浅谈数据中心暖通设计新思考

在2018年之前，国内对于数据中心的暖通设计主要遵循《电子信息系统机房设计规范》GB 50174-2008（以下简称08版规范）的A级～C级的相关规定进行设计，在长期的设计中发现，大多数大型数据中心的要求均需达到A级机房要求，然而，08版规范对于数据中心尤其是A级机房设计的很多规定，不能与现阶段的IT技术、服务器发展水平、各类型使用者的需求相匹配。因此，许多大型数据中心设计时也常参考一些国际标准，如ASHRAE（美国采暖制冷空调工程师学会）主编的《数据处理环境热指南》中1级环境等级标准 ^[1] ，以及Uptime Institute（全球公认的数据中心标准组织和第三方认证机构）提出的国际等级认证体系TierI-TierIV中的TierⅢ（在线维护的机房基础设施）和TierIV（容错的机房基础设施）级别的相关标准。

2018年，《数据中心设计规范》GB 50174-2017（以下简称17版规范）替代08版规范全面实施，17版规范相较于08版规范，设计标准和国际数据中心行业现阶段使用标准接轨，以数据机房的主机房暖通环境温湿度设计参数为例，17版规范中A级～C级主机房的参数均统一采用《数据处理环境热指南》中1级环境的推荐值。

由于大型数据中心设计时基本要求至少达到国标A级机房标准，因此，本文仅对比两版规范对于A级机房暖通设计主要温湿度参数的变化，及其对设计产生的一些影响。

两版规范A级机房设计参数中，辅助区设计参数未作改变，维持以下设计参数：开机时，18℃～28℃（温度）、35%～75%（相对湿度），停机时，5℃～35℃（温度）、20%～80%（相对湿度）。电池室设计温度范围有所提高，由15℃～25℃，提高为20℃～30℃。变化最大的为主机房的设计参数，在焓湿图上表示见图1所示，08版规范主机房温度设计定义为23±1℃，17版规范将其修改为冷通道或机柜进风区域的温度，由于IT主机房一般采用冷热通道分离的方式布置，冷通道送风，热通道回风，因此，控制冷通道或机柜进风区域（近似可以认为是送风）温湿度，即控制机柜吸入口空气的温度参数比控制整体房间温度在一个范围之内，更为容易实现。同时，控制的送风范围宽泛，便于在设计时综合考虑实际情况，在尽量减少降温、除湿的耗能处理过程的同时满足设备正常运行。

对于常规空调系统，夏季制冷时，考虑室内设计干球温度为25℃，相对湿度60%，此时露点温度为16.7℃，对室内进行冷却除湿时，冷源的温度需要低于室内空气露点温度16.7℃，考虑5℃传热温差与5℃介质输送温差，因此常规空调系统的供回水温度大多设定在7/12℃。数据机房的特性是室内只有热负荷，基本没有湿负荷，数据机房的冷源系统只需承担冷却功能，因此冷源的温度低于主机房送风温度即可，适当提高冷源的供水温度，相当于冷凝温度不变的情况下提高了冷水机组的蒸发温度，可以提高冷水机组的COP，是暖通行业的一个共识，08版规范未明确主机房送风温度，但根据其对主机房的温度设定以及实际工程设计经验，可以认为22℃作为机房空调系统的送风温度 ^[2] 。考虑传热温差与介质输送温差，可以将供回水温度提高5℃左右，同时考虑减少水泵能耗，可将供回水温差略微加大，数据中心暖通系统常采用12/18℃的供回水温度。17版规范中主机房允许送风温度进一步提高，理论上，为主机房服务的冷源温度有进一步提高的空间，也即有更大的节能空间。但同时，17版规范中辅助区的设定温度与之前变化不大，加之还需要同时考虑办公、新风等因素，因此，在设计时要综合考虑，力争在符合实际建筑条件、保证设备运行条件、满足业主使用需求的同时选择最节能的空调方案。

