方案設計階段數據機房空調冷負荷的估算

陳 揚 / 王 肅

(中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，北京 100044)

1 數據機房現狀

隨著信息化的高速發展，全球已經邁入了云計算時代，數據機房市場發展勢頭突飛猛進，2012年，中國的數據機房市場規模預計超過120億美元。根據國家“十二五”新興產業規劃，中國數據機房市場在未來五年都會保持兩位數的增長率。互聯網業、電信業、金融業、總部企業的信息化提升和擴張需求十分旺盛，大型和超大型的數據機房越來越多。隨之而來的是設計周期的縮短以及業主方對于方案階段配電及空調負荷的準確性把握，這要求空調設計人員在方案階段就要對項目有一個整體的把握，空調設計的出發點是負荷計算。本文通過對三個大型數據機房的冷負荷組成及特點進行分析，總結出在方案階段的負荷估算指標。

2 負荷構成及特點

根據《電子信息系統機房設計規范》(GB 50174-2008)規定，機房空調負荷應包括：機房內設備的散熱、建筑圍護結構的傳熱、通過外窗進入的太陽輻射熱、人體散熱、照明裝置散熱、新風負荷以及伴隨各種散濕過程產生的潛熱。

在方案設計階段，為了更快、更準確地估算出數據機房的負荷，可以將上述負荷簡化為圍護結構負荷、照明和一般動力設備及人員熱負荷、IT及電氣安裝機械負荷以及新風負荷四大類。

1)圍護結構負荷、照明和一般動力設備及人員負荷

可按照《采暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50019-2003)要求進行計算。在方案設計階段可以按照面積指標或將整個數據機房建筑當作是一個房間來計算。

2)IT及電氣安裝機械負荷

數據機房內最主要的發熱設備為機柜、UPS及變壓器。對于機柜，可將機柜電量當作發熱量來計算負荷；對于UPS及變壓器，發熱量由額定負荷乘以其功率因數及一定的系數確定，具體計算參見《全國民用建筑工程設計技術措施：暖通空調·動力》(2009年版)。

3)新風負荷

Q新風=GXΔhXCt

式中，Q新風為該系統的新風負荷(kW)，G為設計新風量(kg/s)，Δh為室內設計點焓值與室外焓值之差(kJ/kg干空氣)，Ct為定壓比熱，為1.01kJ/(kg·℃)。

3 結合具體工程案例分析負荷特點

表1中的三個項目均位于北京市，建筑面積均為數據機房部分的建筑面積，其中項目一和項目二為數據機房樓，全部為數據機房使用，項目三為綜合樓，地下二～四層為數據機房使用，其余部分為辦公等。項目一和項目二的數據機房均為金融類使用，項目三的數據機房為科研類使用。

對于表1的數據，從面積上看，三個項目的建筑面積均超過10 000m2，屬于大型或超大型數據機房，空調系統均為水冷/風冷冷水+末端機房空調方式。

表1 數據機房基本負荷指標

對于圍護結構、人員燈光冷負荷指標和新風冷負荷指標這兩個指標來說，三個項目中的數值大致相當。分析其原因：

1)圍護結構冷負荷指標

為了提高建筑物內部使用效率，數據機房建筑一般都比較方正，體形系數小；為了減少太陽輻射熱對建筑物的影響，會減少不必要的外窗；在數據機房選址方面，盡量選擇過渡季及冬季長的地區(嚴寒、寒冷以及夏熱冬冷的局部)，保證自由冷卻時間，降低全年PUE。

因此，根據國標公建節能標準，圍護結構主要為外墻及屋面，選取外墻及屋面的傳熱系數限制，建筑面積指標大致相同。對比其他數據機房工程的圍護結構冷指標，基本與表1中的數字相似。

2)人員燈光冷負荷指標

數據機房正常工作時，機房內是無人值守的，值班人員定時巡檢，機房內不需照明，只在巡檢時，需要開啟照明。所以，人員燈光負荷均可按值班負荷計算。

因此，對于數據機房類建筑而言，圍護結構、人員燈光負荷的面積指標相對穩定，可以在方案階段未進行負荷計算時估算使用，經驗數據可以按照25 W/m2～30 W/m2考慮，也可以將整個建筑當作一個房間來進行負荷計算，這樣得到的數據會更加準確一些。

3)新風負荷指標

表1中三個項目的新風冷負荷指標也大致相當。數據機房引入新風的房間為主機房、電池室及值班室等房間。其中，主機房部分所需新風量占到數據機房全部新風量的絕大部分(見表2)。因此，在方案階段，可以只考慮主機房這部分的新風量并相應放大一定的系數，即可以估算出該數據機房的新風量。

表2 數據機房新風量

主機房設置新風的目的是為了保持機房內的正壓，是機房工藝需求。一般主機房內的正壓值為5 Pa～10Pa。

在方案設計階段，可以按照30 W/m2的指標估算新風負荷，也可以根據計算出的主機房的新風量，估算出該數據機房的全部新風量，通過焓差計算出一個更加準確的新風負荷。

4)工藝裝機負荷指標

表1所示三個項目的工藝裝機負荷指標均不相同，而且差異較大，這項數值是不能指標化的，其最主要的原因是由于業主方的需求不同。由于單機柜容量不同，在相同機房面積的情況下，能提供的總量是不相同的。同時，相關配套的UPS及供電方案根據不同級別、不同使用功能的機房要求，也會有差異。因此，這部分負荷需要有工藝電氣專業配合。這部分負荷占設計總負荷的比例非常大，而圍護結構及新風的總負荷不到設計總負荷的10%。在方案設計階段，這部分負荷是需要仔細計算的。

表3 數據中心工藝負荷組成

表3為這三個項目中工藝負荷的組成，最主要的部分為主機房安裝負荷和UPS變配電安裝負荷，其余如電池室、電信接入間等房間的工藝負荷所占比例很小，在方案設計階段，可以根據主機房安裝負荷和UPS變配電安裝負荷之和附加一個系數。

在方案設計階段，如此估算工藝負荷可以算是相對準確的數值，在接下來的設計過程當中，在計算負荷時，應按照相關規范及手冊中的公式計算。同時，在負荷累計的過程中，根據本項目的配電及機房級別，相應加減備份機房或配電室等房間的負荷。

4 結束語

在方案設計階段，業主方只能為設計人員提出一個大致的機房需求。在計算空調冷負荷時，需要設計人員根據對本項目的認識以及對數據機房這類項目的經驗積累做出適合的估算，從而滿足設計要求。

工藝負荷的總量很大，且每個項目的單機柜容量不同，面積指標不固定的情況，需要花費時間來分項估算。圍護結構、人員燈光冷負荷和新風冷負

荷的總量很小，且面積指標固定的情況，可以直接按照指標估算，或將整個建筑物當作一個房間來計算。蓄冷裝置的冷負荷，可以按照總負荷的5%～10%來考慮。

[1] 中華人民共和國住房與城鄉建設部.采暖通風與空氣調節設計規范(GB 50019-2003)[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國工業和信息化部.電子信息系統機房設計規范(GB 50174-2008)[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[3] 住房和城鄉建設部工程質量安全監管司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施：暖通空調·動力(2009年版)[M].北京：中國計劃出版社，2009.