數據中心蓄電池室的通風空調設計分析

世源科技工程有限公司 吳天昊

華東建筑設計研究總院 孟 強

0 引言

數據中心是為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，是為金融交易、大數據、云計算、物聯網、5G通訊等高端信息化產業提供基礎設施服務的重要組成部分。中共中央政治局常務委員會2020年3月4日召開會議，要求加快推進國家規劃已明確的重大工程和基礎設施建設，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度[1]。

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》[2]及Uptime Institute(國際正常運行時間協會)的分級要求，通風空調系統是保障數據中心電力及信息設備安全運行的重要組成。蓄電池室是數據中心放置不間斷電源系統后備電池的房間，承擔數據中心市電斷電至柴油發電機啟動期間的應急電源的功能，該類房間的暖通空調系統設計對整個數據中心安全穩定運行至關重要。但實際工程中由于現行規范對蓄電池室的通風換氣次數要求不同，其通風空調設計方案也具有爭議。本文通過對蓄電池的特點、析氫量、散熱量及應用場景的分析，總結數據中心蓄電池室的通風空調設計要點。

1 蓄電池的特點

蓄電池是將化學能直接轉化成電能的一種裝置，按可再充電設計的電池，通過可逆的化學反應實現再充電。表1給出了主流蓄電池按充放電化學反應的分類比較。

表1 不同類型蓄電池比較

鉛酸電池因其技術成熟、成本低廉、應用廣泛及可回收等因素，在各行業中得到廣泛應用。其中，固定型閥控式鉛酸蓄電池因其酸霧、氫氧析出量少，免維護等特點，在數據中心不間斷電源系統設計中應用最多。本文結合固定型閥控式鉛酸蓄電池(以下簡稱蓄電池)的技術特點及應用場景，分析蓄電池室的通風空調設計要點。

2 蓄電池室通風設計

鉛酸蓄電池在運行時會析出少量氫氣，GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》將蓄電池劃分為ⅡC級[3]，當蓄電池室通風良好時可劃分為非危險區域，因此蓄電池室需設計平時通風系統[4]。

2.1 通風要求

蓄電池室通風的相關要求主要體現在電氣及暖通專業，現行國家相關標準對蓄電池通風設計的相關要求如表2所示。

表2 現行國家相關標準對蓄電池室通風要求

由表2可知，現行國家相關規范未對蓄電池種類進行分類說明，且對通風換氣設計要求為0.5～12.0 h-1不等，可能導致工程設計時通風量取值偏大。雖然上述規范間存在著不同的通風要求，但其設計原則都是通過采用通風措施來稀釋蓄電池充電過程中逸散的氫氣，以防止其積聚至爆炸極限[9]。

2.2 蓄電池析氫量分析

蓄電池析氫的主要原因是蓄電池過充電，鉛酸蓄電池充電時總反應式為2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+2H2SO4，當蓄電池充電接近完成且大部分PbSO4已經被轉化為Pb和PbO2時，過充反應就開始為2H2O→2H2+O2。

參考18DX009《數據中心工程設計與安裝》中蓄電池室設備布置示意圖[10]，結合工程實例，典型蓄電池室平面示意圖見圖1。蓄電池室長8.8 m、寬5.9 m、層高4.0 m，內設4組電池架，每組電池架為4層，每層放置40節150 A·h(10 h放電率)蓄電池。以GB/T 19638.2—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第2部分：產品品種和規格》表2中6-GF-150I為例[11]，蓄電池尺寸為483 mm(長)×170 mm(寬)×240 mm(高)，直流開關柜尺寸為600 mm(長)×400 mm(寬)×1 600 mm(高)。

蓄電池室空氣總體積(V)=空間總體積-設備體積=193.5 m3，蓄電池總容量C10=96 000 A·h。

根據GB/T 19638.1—2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第1部分：技術條件》第5.2.1條的規定，出廠合格的蓄電池需符合以下技術要求[12]：

1) 在20 ℃及單體蓄電池電壓為Uflo(Uflo為蓄電池或蓄電池組的浮充充電電壓，數值由制造商確定，V)浮充條件下，氣體析出量Ge≤0.04 mL/(A·h·h)；

2) 在20 ℃及單體蓄電池電壓為2.40 V浮充條件下，氣體析出量G′e≤1.70 mL/(A·h·h)。

在蓄電池室不設置排風系統的情況下，假設蓄電池析出的氣體全部為氫氣(實際為氫氧混合)，計算析氫量和達到氫氣爆炸濃度下限(4%)時所需的時間。

Uflo浮充條件下的析氫量Ve為

Ve=GeC10

(1)

達到氫氣爆炸下限所需的時間T為

(2)

