關于數據中心機房利用新風維持正壓的研究

廣州杰賽通信規劃設計院有限公司 王凱旋中國市政工程中南設計研究總院有限公司 林弘杰

建筑室內新風量和正壓的關系復雜，涉及空調凈化、理論模擬分析的相關研究較多，對數據中心新風換氣次數與室內正壓的關系研究很少。本文基于海南某新建數據中心機房新風的設計及測試情況，探討機房適宜的新風設計風量。

1 理論及規范研究

目前相關文獻給出的計算維持房間正壓所需空調新風量的方法是基于風量或質量流量平衡法推導出來的，分為換氣次數法和縫隙法[1-5]。其中換氣次數法按照室內門窗的密閉性和要求的室內外壓差查表確定房間換氣次數，這種計算結果風量取值偏大，適用于規劃設計階段評估或估算新風量指標；縫隙法需要先測量統計建筑圍護結構的縫隙面積，結合圍護結構兩側壓差值進行計算，其計算公式為

Q=cAΔpn

(1)

式中 Q為通過縫隙的空氣量，m3/h；c為綜合流動系數，m/(Pan·h)，其中n為壓力指數，一般取0.6～0.7，宜取0.6；A為縫隙的有效漏風面積，m2；Δp為計算圍護結構兩側壓差值，Pa。

因為壓差風量與建筑物圍護結構氣密性和室內外壓差有關，同樣尺寸的房間，設置不同數量和形式的門窗(縫隙面積和局部阻力系數不同)，其氣密性不同，導致漏風量也不同。所以縫隙法計算結果較為合理和準確。

由于大多數數據中心機房不設日常排風，熱壓和風壓作用忽略不計，可以認為縫隙滲出的風量即為需要補入機房的新風量。

對于數據中心機房，準確計算縫隙的有效漏風面積是確定合理新風送風量的基礎。機房可以定性分析的縫隙部位有門縫、傳輸饋線窗縫、電力引入縫、空調通風輸配管縫和水封不嚴的下水道等。除門縫可以測量計算外，其他部位均由施工封堵，很難準確計算，只能通過實測確定。

由于數據中心各主機房內布置的傳輸饋線窗、電力引入橋架、空調通風管道和應急排水地漏等具有高度相似性，所以研究兩開門機房其他部位縫隙面積在門縫面積上的附加系數，可以為數據中心機房新風設計提供依據[6]。

關于新風量的取值，GB50174—2017《數據中心設計規范》(以下簡稱《規范》)第7.4.5條規定，應取下列2項中的大值：1)按工作人員計算，每人40m3/h；2)維持室內正壓所需風量。

關于機房正壓的要求，《規范》第7.4.4條規定：主機房應維持正壓；主機房與其他房間、走廊的壓差不宜小于5Pa，與室外靜壓差不宜小于10Pa。

GB50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第7.1.5條規定，空調區內的空氣壓力應滿足下列要求：1) 舒適性空調，空調區與室外或空調區之間有壓差要求時，其壓差值宜取5～10Pa，最大不應超過30Pa；2) 工藝性空調，應按空調區環境要求確定。

數據中心多為無人值守機房，新風量的取值應主要從維持室內正壓考量。但是偶爾會有人進入機房作業，所以其空調應該定義為工藝性為主，兼顧部分舒適性空調的要求。無特殊要求時，按照GB50736—2012第7.1.5.1條的規定，機房內外允許的壓差值應該按照5～30Pa取值，新風量根據壓差值計算。

2 測試對象與方法

測試對象為海南省海口市某新建數據中心。在動態(機房運行假負載)條件下，測試新風送風量和室內外壓差的關系。被測機房(見圖1)位于建筑2層，其中北面為外墻，設計2扇1 500 mm(寬)×2 100 mm(高)的甲級防火門，室內無窗。房間面積為185 m2，體積為900 m3(房間凈高4.865 m，抗靜電地板和上部吊頂縫隙較大，不作容積分割)。其南側有一較大機房，體積為2 358 m3，2個機房共用1臺組合式新風機組送風。

圖1 被測機房平面圖

各機房按照1 h-1換氣次數設計風量，新風機組額定送風量為3 600 m3/h。測試時通過調節南側大機房新風送風口尺寸(措施為擋板封堵風口)和北側新風管上蝶閥的開度，控制被測機房新風送入量。在機房縫隙的有效漏風面積一定的情況下，測試機房正壓差與新風量的關系。

