超大型数据中心空调系统设计实践

沈铮

北京市市政工程设计研究有限公司

0 引言

随着整个社会信息化进程的飞速发展，数据信息已经成为许多行业正常工作的重要组成部分。数据的处理、储存、传递都需要高性能的计算机数据处理以及与之相配套的数据机房。各类建筑，如政府机关、银行、网络公司、科研机构等，其数据中心的建设量日益加大，不论是规模还是数量上，都呈快速增长态势。

数据中心按规模分类，目前还没有统一的界定方法。我国《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）[1]中无按面积分类的提法，目前该规范已有新版[2]，在新版中也无规定。近年来，随着数据中心的规模不断扩大，当今的大中型数据中心已不断出现。

一般而言，建筑面积小于200 m2称为小型数据中心；建筑面积在200～500 m2之间为中型数据中心。建筑面积在500～2000 m2之间为中、大型数据中心。建筑面积在2000～10000 m2为大型数据中心。建筑面积大于10000 m2则称为超大数据中心。

从近几年的发展情况上看，新建数据中心在数量上主要在500 m2以下的中、小型数据中心，约占90%。但从规模上看，各个规模的面积比例呈均衡发展的状态，其中2000 m2以上的大型、超大型的新建面积将近40%。可以看出，大型、超大型数据中心的建设，尽管在数量上较少，但在规模上占有重要的比例，从发展趋势上看，这一比例还会继续扩大。

大量数据中心的出现，为传统的建筑空调行业带来了新的挑战。数据中心耗电量大、发热密度高，特别是随着规模的扩大，这一特点尤为突出。因而，对于大型、超大型数据中心的空调设计，绝不能简单等同于多个小型数据中心的叠加。

数据中心的热湿负荷特性以及空调设计都具有明显的特点[3]。由于机房中设备装机功率大，机柜的散热量大且集中，但机房内部的散湿量极小。因此数据中心的散热中显热占绝大多数，而散湿小，热湿比近似无穷大，空调的处理过程可近似为等湿降温过程。送风焓差小，风量大。因此在空调工程的设计上有较大难度。为了提高送风效率，大部分数据机房都选择下部地板送风方式对发热设备进行冷却。在实际工程中，大型和大中型以下的数据中心的应用案例较多，在文献中也均有介绍[4-7]。而超大型数据中心的设计案例则介绍较少。

相比于一般规模的数据机房而言，超大型机房的空调设计难度更大。由于热源集中，且占地面积更大，因此在布置送风管道及气流组织方面更加困难，同时也要求更高。建筑主要功能空间大多是数据机房，其他部位属配套功能，热量需求小，因此机房排出的余热不易在同建筑中利用，只能排出室外，但又由于路由问题，排出不易组织好。超大型机房的重要级别往往都属A 类，若系统出现问题将造成重大经济损失或造成公共场所秩序的严重混乱，对运行保障性要求极高，因此在设计中如何平衡节能，新技术应用与保留冗余、保障安全则是一个重要的问题。

1 工程概况

本工程位于北京市城区，为一国有大型商业银行的扩建项目。现有用地内已建有该银行办公楼（14 层）及入口大堂（1 层），其总建筑高度72 m，总建筑面积47500 m2。此次扩建的新增总建筑面积47175 m2，包括主楼及裙房，其中主楼为一类高层建筑，在现状大堂西侧相邻贴建，地上16 层，地下共4 层，建筑高度80 m，为数据机房及操作控制用房。裙房位于现状办公楼南侧，地上5 层，地下二层，建筑高度23.4 m，为配套生活服务用房。

该工程的主要功能房间为数据机房，机房实际面积超过20000 m2，标准层建筑平面图如图1 所示。因此，空调工程的设计成为了该工程设计中的重点。本文将对该工程的空调系统设计中的关键技术环节进行阐述。