以下，笔者将结合一数据机房的工程设计实例，介绍根据17版规范进行设计时带来的一些思考和解决方案，愿为广大同仁提供参考。

该工程位于北京市昌平区，整栋楼作为IDC出租，建筑功能以数据机房为主，兼有部分信息指挥大厅和内部维护办公功能，数据机房建设等级为A级。总建筑面积13296m ² （其中地上建筑面积7887m ² ，地下建筑面积5409m ² ），建筑高度为23m，地上4层，地下2层，总IT容量约为5747kW，单机柜容量不高于5kW。空调主要负荷估算如表1所示。

         

         

表1  空调负荷估算表

         

         

         

本项目特点如下：水资源紧张，不适合使用水冷冷水系统。业主希望尽可能利用室内空间，多布置机柜，以利于出租。室外场地空间局促，屋面空间可用于布置设备，但屋面空间较紧张。冬季有市政供热。机房区全年制冷，不可断电。

本项目耗时较长，方案开始很早，彼时17版规范尚未实施，根据以上项目特点，确定方案如下：

数据机房区系统设置：采用一级泵变流量系统，冷源为带自然冷却模块风冷冷水机组，全年供/回水温度12/18℃。风冷冷水机组为1300kW×7台，六用一备，布置于屋面（图2）。水泵四台，三用一备，变频，位于地下二层冷热源机房。设置1台室外开式蓄冷罐，蓄冷容量保障IT设备15min持续供冷的需求，储存12℃冷水，风冷冷水机组失电时，蓄冷罐作为冷源向机房区放冷。IT机房及电气房间末端采用水冷型机房空调，设计送风温度17℃。办公及新风系统：采用变冷媒流量多联机系统负担办公类用房空调供冷供热，新风机组使用水源多联机系统，夏季使用机房区12℃冷水，冬季采用市政热供热。机房末端采用水冷式机房空调，为提高供冷效率，采用冷通道封闭。

该方案满足项目需求，空间利用紧凑，因此得到业主的认可，但在具体推进时遇见了一些问题。

数据中心17版规范开始实施，该方案能满足规范要求，经深思熟虑，可在规范允许范围内进行一些改进。某通信科技公司作为该数据中心的使用者及运维方，提供了其服务器的实际运行工况：服务器可在送风温度27℃，回风温度39℃的情况下运行，不影响性能。

根据以上项目特点，本项目重新进行方案设计，并在过程中需要解决两个问题：

（1）主机房房间送回风温度可以提高，送风温度最高可提升至27℃，根据前述，在此情况下，空调供回水温度最高可以提升至17/23℃左右，即提高了冷机中冷媒的蒸发温度，而在冷凝温度不变的情况下，提高蒸发温度，可以大大提高冷机的COP，同时，提高了供回水温度，可以显著延长冬季使用室外冷源自然冷却的时间，减少机械制冷时间。由于供回水温差不变，因此对输送系统（冷源系统的水泵及其他配套设施）选型影响不大，房间送回风温差仍然可以达到12℃，对末端机房空调选型影响不大（经与厂家验证，机房空调同一型号进行修正后对其出力有影响，但差异不大），在输送系统和末端用电量基本不变的情况下，减少了制冷主机用电量，可以大幅减少项目总用电量。在此工况下，蒸发温度的提高，导致制冷机组压缩机的蒸发压力提高，制冷系统的压缩比显著减小 ^[3] ，对制冷机组要求较高，需要确定厂家是否生产如此高水温的机型。经过咨询，主流的风冷冷水机组均可以生产17/23℃的机组，因此，初步确定，机房区供回水采用17/23℃的水温。

（2）根据17版规范，辅助区的允许温度范围仍然与旧规范相同，为18℃～28℃，不间断电源系统电池室温度虽然有所提高，但是也没有超过30℃，因此，17/23℃的供回水温度情况下，机房区能够满足要求。如果要维持辅助区（包括电池室）在规范规定的温度范围内，末端机房空调的选型会有困难。另有人员办公区域还需设计一部分常规空调系统，夏季的新风也需要设计一些低温冷源用于降温除湿。

基于以上情况，重新估算空调冷负荷如表2：

         

         