測試分3個步驟進行：1) 靜態(所有電子信息設備和新風設備未運行，空調設備正常運轉)測機房內外壓差；2) 動態(以假負載代替電子信息設備運行，空調和新風設備正常運轉)測機房內外壓差；3) 在動態測試的條件下，調整被測機房新風送風換氣次數在0～3.1 h-1范圍內變化，對16種新風狀態進行測試。

測試從5月中旬開始，時值海南的雨季，空氣含濕量大，室外氣溫高且多日氣象變化相似。對上述16種測試狀態，每天選擇1種進行試驗，數據采集間隔1 h。

采用TES-1341風速儀，在機房新風系統送風口斷面上按照相關標準設置多點測量風速，求得測量斷面的平均風速，并以此計算新風換氣次數；在距機房門內500 mm區域及封閉冷通道內側區域，使用Fluke 971溫度濕度測量儀測量溫濕度；采用EY-200A壓差儀測量機房與走廊的正壓；使用METONE HHPC 6+便攜式空氣顆粒計數器測量室內(尤其是機房門內側)空氣含塵濃度。

3 測試結果與分析

在靜態條件下，室內外壓差在-0.1～0.2 Pa之間波動，說明熱壓和風壓作用對機房環境影響很小，可以忽略不計。在動態條件下，被測機房正壓平均值為8.9 Pa，符合相關標準對機房新風量和正壓值要求。在動態條件下，測試的16種新風換氣次數與室內正壓的關系如圖2所示。

圖2 被測機房室內正壓值與新風換氣次數的關系

由圖2可見，室內正壓值與新風送風量(換氣次數)并不呈線性關系。當新風換氣次數小于0.1 h-1時，可以認為不能引起室內外壓差，當熱壓或風壓過大時甚至引起室外風倒灌；當新風換氣次數小于0.5 h-1時，新風量變化對室內正壓值影響較小；新風換氣次數大于0.7 h-1且小于2.1 h-1時，室內正壓值隨新風量迅速變化，新風量對室內正壓作用明顯。

對新風換氣次數在0.7～2.1 h-1之間的數據進行分析。采用式(1)計算測試機房縫隙的有效漏風面積，并通過測量門縫面積，推導出其他部位縫隙面積在門縫面積上的附加系數，為0.65～0.98。為保證設計安全冗余，建議縫隙附加系數取1。

為驗證新風維持正壓效果，在測試風量的同時，對被測機房室內外相對濕度也進行了測試(見圖3)。從圖3可以看出，當新風送風換氣次數大于0.5 h-1時，門口區域室內外濕度基本一致，可以認為室內正壓壓迫門口區域形成了一個穩定的熱濕環境，室外高濕空氣已經很難滲入機房內部，室內外空氣的濕交換減弱。

圖3 被測機房相對濕度差(中心區域相對濕度與門口內側區域相對濕度之差)與新風換氣次數的關系

當新風換氣次數大于1.0 h-1時，新風量超過900 m3/h，按照室內外溫差8 ℃計算，每小時冷量損失為8.7 kW·h，由于新風系統為直流式系統，這部分能量排到室外。新風送風量越大，冷量浪費越嚴重。

從節能減排的角度考慮，應該減少機房向外滲漏冷風，防止冷量浪費，所以較經濟且安全的新風換氣次數為0.8～1.1 h-1。另外，提高機房的密閉性可以降低新風量，但新風換氣次數不宜低于0.5 h-1。

4 結論

1) 由于數據機房密閉性不如潔凈度要求高的廠房和醫院手術室，計算數據中心機房新風量時，若按照GB 50073—2013《潔凈廠房設計規范》推薦的縫隙單位面積漏風量法計算，新風量取值偏小，正壓得不到保證；若采用換氣次數法估算，新風量則會偏大，會造成機房冷量浪費。應研究適用于數據中心最小和最大新風量的計算方法。

2) 對于兩門無窗的數據機房，宜在門縫面積的計算基礎上附加其他縫隙面積，綜合建筑縫隙面積，可以認為相當于門縫面積的2倍。

3) 數據中心機房的新風換氣次數可取0.8～1.1 h-1，對應的室內外正壓差為5～12 Pa，當建筑圍護結構密閉性較好且設備孔洞封堵較嚴密時，可以適當減小機房新風量。