数据中心机房新风送风状态点的分析

中国中元国际工程有限公司 刘 星 徐 伟

0 引言

在信息化时代，作为核心的数据中心，有着举足轻重的地位。数据机房内部一旦灰尘过多，可能导致静电放电问题而损坏元器件，造成不可估量的损失。为了解决这个问题，需要对机房内部补充新风，维持机房内与机房外走廊的正压差，保持空气的洁净度，从而控制空气中的含尘量。

数据中心对室内环境温度有明确的要求，因此在引入室外新风之前需进行预冷、预热，从而不增加室内精密空调的冷热负荷。本文主要分析数据机房新风送入的通道、季节不同对新风送风状态点要求的影响。

1 数据机房新风量的确定

数据中心新风主要为了提高数据中心室内空气质量，保证机房微正压，以及保证工作人员正常工作需求(≥40 m3/(人·h))。新风量建议取“维持数据中心所需正压值”和“≥40 m3/(人·h)”2种标准计算的较大值。维持机房正压(主机房对走廊或其他房间的正压≥5 Pa)所需的新风量，即要求通过门窗等缝隙的出风速度≥2.8 m/s。

由于维持机房正压所需新风量难以计算，根据经验及参照洁净室的设计，可按换气次数1～2 h-1计算。若机房四周围护结构的密封性较好，可采用换气次数≥1 h-1来计算新风量；若密封性较差，可适当提高换气次数并采取密封措施。最有效且节能的办法是对四周围护结构采取密封措施，应特别注意活动地板下和吊顶内的密封，所有穿过机房围护结构的管线敷设后均应将孔洞封堵严密，防止漏风。

数据中心新风量的选取应适宜，新风量过小不能满足机房温湿度和洁净度的要求，新风量过大将会给空调系统增加较大的负担。

2 数据中心机房新风送风状态点分析

2.1 数据中心机房冷、热通道环境分析

数据中心新风送风状态点的选取，首先应明确新风送入冷通道还是热通道，因为数据中心内冷通道和热通道的环境状态区别很大，对新风状态点的要求也不同。GB 50174—2017《数据中心设计规范》对机房内环境有明确的要求，见表1。

由表1可以看出，规范对数据中心室内的露点温度和相对湿度是有明确要求的，同时数据中心内绝对不能发生结露现象。如数据中心采用冷通道封闭的方式，假设冷通道内设计干球温度取22 ℃，冷空气经过机柜后升温至32 ℃，即为热通道干球温度，根据表1要求冷通道露点温度不高于15 ℃，同时由于空气经过机柜升温的过程为等湿升温，热通道理论上露点温度和冷通道相同。

2.2 夏季新风送入冷通道送风状态点分析

结合上述分析，冷通道干球温度22 ℃、相对湿度60%，查焓湿图可知，此时露点温度为13.7 ℃，接近规范要求的15 ℃，比焓为47.9 kJ/kg(见表2)。为了保证新风送入室内不结露，则需要新风送风温度高于室内露点温度。

表2 露点温度接近15 ℃时冷热通道空气状态参数

考虑机房新风只承担新风本身负荷，新风送风状态点为室内状态点等焓线与90%相对湿度线的交点。查焓湿图可知，新风送风状态点干球温度为18 ℃、相对湿度为90%。

对于机柜数量少、封闭冷通道数量有限，有条件将新风直接送入封闭冷通道的项目，封闭起来的冷通道容积相对较小，虽然新风量不大，但如果新风送入冷通道温度较低，也可起到辅助机房降温、增加冷通道冷池的作用。因此确定新风送风状态点干球温度为15 ℃、相对湿度为90%，使新风送风温度在满足室内不结露的前提下尽可能低。以北京夏季为例，经计算，1 000 m3/h新风量新风负荷为12.0 kW。对于封闭热通道，新风送入房间冷池的项目，可适当提高新风送风温度至18 ℃(相对湿度为90%)。

