数据中心电气、暖通专业设计

文/肖奇良

随着云计算、大数据的大规模部署应用，5G 作为物与物互联最好的解决方案也将有望在年底进行正式商用，大规模数据中心建设将很快进入爆发期。由于设备功率密度的提高，设计单位在承接数据中心这类项目中，务必推陈出新，紧扣前沿技术要领，吸取他人的经验教训，避免因设计问题导致出现工艺缺陷，致使建设项目出现严重的经济财产损失。

根据目前主流的设计规范，结合技术发展的方向，为使设计方案更为合理有效，应摒弃旧思路，大胆采取新技术、新方法、新思维。

现在，笔者通过对目前数据中心电气、暖通专业的行业技术动态进行分析，结合日常设计工作中设计单位比较容易疏忽的问题，列举若干问题进行研究。

1 机房温湿度设计

根据传统技术，暖通专业设计在机房温度和湿度方面采用的是粗放式模式，没有精确明确规定机房哪个地方的温度和湿度，业界的设计思路往往取定末端空调机组的回风工况作为设计标准。为满足要求，这种粗放的设计理念需要将末端空调机组设置在较低的送风温度，并配置余量较大的空调设备容量才能达到要求，对于热负荷密度较大的数据中心设备机房，空调耗电量较大，导致PUE 值较高。

在满足设备正常运行的前提下，新规范对空调温湿度的位置进行精确定位，为“冷通道或机柜进风区域的温度”，而温度也放宽了范围，为18℃～27℃。

这一要求、方式的改变，若能合理选择空调制冷模式，采用末端空调对冷通道或者设备进行精确送风，在保证机房正常运行的情况下，将可以大大节约空调用电，有效降低PUE 值。

2 空调气流组织设计

以往大量采用房间级空调的设计模式已经不可取了，对于新机房的空调气流组织设计，特别对于单台机柜发热量大于4kW 的机房，一方面为了能进行精确送风制冷，另一方面为避免局部热岛效应，需要采用地板下送风、行间制冷送风等方式。

而地板下送风方式需要对层高提出要求，需要根据单台机柜发热量的要求设置地板送风高度，建议楼层净高不低于3.5 米。行间制冷送风方式需要解决冷凝水排水问题且面临着空调备用率较高，冗余度较大的问题。

另外，空调模式的选用需要结合工程实际，利用工程所在地环境、资源、政策等条件进行论证，择优选取。

3 空调不间断冷源设计

以往的机房空调设计，由于设备功率密度低，一个机柜供电负荷超不过2KW，单位面积热负荷较低，当空调因市电停电等原因停止工作时，虽然空调设备已经停机，但机房内的冷空气其实承担着蓄冷的作用。

而根据目前数据中心的设备功率密度，当供电停电时，如果没有后备冷源，机房在几分钟内将迅速提升到导致设备宕机的环境温度。为使的机房能够正常运行，则需要保证空调系统有连续不断的冷源供应，由于空气比热容小，空气蓄冷将无法满足要求，故往往需要设置蓄冷罐等蓄冷设施，蓄冷罐可以根据实际工程情况采用并联或者串联的方式。

另外，当采用风冷机房空调时，在资金充足的情况下也可以设置空调由UPS 供电。若无采用UPS 供电，当采用行级空调时，则需要采取措施，使得当空调系统停电时，封闭通道的天窗要能及时打开。

4 供配电系统冗余设计

根据数据中心的重要程度，比较重要的机房往往应满足容错要求，即A 级建设标准，其供配电系统主要有三种架构：2N、DR、RR。

2N 系统为双系统供电，两个系统互为主备用，当其中一个系统出现故障时，全部负荷能够另一系统正常供电。

DR 系统为分布冗余系统供电，每个单元为本单元和相邻单元供电，形成“手拉手”供电方式。此方案备用容量较2N 系统经济性方面有优势。

RR 系统为后备冗余系统，该系统由其中一个单元为其他所有单元提供备用电源，我们可以简单理解成集中备用方式。

5 油机选型设计

在国家标准《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第一部分：用途、定额和性能》GB/T2820.1-2009 中规定将发电机组的性能分G1、G2、G3、G4。

G1：连接的负载只规定基本电压和频率参数，适用于照明和简单的电气负载。

G2：电压特性与电网类似，当负载发生变化时，允许暂时的电压和频率的偏差。适用于照明、水泵、风机等。

G3：连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有严格要求。适用于电信负载和晶闸管控制的设备。

图1

G4：连接的设备对发电机组的电压、频率和波形有特别严格要求。适用于数据处理设备和计算机系统。

从以上的分类以及使用的场合，不难得出：由于数据中心对发电机组的输出频率、电压和波形有严格要求，发电机组的性能等级不应低于G3 级。

另外，在国家标准《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第一部分：用途、定额和性能》 GB/T2820.1 中将发电机组的输出功率分为四种：持续功率（COP）、基本功率（PRP）、限时运行功率（LTP）和应急备用功率（ESP）。

COP（持续功率）：无运行时间限制，为恒定负载持续供电的最大功率。

PRP（基本功率）：无运行时间限制，为可变负载持续供电的最大功率。

LTP（限时运行功率）：为恒定负载供电，年运行时间<500 小时。

ESP（紧急备用功率）：为可变负载供电，年运行小时数<200 小时。

A 级数据中心发电机组应连续和不限时运行，输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要发电机组容量的选定则需要采用持续功率，不应采用备用功率选用设备。

6 接地问题

对数据中心内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等做电位联结及接地是为了降低或消除这些金属部件之间的电位差，是对人员和设备安全防护的必要措施，如果这些金属之间存在电位差，将造成人员伤害和设备损坏，因此，数据中心基础设施不应存在对地绝缘的孤立导体。

以往的防雷接地着重强调接地电阻值，并对其进行了严格的规定。经过多年的研究并结合实践，目前已经形成了统一的认识，强调了等电位联结并接地的方式，不对接地电阻进行严格的规定。

电子信息设备等电位联结方式应根据电子信息设备易受干扰的频率及数据中心的等级和规模确定，可采用S 型、M 型或SM 混合型。

等电位连接示意图如图1。

7 结束语

以上主要是结合本人实际的工作经验并在实际设计过程中认为比较容易走偏的几个问题的研究，旨在抛砖引玉，希望广大数据中心设计工作者及参建者共同探讨研究。