貴陽某數據中心項目暖通空調設計

徐聰聰 黃艷 胡廣月 王敏 韓笑

1 悉地（北京）國際建筑設計顧問有限公司

2 北京鑫鴻城運營管理有限公司

1 項目概況

本項目位于貴州省貴陽，包含4 棟數據中心和1 個能源中心以及其他多棟員工宿舍，辦公活動區，車庫等配套功能用房，總建筑面積約為150000m2。

本論文著重介紹4 棟數據中心相關的暖通設計內容，各棟樓平面圖布置如圖1 所示。

圖1 數據中心平面布置示意圖

2 室外計算參數

貴陽屬于溫和 A 區，其氣候參數見《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）[1]中附錄A。

3 室內設計參數

數據中心及主要電氣用房室內設計參數及通風換氣要求根據《數據中心設計規范》G B50174-2017[2]及使用部門對房間室內參數具體要求確定,主要功能區域室內設計參數見表1。

表1 數據中心房間室內設計參數

4 冷熱負荷確定

數據中心模塊機柜區及相關電氣用房機柜散熱量由電氣專業提供，圍護結構冷負荷及燈光等其他冷負荷用天正負荷計算軟件得出。室內基本無散濕量，不考慮室內濕負荷。各樓棟機柜區及電氣用房發熱量如表2 和表3 所列。

表2 機柜區設備發熱量及空調系統設置

表3 電氣用房設備發熱量

5 空調冷熱源系統

5.1 冷源系統設置

本項目在方案設計階段對貴陽的氣候特點、項目所在地水資源等條件進行了分析，最終選定直接通風冷卻技術、直接蒸發冷卻技術對數據中心模塊區機柜進行冷卻降溫，以實現最大程度運用天然冷源。

4 棟數據中心的微模塊間(不包含A2 區域)，采用直通風+蒸發冷卻系統，不設置冷水機組。

A 樓棟A2 區域微模塊間與所有數據中心相關電氣用房共用空調冷源，采用4 臺1200RT 離心式中溫冷水機組CH-1～4，供回水溫度14/21℃，3 用1 備，其中2 臺采用變頻，2 臺為定頻，變頻機組滿足低負荷情況下機組正常運行。對應設置4 臺變頻低噪音開式冷卻塔CT-1～4，水量Q=915 m3/h，供回水溫度33/38℃。

數據中心相關電氣用房的新風機組與辦公活動區、宿舍區等夏季共用冷源，采用2 臺600RT 離心式冷水機組CH-5～6，1 臺300RT 螺桿式冷水機組CH-7，供回水溫度為6/13℃。對應設置2 臺變頻低噪音開式冷卻塔 CT-5～6，水量Q=535 m3/h，1 臺變頻低噪音開式冷卻塔 CT-7，水量Q=270 m3/h，供回水溫度均33/38℃。

制冷機房設于能源中心地下一層，冷卻塔均設于屋頂。

5.2 空調熱源設置

冬季數據中心輔助用房新風處理與辦公活動區及宿舍空調共用熱源。

能源中心制冷機房設置螺桿式熱泵機組，回收數據中心A 樓A2 模塊間及4 樓棟數據中心配套電氣用房發熱量，熱泵機組可提供的總制熱量為6328 kW，供回水溫度為60/50℃，可以負擔園區內冬季空調用熱水和生活熱水熱負荷。

能源中心地下一層配置2 臺2800 kW 燃氣真空熱水鍋爐作為供暖備用熱源、2 臺700 kW 燃氣真空熱水鍋爐作為宿舍生活熱水備用熱源。

6 空調風系統設計

6.1 微模塊機柜區空調系統

數據機房微模塊機柜區域設置“冷通道”和“熱通道”，采用“熱通道”封閉。依據方案階段提供的 CFD 模擬計算結果對空調設備及模塊機柜進行合理布置。空調風系統示意圖如圖2 所示。

圖2 數據中心模塊間空調風系統示意圖

6.1.1 微模塊間（除B 樓微模塊間B2 外）

①直通風模式。室外干球溫度小于等于28℃時，室外空氣通過數據中心外墻上百葉，經變頻 AHU 風扇陣列送到數據機柜房冷通道區域。空氣送至冷通道，流經模塊機組后進入到熱通道，將數據機柜散熱量帶到熱通道。熱通道空氣通過管道豎井收集，并通過安裝在屋頂上的屋頂式排風機排出至室外。A HU 及排風機臺數對應，為 N+1 冗余。