建议新风送风温度根据机房模块具体情况选择不低于15 ℃或18 ℃，同时为保证送入室内的新风经过表冷器后除湿，新风送风相对湿度应为90%。

2.3 冬季新风送入冷通道送风状态点分析

由上述可知，冷通道设计干球温度通常选取22 ℃，GB 50174—2017《数据中心设计规范》中规定冷通道露点温度不得低于5.5 ℃，相对湿度不得高于60%。根据冷通道干球温度22 ℃、露点温度5.5 ℃，查焓湿图可知此时相对湿度为34.2%，比焓为36.6 kJ/kg。对于数据机房而言，室内相对湿度过低，但为了节约能源，减少新风热负荷，建议新风送风温度不高于10 ℃，相对湿度为40%。表3给出了露点温度接近5.5 ℃时冷热通道空气状态参数。由表3可知，此时热通道相对湿度低于30%，应开启加湿功能。如果不开启加湿功能，热通道空气状态如表4所示，露点温度为12.1 ℃，此时新风送风温度需高于12.1 ℃。

表3 露点温度接近5.5 ℃时冷热通道空气状态参数

表4 热通道相对湿度30%时空气状态参数

2.4 夏季新风送入热通道送风状态点分析

夏季热通道环境温度为32 ℃，露点温度为15 ℃，比焓为58.2 kJ/kg(见表2)，考虑机房新风不承担负荷，新风送风状态点为室内等焓线与相对湿度90%线的交点。查焓湿图可知，新风送风状态点为干球温度21.2 ℃、相对湿度90%。

相对于封闭的冷通道而言，开放的热通道容积较大，而机房维持微正压的新风量较小，利用低温新风和热通道大量回风混合无法起到明显的冷却降温效果。因此，夏季应最大限度提高新风送入热通道的温度以降低新风冷负荷，从而降低数据中心电能使用效率PUE。

以北京为例，夏季室外空气干球温度33.5 ℃、湿球温度26.4 ℃，相对于热通道设计温度还需要对室外空气进行减焓减湿处理才能送入热通道内。根据湿空气焓湿图可知，只有在热湿比ε=-∞与ε=0之间的空气状态变化是减焓减湿过程[1-2]。针对北京地区夏季室外空气状态而言，对应区域见图1，各状态点参数见表5。

图1 湿空气焓湿图

表5 图1中各状态点参数

室外新风通过表冷器进行减焓减湿处理过程中，先进行等湿冷却后再进行减湿冷却，通常送风状态点相对湿度达到机器露点(即相对湿度90%)。但在夏季新风处理过程中，由于室外新风露点温度为23.9 ℃，表冷器中冷水温度普遍低于此温度，因此新风通过表冷器必然经过减湿减焓的空气处理过程。由此可知，此时室外新风极限送风状态点为图1中的等湿点，即干球温度25.8 ℃、相对湿度90%。

综上所述，建议夏季新风送入热通道的送风状态点温度不高于干球温度25.8 ℃，相对湿度为90%。

2.5 冬季新风送入热通道送风状态点分析

冬季降低新风热负荷的关键因素是降低新风送风温度，具体分析如2.3节所述。可按是否在机房内采取加湿措施来确定新风送风状态点参数。

3 结语

基于北京市室外空气状态点及湿空气焓湿图，分析了夏季及冬季新风分别送入冷通道和热通道的送风状态点。不同地区数据中心机房新风送风状态点的确定应根据项目所在地的室外空气参数进行具体分析。为保证数据中心内新风需求和避免不必要的浪费，建议采用新风送风状态点及新风量设计和智能控制相结合的方式来达到较好效果。

大型数据中心如果设置的模块数量较多，机房新风的设置应尽量分散，最好以模块为单位设置新风机组，不建议1台新风机组承担过多机房模块负荷。实践证明，在项目实际运行时，对新风系统的调节控制是降低PUE的一个重要手段。因此，每个新风系统所承担的机房模块数量越少，在实际运行时越容易单独调节。