數據中心機房新風送風狀態點的分析

2021-04-08 09:24:22中國中元國際工程有限公司

暖通空調 2021年2期

中國中元國際工程有限公司劉星徐偉

0 引言

在信息化時代，作為核心的數據中心，有著舉足輕重的地位。數據機房內部一旦灰塵過多，可能導致靜電放電問題而損壞元器件，造成不可估量的損失。為了解決這個問題，需要對機房內部補充新風，維持機房內與機房外走廊的正壓差，保持空氣的潔凈度，從而控制空氣中的含塵量。

數據中心對室內環境溫度有明確的要求，因此在引入室外新風之前需進行預冷、預熱，從而不增加室內精密空調的冷熱負荷。本文主要分析數據機房新風送入的通道、季節不同對新風送風狀態點要求的影響。

1 數據機房新風量的確定

數據中心新風主要為了提高數據中心室內空氣質量，保證機房微正壓，以及保證工作人員正常工作需求(≥40 m3/(人·h))。新風量建議取“維持數據中心所需正壓值”和“≥40 m3/(人·h)”2種標準計算的較大值。維持機房正壓(主機房對走廊或其他房間的正壓≥5 Pa)所需的新風量，即要求通過門窗等縫隙的出風速度≥2.8 m/s。

由于維持機房正壓所需新風量難以計算，根據經驗及參照潔凈室的設計，可按換氣次數1～2 h-1計算。若機房四周圍護結構的密封性較好，可采用換氣次數≥1 h-1來計算新風量；若密封性較差，可適當提高換氣次數并采取密封措施。最有效且節能的辦法是對四周圍護結構采取密封措施，應特別注意活動地板下和吊頂內的密封，所有穿過機房圍護結構的管線敷設后均應將孔洞封堵嚴密，防止漏風。

數據中心新風量的選取應適宜，新風量過小不能滿足機房溫濕度和潔凈度的要求，新風量過大將會給空調系統增加較大的負擔。

2 數據中心機房新風送風狀態點分析

2.1 數據中心機房冷、熱通道環境分析

數據中心新風送風狀態點的選取，首先應明確新風送入冷通道還是熱通道，因為數據中心內冷通道和熱通道的環境狀態區別很大，對新風狀態點的要求也不同。GB 50174—2017《數據中心設計規范》對機房內環境有明確的要求，見表1。

由表1可以看出，規范對數據中心室內的露點溫度和相對濕度是有明確要求的，同時數據中心內絕對不能發生結露現象。如數據中心采用冷通道封閉的方式，假設冷通道內設計干球溫度取22 ℃，冷空氣經過機柜后升溫至32 ℃，即為熱通道干球溫度，根據表1要求冷通道露點溫度不高于15 ℃，同時由于空氣經過機柜升溫的過程為等濕升溫，熱通道理論上露點溫度和冷通道相同。

2.2 夏季新風送入冷通道送風狀態點分析

結合上述分析，冷通道干球溫度22 ℃、相對濕度60%，查焓濕圖可知，此時露點溫度為13.7 ℃，接近規范要求的15 ℃，比焓為47.9 kJ/kg(見表2)。為了保證新風送入室內不結露，則需要新風送風溫度高于室內露點溫度。

表2 露點溫度接近15 ℃時冷熱通道空氣狀態參數

考慮機房新風只承擔新風本身負荷，新風送風狀態點為室內狀態點等焓線與90%相對濕度線的交點。查焓濕圖可知，新風送風狀態點干球溫度為18 ℃、相對濕度為90%。

對于機柜數量少、封閉冷通道數量有限，有條件將新風直接送入封閉冷通道的項目，封閉起來的冷通道容積相對較小，雖然新風量不大，但如果新風送入冷通道溫度較低，也可起到輔助機房降溫、增加冷通道冷池的作用。因此確定新風送風狀態點干球溫度為15 ℃、相對濕度為90%，使新風送風溫度在滿足室內不結露的前提下盡可能低。以北京夏季為例，經計算，1 000 m3/h新風量新風負荷為12.0 kW。對于封閉熱通道，新風送入房間冷池的項目，可適當提高新風送風溫度至18 ℃(相對濕度為90%)。

建議新風送風溫度根據機房模塊具體情況選擇不低于15 ℃或18 ℃，同時為保證送入室內的新風經過表冷器后除濕，新風送風相對濕度應為90%。

2.3 冬季新風送入冷通道送風狀態點分析

由上述可知，冷通道設計干球溫度通常選取22 ℃，GB 50174—2017《數據中心設計規范》中規定冷通道露點溫度不得低于5.5 ℃，相對濕度不得高于60%。根據冷通道干球溫度22 ℃、露點溫度5.5 ℃，查焓濕圖可知此時相對濕度為34.2%，比焓為36.6 kJ/kg。對于數據機房而言，室內相對濕度過低，但為了節約能源，減少新風熱負荷，建議新風送風溫度不高于10 ℃，相對濕度為40%。表3給出了露點溫度接近5.5 ℃時冷熱通道空氣狀態參數。由表3可知，此時熱通道相對濕度低于30%，應開啟加濕功能。如果不開啟加濕功能，熱通道空氣狀態如表4所示，露點溫度為12.1 ℃，此時新風送風溫度需高于12.1 ℃。

表3 露點溫度接近5.5 ℃時冷熱通道空氣狀態參數

表4 熱通道相對濕度30%時空氣狀態參數

2.4 夏季新風送入熱通道送風狀態點分析

夏季熱通道環境溫度為32 ℃，露點溫度為15 ℃，比焓為58.2 kJ/kg(見表2)，考慮機房新風不承擔負荷，新風送風狀態點為室內等焓線與相對濕度90%線的交點。查焓濕圖可知，新風送風狀態點為干球溫度21.2 ℃、相對濕度90%。

相對于封閉的冷通道而言，開放的熱通道容積較大，而機房維持微正壓的新風量較小，利用低溫新風和熱通道大量回風混合無法起到明顯的冷卻降溫效果。因此，夏季應最大限度提高新風送入熱通道的溫度以降低新風冷負荷，從而降低數據中心電能使用效率PUE。

以北京為例，夏季室外空氣干球溫度33.5 ℃、濕球溫度26.4 ℃，相對于熱通道設計溫度還需要對室外空氣進行減焓減濕處理才能送入熱通道內。根據濕空氣焓濕圖可知，只有在熱濕比ε=-∞與ε=0之間的空氣狀態變化是減焓減濕過程[1-2]。針對北京地區夏季室外空氣狀態而言，對應區域見圖1，各狀態點參數見表5。

圖1 濕空氣焓濕圖

表5 圖1中各狀態點參數

室外新風通過表冷器進行減焓減濕處理過程中，先進行等濕冷卻后再進行減濕冷卻，通常送風狀態點相對濕度達到機器露點(即相對濕度90%)。但在夏季新風處理過程中，由于室外新風露點溫度為23.9 ℃，表冷器中冷水溫度普遍低于此溫度，因此新風通過表冷器必然經過減濕減焓的空氣處理過程。由此可知，此時室外新風極限送風狀態點為圖1中的等濕點，即干球溫度25.8 ℃、相對濕度90%。

綜上所述，建議夏季新風送入熱通道的送風狀態點溫度不高于干球溫度25.8 ℃，相對濕度為90%。