中小型数据中心机房空调设计探讨

摘 要：新建民用建筑配置中小型数据中心愈加普遍，但其中大部分机房没有完善的空调通风设计。通过对中小型数据中心机房空调负荷特征、空调设计示例、新风通风和自控系统设计等方面进行分析阐述，以期为类似项目设计提供一定的参考。

关键词：中小型数据中心;冷源;空调末端;房间级精密空调;列间级精密空调

0    引言

随着信息化进程加快，越来越多的新建民用建筑配置中小型数据中心。数据中心机房专用空调属于工艺性空调，与常规舒适性空调存在明显差异。其不仅要满足机房内温湿度、控制精度等要求，还要求稳定不间断运行。

根据前期调研，浙南区域民用建筑内的中小型数据机房空调大部分由智能化单位施工，未针对不同机房特性进行专业设计。从机房空调实际使用情况来看，效果并不理想，普遍存在能耗大、温度不均匀、湿度无法控制、机房无法维持正压、空气洁净度较差、防水措施不到位等问题。

本文针对中小型数据中心机房空调设计进行多方面梳理，以期为类似项目提供参考。

1  数据中心机房空调负荷特征

1.1  数据中心机房空调负荷组成

根据数据中心特性，其空调负荷主要由数据中心内设备散热、建筑围护结构负荷、人体热负荷、照明装置散热、新风负荷等部分组成[1]。

1.2  数据中心机房空调特性

数据中心机房空调特性主要包括：

（1）数据中心设备为常年散热，须持续供冷，不间断运行。

（2）以设备散热（显热）为主，潜热极小。一个服务器机柜散热量在每小时几千瓦至十几千瓦（如安装刀片式服务器，则散热量更高）。大中型数据中心散热量在 400 W/m2左右，装机密度高的数据中心散热量可以达到 600 W/m2以上[2]。

（3）為使机房内各区域温湿度均匀，末端系统具有大风量、小焓差的特性。

（4）空气中的尘埃、腐蚀性气体等影响电子元件寿命，容易引起接触不良或短路等，故数据中心有空气洁净度的要求。

2  中小型数据中心空调冷源及末端

中小型数据中心机房冷源应根据不同机房规模、气候条件、自然资源、建设成本、运行节能诉求及运维能力等因素进行综合选择。不同冷源形式及其特点如表1所示。

中小型数据中心空调系统按末端布置位置不同，可分为房间级、列间级和机架级[3]，具体如表2所示。

3  中小型数据中心空调设计示例

3.1  小型数据中心

小型数据中心服务器柜一般少于4个，单机架运行功耗 3 kW以下，定位为 C 级数据中心。该数据中心采用基站式空调，房间级制冷，送风方式为前送前回。基站空调需具有如下功能：（1）超大风量，高显热比，杜绝凝霜;（2）相序保护和相序容错;（3）掉电记忆和自动重启;（4）模糊智能控制;（5）过电流保护远程故障识别与报警;（6）远程通信控制等。

3.2  中型数据中心

（1）当数据中心服务器柜少于6个，单机架运行功耗5 kW以下，定位为C级数据中心时，该数据中心采用房间级精密空调，利用静电地板下部空间作为静压箱送风或在地板下设置风道送风。设计时应根据不同功率的机柜进行个性化调节，以达到最优的制冷能效。在房间布局允许的情况下，考虑散热均匀及节能，建议设置封闭冷通道。

（2）当数据中心服务器柜为6～12个，单机架运行功耗5 kW以下，定位为B级数据中心时，该数据中心设置封闭冷通道，将冷风聚集在列间过道空间中，以冷通道前送风、机柜后回风的水平送风方式，解决冷热气流短路问题，保障了服务器机柜温度的均匀，消除了局部热点（图 1）。房间级精密空调采用N+1备份形式，单台设备故障不影响系统使用。