图1 标准层平面图

2 空调负荷分析

2.1 室内设计参数

对于超大型数据中心建筑而言，建筑的主要功能房间是数据机房。但除了主要功能的数据机房以外，还需要有大量其他功能的房间，如：办公、餐饮、车库等，以满足数据中心正常运行维护所需。本建筑中，将主要空调房间分为两类：数据机房属工艺性空调房间，其室内设计参数按照数据机房的工艺性要求选取。其他办公、餐饮等房间属舒适性空调房间，室内参数按照普通舒适性房间的要求选取。

工艺性空调部分（数据机房）的室内设计参数，其温度、湿度指标均执行A 级标准，如表1 所示。舒适性空调部分的室内设计参数，如表2 所示。

表1 电子计算机组开机时室内设计参数（A 级）

表2 舒适性空调部分的室内设计参数

2.2 冷热负荷

在数据机房建筑中，通常室外环境对室内的影响较小，空调的热湿负荷主要来自于室内。机柜设备散热量大且热源集中，需全年向外排热，即使在冬季也有相当大的冷负荷。机柜设备无散湿量，主机房内的散湿量主要来自于工作人员，而大中型电子计算机主机房内工作人员较少，因此主机房内的散湿量很小，同时新风负荷也较小。此外，主机房对照明的要求通常不高，因而机房内照明负荷与设备用电负荷相比很低，照明发热量不大。大中型电子计算机一般都全年内长时间连续运行，在计算主机房内的负荷时可按开机时的要求进行设计。在本工程中，电子计算机房的新风量取机房空调总循环风量的5%。

归纳起来，机房空调的热湿负荷主要包括以下内容：机房内电子计算机和其它设备的散热；人体散热、散湿；照明装置散热；新风负荷；建筑围护结构的传热以及太阳辐射得热。

图2 显示了本建筑全楼冷热负荷的计算结果。可以看出，数据中心夏季最大冷负荷为8322 kW，而冬季没有热负荷，充分反映出了数据中心的负荷特点。对于其他房间的舒适性空调而言，冷热负荷较为匹配，夏季最大冷负荷为2075 kW，冬季最大热负荷为2713 kW。可以看出，全楼冷负荷最大的部分为数据中心，其冷负荷比例为全楼冷负荷的80.04%。

图2 全楼空调负荷

在数据中心中，除了数据机房以外，还包括一些辅助性用房，主要有UPS 室、以及值班控制室。图3 显示了本建筑中工艺性空调（数据中心）冷负荷的构成。可以看出数据机房负荷所占比例最大，达到72.67%；其次为UPS 室，比例为17.02%，二者相加，达到了数据中心负荷的约90%。在一般数据中心设计中，UPS室的规模往往较小，但在大型、超大型数据中心中，UPS 室的发热量显著提高，因而不能忽视。

图3 数据中心空调负荷

图4 其他房间空调负荷

在本建筑中，办公、餐厅等其他舒适性房间的夏季和冬季负荷分布情况见图4。由于本项目中新风机组为统一设置，同时负担楼内所有房间的新风负荷，因而此处将新风负荷计入舒适性空调负荷范围。在本工程中，冷、热负荷中比例最大为新风负荷，分别占到了舒适性空调冷、热负荷的65.25%和55.33%。可以看出，超大型数据中心建筑中，舒适性空调负荷总体所占比重较小，其中50%以上为新风负荷。

3 系统形式选择

3.1 冷源

本项目制冷及采暖采用集中冷热源方式。冷源采用离心式冷水机组，制冷机房设在地下二层；热源采用市政热力，热交换站设置在地下二层，提供全楼冬季空调及采暖二次热水（60/50 ℃）。夏季空调冷源采用3 台电动式水冷离心式冷水机组,每台冷水机组制冷量为3868 kW，总制冷量为11604 kW。空调冷冻水供回水温度为7/12 ℃。空调冷冻水系统采用一次泵负荷侧变流量系统。