②蒸發冷卻模式。室外干球溫度超過28℃時，室外空氣通過AHU 的濕膜段進行加濕，從而實現水蒸發過程中對空氣進行冷卻。送風參數溫度需滿足18℃～28℃，相對濕度20%～80%。

③混風加熱模式。室外干球溫度低于18℃時，通過新風，回風電動調節風閥調節風量，使熱通道空氣與室外空氣混合，以達到設定的送風溫度18℃。

④數據機柜房壓力控制。直通風和蒸發冷卻工況下，屋頂排風機與AHU 空調設備相對應啟停。當室外氣溫低于18℃處于在混風模式時，屋頂排風機根據吊頂內熱通道設置壓差傳感器感應壓力值變化來調節風機運行頻率。運行過程中優先調節風機頻率，再執行風機啟停機的控制，可以實現排風道內風量平衡。

6.1.2 B 樓微模塊間B2

①冬季或過渡季室外干球溫度低于18℃時運行模式與其他模塊間一致，采用混風加熱模式。當室外干球溫度超過28℃時，則開啟冷凍水盤管水閥進入冷卻模式。供回水溫度為14/21℃，送風溫度設計為28℃。

②冬季此地塊辦公活動區、宿舍等區域進入供暖狀態時，此時需要關閉新風風閥和屋頂排風風機，進入熱回收模式。通過盤管吸收回風中由服務器機柜排出的熱量，經熱泵機組回收熱能后提供60/50℃熱水供給空調用熱水及生活熱水。

③數據機柜房壓力控制。夏季或過渡季工況下，與其他模塊區域控制方式一致。冬季進入熱回收模式情況下，新風按最小新風量設定，滿足室內壓力+5 Pa，屋頂排風風機處于關閉狀態。

6.2 數據中心變配電室空調系統

變配電室采用水冷機房專用空調機組，N+1 配置，空調盤管用的冷凍水接自14/21℃中溫冷凍水系統。室內濕度及正壓控制通過新風系統運行實現。

機房空調設置在變配電室專用空調設備區域，用擋水圍堰與電氣機柜區進行分隔，氣流組織為頂部雙層百葉送風，機組下前方回風。房間內所有空調機組送風用聯箱聯通，雙層百葉送風，為保證空調冷卻效果，送風口位置依據 CDF 模擬結果，布置在UPS 及變壓器等發熱量大的設備機柜前方。每個空調機組出風口處設置止回閥，以防止空調送風吹入備用空調機組內部。

多個變配電室共用新風機組。新風機組盤管段夏季接自6/13℃低溫冷凍水，冬季接自60/50℃空調熱水，夏季采用冷卻除濕，冬季采用濕膜加濕。

6.3 數據中心電池室空調系統

每個電池室分別設置直膨式機房專用空調，N+1 配置，室外機置于屋頂。空調送風用聯箱聯通，雙層百葉送風，送風口布置在發熱量大的蓄電池機組前方。

多個電池室共用新風機組，每個房間均獨立設置排風風機，風機變頻，保證房間內保持壓力-10 Pa。新風機組盤管段夏季接自6/13℃低溫冷凍水，冬季接自60/50℃空調熱水，夏季采用冷卻除濕，冬季采用濕膜加濕。

7 空調水系統設計

7.1 中溫水系統

中溫冷凍水系統主要服務于B 樓的 L1～3 層東側的微模塊間B2、數據中心內變配電室和電池室。

中溫水設置雙母管系統，保證單點故障時系統的正常運行。

中溫水系統設置應急供冷系統，配置4 臺有效容積為35 m3的蓄冷水罐。若市電停電中溫冷水機組突然停止工作，可以維持供冷的房間空調設備運行8 min。

7.2 空調冷熱水系統

園區內非數據中心空調冷凍水系統采用一次泵定流量，二次泵變流量系統，兩管制，異程式。冷凍水供回水溫度為6/13℃，空調熱水供回水溫度為60/50℃。

7.3 蒸發冷卻補水系統

夏季室外溫度超過28℃情況，數據中心微模塊間進入蒸發冷卻模式。蒸發冷卻水源由給排水專業供給，補水管采用環網設計，管內始終保持有壓滿水狀態，可實現在線維修。

7.4 冷卻水系統

冷卻水系統采用開式系統，供回水溫度為32/37℃。

數據中心用冷卻塔風機變頻，當冷卻水管上的溫度低于設定值時，冷卻塔的風機將由高速轉至低速。如水溫繼續下降，為節省能源冷卻塔風機將會停止工作。此時將單靠冷卻塔循環水灑水，自然風冷。