（3）当数据中心服务器柜为12～24个，单机架运行功耗 15 kW 以下，定位为B级数据中心时，该数据中心采用列间级精密空调，将精密空调部署在机柜排中，紧靠热源安装，动态匹配数据中心负载需求。列间级空调采用全直流变频架构，配合微模块智能管理系统做 到冷电联动，可根据负载运行情况按需制冷（图 2）。列间级精密空调采用N+1备份形式，单台设备故障不影响系统使用。

4  机房新风设计

数据中心新风量是指维持室内正压所需的新风量和机房内工作人员所需的新风量，按两者的最大值作为机房所需的新风量。

维持机房人员健康所需的新风量可按40 m3/（人·h） 计算，维持机房正压所需的新风量按表3计算。

数据中心机房采用预处理新风机组引入室外新鲜空气，设置三级过滤（初效+中效+亚高效），使处理后送入机房的新风满足机房空气洁净度要求。新风管设置电动风阀与消防系统实现联动控制。

夏季新风以等室内露点温度送风，控制室内湿度。冬季新风加热至12 ℃（高于室内露点温度）送风，当机房内部相对湿度低于40%时，启动加湿器进行加湿处理。

5  机房通风设计

数据中心机房和电池室设置气体灭火系统，在气体灭火区域设置通风设施，其排风量按换气次数8次/h确定，排风口设在气体灭火区域下部并直接通至室外。

电池室设有机械排风系统，换气次数按平时3次/h、灾后 8次/h确定。电池室排风系统兼做灾后排风系统，排风支管设两个排风口，一个设在上部，排除可能产生的少量氢气，另一个靠近下部用以排除灾后气体。

6  机房空调给水排水设计

机房空调加湿器供水干管及空调冷凝水干管建议设于下层吊顶内，冷凝水管按1%坡度设置。为有效杜绝水系统漏水进入机房设备区域，精密空调区域地面设置挡水坝，并设置漏水检测（图 3）。

7  机房空调自控系统设计

7.1  小型机房

小型机房可以采用空调远程控制器或者空调来电自启动器，远程控制或定时控制普通带遥控的空调，其是通过学习并存储空调遥控器的指令代码实现对空调的控制，可实现远程开关机、工作模式切换、温度调节等所有遥控器上的功能。控制原理如图4所示。

7.2  中型机房

中型机房应设置专门的机房环境监控系统，通过智能监控、分析、控制，并以多样化的报警处理机制和友好的展现方式，使机房运维人员及时了解机房设备运行状况，实现统一监控、统一管理、统一展示的运维管理目的。

具体到空调系统的监控，应通过安装温湿度传感器，以实时检测机房内的温湿度。采用空调自带通信接口及通信协议的方式，系统实时、全面诊断空调运行状况，监控空调各部件（如压缩机、风机、加湿器、加热器、除湿器、过滤器等）的运行状态与参数，并通过软件在系统上或通过网络远程修改空调设置参数（温度、湿度等），实现空调的远程开关机。系统一旦检测到报警或参数越限，将自动切换到相关的运行画面，越限参数将变色，并伴有报警声音及相关处理提示。对重要参数可做曲线记录，用户可通过曲线记录直观地看到空调机组的运行品质。

8  结语

数据中心能耗中约40%为空调耗能，设计方应充分调研并根据机房规模、气候条件、投资、节能诉求及运维能力等因素综合考量选择合适的冷源及末端方式。同时需注重机房新风设计和给水排水、自控系统等方面的设计。受篇幅所限，文中未对热管末端、水冷柜门等机架级空调进行描述。

[参考文献]

[1] 数据中心设计规范：GB 50174—2017[S].

[2] 彭殿贞.绿色数据中心空调设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 张泉，李震，郑宏，等.数据中心节能技术与应用[M].北京： 机械工业出版社，2018.

收稿日期：2021-03-01

作者简介：叶丰（1973—），男，浙江温州人，高级工程师，研究方向：暖通设计。