减少不必要的外窗；在数据机房选址方面，尽量选择过渡季及冬季长的地区(严寒、寒冷以及夏热冬冷的局部)，保证自由冷却时间，降低全年PUE。

因此，根据国标公建节能标准，围护结构主要为外墙及屋面，选取外墙及屋面的传热系数限制，建筑面积指标大致相同。对比其他数据机房工程的围护结构冷指标，基本与表1中的数字相似。

2)人员灯光冷负荷指标

数据机房正常工作时，机房内是无人值守的，值班人员定时巡检，机房内不需照明，只在巡检时，需要开启照明。所以，人员灯光负荷均可按值班负荷计算。

因此，对于数据机房类建筑而言，围护结构、人员灯光负荷的面积指标相对稳定，可以在方案阶段未进行负荷计算时估算使用，经验数据可以按照25 W/m2～30 W/m2考虑，也可以将整个建筑当作一个房间来进行负荷计算，这样得到的数据会更加准确一些。

3)新风负荷指标

表1中三个项目的新风冷负荷指标也大致相当。数据机房引入新风的房间为主机房、电池室及值班室等房间。其中，主机房部分所需新风量占到数据机房全部新风量的绝大部分(见表2)。因此，在方案阶段，可以只考虑主机房这部分的新风量并相应放大一定的系数，即可以估算出该数据机房的新风量。

表2 数据机房新风量

主机房设置新风的目的是为了保持机房内的正压，是机房工艺需求。一般主机房内的正压值为5 Pa～10Pa。

在方案设计阶段，可以按照30 W/m2的指标估算新风负荷，也可以根据计算出的主机房的新风量，估算出该数据机房的全部新风量，通过焓差计算出一个更加准确的新风负荷。

4)工艺装机负荷指标

表1所示三个项目的工艺装机负荷指标均不相同，而且差异较大，这项数值是不能指标化的，其最主要的原因是由于业主方的需求不同。由于单机柜容量不同，在相同机房面积的情况下，能提供的总量是不相同的。同时，相关配套的UPS及供电方案根据不同级别、不同使用功能的机房要求，也会有差异。因此，这部分负荷需要有工艺电气专业配合。这部分负荷占设计总负荷的比例非常大，而围护结构及新风的总负荷不到设计总负荷的10%。在方案设计阶段，这部分负荷是需要仔细计算的。

表3 数据中心工艺负荷组成

表3为这三个项目中工艺负荷的组成，最主要的部分为主机房安装负荷和UPS变配电安装负荷，其余如电池室、电信接入间等房间的工艺负荷所占比例很小，在方案设计阶段，可以根据主机房安装负荷和UPS变配电安装负荷之和附加一个系数。

在方案设计阶段，如此估算工艺负荷可以算是相对准确的数值，在接下来的设计过程当中，在计算负荷时，应按照相关规范及手册中的公式计算。同时，在负荷累计的过程中，根据本项目的配电及机房级别，相应加减备份机房或配电室等房间的负荷。

4 结束语

在方案设计阶段，业主方只能为设计人员提出一个大致的机房需求。在计算空调冷负荷时，需要设计人员根据对本项目的认识以及对数据机房这类项目的经验积累做出适合的估算，从而满足设计要求。

工艺负荷的总量很大，且每个项目的单机柜容量不同，面积指标不固定的情况，需要花费时间来分项估算。围护结构、人员灯光冷负荷和新风冷负

荷的总量很小，且面积指标固定的情况，可以直接按照指标估算，或将整个建筑物当作一个房间来计算。蓄冷装置的冷负荷，可以按照总负荷的5%～10%来考虑。

[1] 中华人民共和国住房与城乡建设部.采暖通风与空气调节设计规范(GB 50019-2003)[S].北京:中国计划出版社，2003.

[2] 中华人民共和国工业和信息化部.电子信息系统机房设计规范(GB 50174-2008)[S].北京：中国计划出版社，2009.

[3] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调·动力(2009年版)[M].北京：中国计划出版社，2009.