冬季或過渡季運行期間，冷卻水總供/回水管之間之旁通調節閥控制旁通水量，以免出現冷卻塔進水溫度過低的現象。冷卻水進口最低溫度按15℃考慮，冷卻塔根據出水溫度進行啟閉控制。

冷卻塔設置防凍設施，包括室外管道設置保溫及電伴熱，水盤設電加熱管。

數據中心的冷卻水系統主干管采用雙母管設計，保證單點故障時系統的正常運行。

8 通風防排煙系統設計

本項目防排煙系統執行《建筑設計防火規范》 GB50016-2014（2018 版）[3]、《建筑防煙排煙系統技術標準》G B51251－2017[4]。

模塊機柜區設置機械排煙系統，機械補風，排煙風機置于四層專用排煙機房內。辦公區、內走道等其他需要排煙的場合設置機械排煙，自然補風。

變配電室設置氣體滅火系統，每個變配電室設置一套事故后排風系統。

電池室設置氣體滅火系統，每個電池室設置一套平時排風、事故后排風、氫氣泄漏時事故排風合用的排風系統，排風風機為雙速。

每個電池室安裝氫氣泄露檢測系統，當電池房發生氫氣濃度超標時，自動關閉通風空調風管支路上電動防火閥，排風機高速運行進行事故排風。

電池室平時排風和事故后排風低速運行，排風口在房間上部和下部分別設置。設在上部的排風口安裝高度不低于樓板下0.1 m，排除電池泄露產生的氫氣，且在各個梁上預留套管使各梁窩內空間互相聯通來保證排除效果,設在下部的排風口主要用以排除氣體滅火后產生的廢氣。

9 其他節能措施的應用

9.1 冷卻塔免費制冷

部分微模塊間與所有數據中心相關電氣用房冬季或過渡季存在供冷需要。因此，本項目設置4 臺板式換熱器實現免費制冷，并以換熱器連通冷卻塔水管系統及冷凍水水管系統。

該系統由板式換熱器和相關水泵組成。制冷系統的運行模式分三種：制冷模式，部分冷卻水免費供冷模式，完全冷卻水免費供冷模式。制冷系統運行模式采用以下原則進行切換：

①制冷模式：當室外濕球溫度T/sh≥14℃時，冷卻塔出水溫度T/cws≥18℃時，以冷卻塔出水溫度為準，制冷機組工作，板式換熱器不工作。

②部分免費供冷模式：當室外濕球溫度10℃＜T/sh＜13℃時，冷卻塔出水溫度13℃＜T/cws＜15℃ 時，以冷卻塔出水溫度為準，制冷機組、板式換熱器同時工作，板換與冷機為串聯運行。

③完全免費供冷模式：當室外濕球溫度 T/sh≤9℃時，冷卻塔出水溫度T/cws≤12℃，以冷卻塔出水溫度為準，制冷機組停止工作，板式換熱器工作。

9.2 湖水冷卻系統

本項目圍繞著65000 m2人工湖，湖水源取自上游湖泊。湖水最深處3 m，局部區域0.9 m,總蓄水量為15045 m3。根據規范要求，周平均水溫上升不超過1℃，經計算得出湖水冷卻總散熱能力為2730 kW。

結合湖水循環水系統，從湖面較大的區域取水，經過濾處理后輸送到能源站，通過板式換熱器與數據中心水系統進行間接換熱，換熱之后溫度升高的熱水通過瀑布排入湖中，再經過蒸發冷卻將高溫水冷卻下來，見圖2 所示。

圖2 湖水冷卻系統示意圖

湖水冷卻采用閉式循環系統，通過熱交換器與湖水間接換熱。當湖水溫度 T≤13℃時，可通過湖水進行冷卻，減少中溫冷水機組運行臺數或卸載部分冷水機組負荷以滿足節能效果。

10 結論

作為暖通專業設計人員，在進行數據中心項目設計中應尤其關注空調通風系統設計的合理性、可靠性、節能性。一是，應特別關注項目所在地室外氣候條件，充分利用天然冷源，確定經濟合理的冷熱源系統、空調系統和運行策略。二是，保證機柜區和支持區等重要區域空調管路故障時的檢修要求。三是，應合理利用熱量回收技術以實現能源的節約。四是，應選擇高效節能的設備。