計算可得，Uflo浮充條件下達到氫氣爆炸下限需84 d，2.40 V浮充條件下達到氫氣爆炸下限需2 d。2.40 V浮充通常只發生在電池均充的部分狀態，時長不會超過10 h。因此在正常使用且產品合格的情況下，數據中心蓄電池室采用固定型閥控式鉛酸蓄電池時的析氫速率是非常緩慢的。

2.3 通風系統設計

通過上述分析可得：YD 5003—2014《通信建筑工程設計規范》[7]和T/CECS 487—2017《數據中心制冷與空調設計標準》[8]提出的0.5～1.0 h-1換氣次數要求較為符合析氫分析中實際所需換氣量，而部分國家規范要求的6 h-1及以上的換氣次數則遠大于實際所需換氣量。

數據中心蓄電池室采用0.5～1.0 h-1的平時通風換氣次數既可將充電過程中產生的氫氣及時排出，又可維持房間負壓、防止氫氣擴散，保障數據中心整體的安全可靠運行。

此外，由于GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[6]及GB 50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[13]中均提到：“對可能突然放散大量有毒氣體、有爆炸危險氣體或粉塵的場所，應設置事故通風系統”，關于蓄電池室是否需要設置事故通風，工程中經常會提出質疑。上述計算表明，數據中心所采用的固定型閥控鉛酸蓄電池在充電過程中不存在突然放散大量爆炸危險氣體的情況，且蓄電池本身不儲存大量爆炸危險氣體；由于蓄電池安全閥的存在，過充電情況下電解水產生的氫氣大部分仍在蓄電池內部并與氧氣進行再化合反應。因此，建議數據中心蓄電池室可不設置事故通風系統，但工程設計時還應征詢建設運營方及當地審圖機構的意見。

歸納相關標準要求，總結工程經驗，蓄電池室通風系統設計可采取以下措施：

1) 通風系統吸風口上緣至蓄電池室頂棚的距離不大于0.1 m[13]；

2) 通風機采用防爆風機，風管及閥門采取防靜電接地等措施；

3) 通風機采用備份設計[14]，自控系統具有故障報警及自動切換功能；

4) 通風機采取常開運行策略，有條件時可采取間歇運行策略；

5) 通風機間歇運行時，通風機與氫氣濃度監測系統連鎖，當蓄電池室氫氣濃度達爆炸下限值的10%時啟動通風機，當蓄電池室氫氣濃度降低至傳感器探測范圍下限時停止通風機。

由于蓄電池室全年都需維持相對恒定的環境溫度，因此蓄電池室空調系統全年運行。通過數據中心DCIM(數據中心基礎設施管理)系統與通風設備間的聯動，蓄電池室通風系統的控制邏輯可進行調整優化，最大程度降低蓄電池室通風帶來的冷熱量損失，在保證數據中心安全的前提下，使蓄電池室通風空調系統運行更加高效節能。

3 蓄電池室空調設計

固定型閥控式鉛酸蓄電池的容量及使用壽命與環境溫度緊密相關(見表3)，因此數據中心蓄電池室環境溫度相較于一般配電房的要求較高，GB 50174—2017《數據中心設計規范》中規定不間斷電源系統電池室溫度為20～30 ℃[2]。

表3 閥控式鉛酸蓄電池容量及使用壽命與溫度變化關系

3.1 空調負荷

數據中心蓄電池室的空調負荷主要由圍護結構的耗冷(熱)量，照明、人體的散熱量，蓄電池及其他內熱源設備的散熱量，房間通風的耗冷(熱)量，房間滲透空氣的耗冷(熱)量組成。大部分空調負荷都可以按所處地區的熱工參數及圍護結構的保溫性能參數等進行計算。

3.2 蓄電池散熱量分析

對于蓄電池的散熱量部分，工程實踐中多以蓄電池充電功率的損耗進行估算，但是在數據中心運行期間蓄電池存在多種狀態，其對應散熱量也不斷變化。

鉛酸蓄電池在充電和放電時都會伴隨著熱效應，其中為克服蓄電池兩極極化和電池內阻而損失的電壓降將全部轉換為熱量，此時蓄電池內部狀態一直處于變化中，所以發熱量的計算非常復雜。采用某一線品牌蓄電池廠家樣本中提供的發熱量數值進行分析，以圖1蓄電池室中選用的6-GF-150I(相關參數見表4)為例。從表4可以看出，蓄電池浮充時散熱量非常小，而均充時散熱量則會增大至20倍左右，且蓄電池的散熱量會隨著使用時長不斷變大。