表2  空调负荷估算表

         

         

         

根据表2，考虑以下几个方案备选：

方案一：机房区设置供回水温度17/23℃的高温冷水系统，机房辅助区和新风机组使用冷媒直膨机组，办公区使用VRF系统。

方案二：机房区设置供回水温度17/23℃高温冷水系统，为辅助区单独设置一套供回水温度12/18℃的较低温度冷水系统，新风机组和办公区使用一套供回水温度6/12℃的低温冷水系统。

方案三：机房区设置供回水温度17/23℃的高温冷水系统，辅助区和办公区及新风机组合用一套供回水温度6/12℃的低温冷水系统。

其中，方案一需要使用大量冷媒直膨机组，室外机所占区域过大，经过实际摆放，屋面空间不够。方案二设置了三套冷水系统，管道的布置和运行时各个系统的分项控制过于复杂，造价较高。最终选择方案三。

方案三具体设置为：两套冷源系统，一套系统供回水温度17/23℃，采用带自然冷却蒸发冷风冷冷水机组，为IT主机房服务，机组为1300kW（标况）×6台，五用一备，全年供冷。另一套系统供回水温度6/12℃，采用带自然冷却蒸发冷风冷冷水机组，为机房辅助区、办公及新风服务，机组为1300kW（标况）×2台，保证动力部分供冷量基本达到一用一备，全年供冷，为办公及新风服务的水管冬季采用阀门关断，连接入市政热供热。设置1台室外开式蓄冷罐，蓄冷容量保障IT设备15min持续供冷需求，储存17℃冷水。风冷冷水机组失电时，蓄冷罐作为冷源向机房区放冷。采用一级泵变流量系统，风冷冷水机组设置于屋面，泵房及其他辅助设备设置于地下二层冷热源机房。机房末端采用水冷式机房空调，由于回风温度较高，考虑机房整体环境温度，采用热通道封闭。调整后屋面布局如图3所示。

该系统主要优点如下：

（1）由于设置了两套冷源系统，解决了不同功能区域、不同设备的设计温度要求不一致的问题。

（2）在可能的范围内尽量使用能效较高的高温冷水机组，减少全年的能耗。

（3）采用带自然冷却蒸发冷风冷冷水机组，可以最大限度减少压缩机的开机时间和满负荷运转时间，降低能耗。

（4）蓄冷罐的容量仅保证核心IT区的紧急供冷，因此同样蓄冷容量可以保证更长时间的蓄冷时间，增加系统安全性。

原方案全年计算耗电量7581万kWh，调整后方案全年计算耗电量6969万kWh，原方案暖通系统总投资约为3974.37万元，修改方案后暖通总投资约为4015.79万元，投资增加了约41.42万元（其中，由于调整了建筑布局及IT机柜密度，修改后方案末端机房空调投资与原方案相比减少约200万元），综合来看，投资增加较少，节电量巨大。

（1）基于现在整个IT行业的飞速发展包括数据中心规范的相应变迁，数据机房的水系统可以采用更高的供回水温度，因此高温冷水机组的应用会更加广泛，高温冷水机组搭配蒸发冷却及自然冷却等节能方式可以使系统的节能潜力得到更好的发挥。

（2）基于IT机房回风温度的提高，为了同时兼顾机房工作人员的舒适度，在今后的数据中心设计中可以更多的考虑热通道封闭的方式，同时，热通道回风温度越来越高，运维人员在热通道内进行设备的维修维护时将面临较为恶劣的工作环境。根据一些统计结果表明，数据中心的工艺设备运行时负荷并未达到设计值，此时可以尝试在机房内采用定风量变温差的控制调节方式对回风温度进行调整或重新设定，以此改善运维时的工作环境。

（3）每个数据机房都是一个独立的个体，业主的需求和使用方的要求更多有不同，在设计中需要更多挖掘数据中心的实际状况，考虑每个项目的特色，结合规范在允许的范围内更多的考虑节能、环保等问题，数据机房是一个投资和耗能的大户，相信每一点思考和改进都有其独特的意义。