屋顶设12 台超低噪声方型横流冷却塔，冬夏均使用，考虑到在冬季数据机房仍然需要向外排热，系统在冬季采用冷却塔进水机组供冷；在夏季28 ℃湿球温度下，12 台冷却塔总处理水量1995 m3/h，保证进塔38 ℃，出塔32 ℃。在冬季（11 月至次年2 月），采用室外天然冷源，通过冷却塔-板式换热器提供冷水。12台冷却塔在湿球温度0 ℃下，总处理水量1270 m3/h，保证进塔12 ℃，出塔7 ℃。此外，裙房屋顶新增冷却塔共6 台，在湿球温度0 ℃下，总处理水量828 m3/h，保证进塔12 ℃，出塔7 ℃。处于节能调控考虑，各冷却塔风扇电机均可变频调速。

处于对数据机房安全性保障的考虑，空调系统进行了冗余设计。所谓冗余，是指空调系统中重复配置一定的设备，当系统发生故障时，冗余配置的设备投入使用，承担故障设备的工作，由此减少系统的故障时间。在本工程中，由于数据机房的重要性为A 类，因此空调系统的设计采用了N+N 的冗余设计，以达到设备互为备份的作用。各数据机房均采用双冷源（冷冻水和直接蒸发式冷媒）的恒温空调系统，室内的末端机组同时接空调冷冻水管和冷媒管道。在一般情况下，系统由离心式冷水机组通过冷冻水系统供冷；当遇有冷冻机组或水泵、管道等故障发生的情况下，切换至直接蒸发式空调系统供冷；在停电等情况发生时，由柴油发电机组供给计算机房用直接蒸发式空调系统工作。

3.2 末端

对于数据机房建筑，机房内部的空调末端形式以及气流组织设计，一直是影响空调效率和效果的重要部分。近年来，随着数据机房的大量出现，国内外也逐渐形成了比较成熟的室内空调气流组织的解决方案和相应的专业设计团队。这些解决方案针对不同规模、不同等级的数据机房，综合考虑室内环境控制与节能的需求。

在本建筑中，数据机房的空调末端采用架空地板下送风、上部回风的方式，同时根据机柜排布的顺序，区分了空调送风的“冷通道”和“热通道”，将送风口布置在机架正面的通道内，使得由送风口送出的冷风，首先经过机柜的处理器单元进行冷却，然后加热后的热空气穿过机架经热通道向上至回风口。这就形成正面的送风通道温度低，而机架后面的排风通道温度高。如图5，这种气流组织设计避免了冷热空气混合所带来的效果降低，最大限度地提高了地板送风系统的送风效率。对于本建筑中办公、餐厅等舒适性空调的室内末端，则采用较为常规的新风加风机盘管系统，该系统可根据需要灵活调节室内温度参数，且控制简单，便于管理，是比较节能的空调方式。在冬季设采暖的房间，如厨房值班采暖等，均另设有散热器。

图5 数据机房空调气流组织示意图

此外，每层电子计算机房设置新风机组，以保证专用计算机房的正压。按电子计算机房新风量的80%作为平时的排风量。同时，设置一套电子计算机房内气体灭火系统作用完毕后的专用排风系统，按5 次/h换气次数计算。

4 结论

本文介绍了北京某超大型数据中心建筑的空调设计过程，对设计中的重要环节进行了阐述，如空调室内参数的确定，空调负荷的计算，以及室内末端的选择等。该工程的设计针对超大型数据中心的特点，考虑了其空调系统的安全保障性而进行了冗余设计，同时也采用了利用冬季冷却塔供冷、室内空调气流组织布置等方法，提高运行效率，降低空调系统的运行能耗。

该工程于2010 年12 月竣工投入使用，至今已近10 年时间，各项指标完全达到设计要求，节能效果显著，得到各方好评，并获得2010 年度国家优质工程银质奖。

本文中对于该项目空调系统的设计思路和设计过程，可供同类超大型数据中心建筑的空调系统设计参考。