表4 25 ℃時某品牌6-GF-150I型12 V單只電池散熱量 W

數據中心蓄電池作為不間斷供電系統的后備儲能，平時處于浮充狀態；當市電斷電后，蓄電池進入15 min應急放電狀態；當市電恢復后，蓄電池轉為均充狀態且持續10 h左右；當均充完畢后，蓄電池重新進入浮充狀態。由于蓄電池放電過程復雜多變，難以定量分析且持續時間較短，蓄電池在短時間內可以耐受高溫，因此工程中一般不考慮該過程蓄電池散熱量。

以2.2節中的蓄電池室模型為例，參考表4的散熱量數據，對蓄電池浮充及均充過程的散熱量進行計算。

浮充狀態下蓄電池總散熱量Qf為

Qf=NQsf

(3)

浮充狀態下蓄電池單位面積散熱量Q′f為

(4)

式(3)、(4)中N為蓄電池室中單體蓄電池數量；Qsf為單體蓄電池(新)在浮充狀態下的散熱量，W；S為蓄電池室的總面積，m2。

均充狀態下蓄電池總散熱量Qj為

Qj=NQsj

(5)

均充狀態下蓄電池單位面積散熱量Q′j為

(6)

式(5)、(6)中Qsj為單體蓄電池(新)在均充狀態下的散熱量，W。

經計算，Qf=1.31 kW，Q′f=25 W/m2，Qj=27 kW，Q′j=520 W/m2。

對以上結果進行分析：

1) 蓄電池在浮充時散熱量較小，單位面積的設備散熱量僅25 W/m2左右，此時的蓄電池室有別于其他電氣設備用房全年空調制冷或通風降溫的運行模式。當數據中心建筑位于北方地區或蓄電池室處于建筑物外區時，冬季蓄電池通過自身散熱可能無法維持20～30 ℃的環境溫度，此時應采取供暖措施以保證蓄電池穩定運行。

2) 蓄電池在均充時散熱量較大，單位面積散熱量高達500 W/m2左右,與低密度數據機房相當。盡管均充時間段在全年運行時長中占比極小，但若不及時設置對應散熱量的降溫措施將導致蓄電池室過熱，若蓄電池內部的化學反應熱及電流焦耳熱不能及時釋放，溫度和電流則會形成正反饋，導致熱失控現象并使電池膨脹報廢。

因此在蓄電池室空調負荷計算時應按下列原則考慮：

1) 計算蓄電池室夏季空調負荷時，按蓄電池均充散熱量進行取值；

2) 計算蓄電池室冬季空調負荷時，按蓄電池浮充散熱量進行取值，并根據計算結果判斷是否需要供暖措施。

3.3 空調系統設計

蓄電池室冷熱負荷確定后，根據房間負荷需求及可供使用冷熱源來進行空調系統設計。數據中心建筑全年以供冷為主，除人員辦公區外基本無供熱需求，且大部分數據中心無集中供能條件。數據中心本身配備有強大的電網供電能力，故適合采用電動壓縮式機組作為冷源，大中型數據中心通常采用水冷/風冷冷水機組提供空調冷水，小型數據中心則采用單元式電壓縮制冷空調機組。當蓄電池室存在供熱需求，應優先考慮采用單元式電壓縮熱泵空調機組作為熱源，若所在地區無法利用熱泵時可考慮采用電加熱作為熱源。

當空調機組設置于蓄電池室專用空調區或非蓄電池內時，可采用立式或吊掛式空調機組，通過上送側下回或上送上回的氣流組織對房間溫度進行控制；當空調機組設置于蓄電池室內時，應采用立式空調機組并在空調四周做好防濺水措施，不應采用吊掛式空調機組，防止高位冷水或冷凝水飛濺及滴落導致電氣設備損壞。蓄電池室空調設置還應遵循GB 50174—2017《數據中心設計規范》中N+X(X=1～N)的冗余要求[2]。

4 結語

數據中心的蓄電池是不間斷電源系統的重要保障，確保了通信及電子信息設備的連續運行，一旦發生故障將導致數據丟失等重大影響。根據數據中心蓄電池的應用場景，分析了蓄電池的運行特點，提出了數據中心蓄電池室通風空調設計的建議：

1) 蓄電池室通風采用0.5～1.0 h-1的平時通風換氣次數；

2) 蓄電池室通風采用常開或間歇運行控制，間歇運行時與氫氣濃度監控系統聯動控制；

3) 蓄電池室夏季空調負荷計算時應采用蓄電池均充散熱量，冬季空調負荷計算時應采用蓄電池浮充散熱量；

4) 蓄電池室冬季僅靠設備散熱無法維持室溫時，應增加空調制熱措施。

蓄電池行業發展迅速，已經出現部分數據中心采用鋰電池備電，因此工程實踐中還應根據項目實際采用的蓄電池種類及其特點，綜合考慮暖通空調系統設計，滿足數據中心可靠、高效、節能等要求。