近年來，人們在生產(chǎn)和生活中對信息的依賴越來越高，使得數(shù)字信息技術(shù)飛速發(fā)展，需求不斷擴(kuò)大。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)如火如荼，越來越多的設(shè)計院、暖通工程師加入到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)之中。然而，數(shù)據(jù)中心機電系統(tǒng)與公共建筑機電系統(tǒng)有很大的區(qū)別，數(shù)據(jù)中心的工藝需求及應(yīng)用特點決定了其機電系統(tǒng)的不同。對于沒有數(shù)據(jù)中心設(shè)計經(jīng)驗的設(shè)計師來說，照搬公共建筑的機電系統(tǒng)設(shè)計思路是行不通的，并會對數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生重大的安全隱患。本文就數(shù)據(jù)中心暖通設(shè)計常見的３個問題進(jìn)行探討。
１金融類數(shù)據(jù)中心相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計
在項目初期，如何確定數(shù)據(jù)中心的機柜數(shù)量、建筑面積等困擾著設(shè)計師，因為這些都受限于數(shù)據(jù)中心工藝規(guī)劃及機電系統(tǒng)方案的確定。合理的機電用房使用面積經(jīng)驗顯得尤為重要。針對獨立的數(shù)據(jù)中心樓（可能包含總控中心在內(nèi)），筆者對參與設(shè)計的金融業(yè)數(shù)據(jù)中心工程進(jìn)行了統(tǒng)計，主要空間占比見表１。
確定數(shù)據(jù)中心建筑面積需要掌握幾個基本數(shù)據(jù)：建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（等級）、IT設(shè)備功率密度、架空地板面積或機柜數(shù)量。
１）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。
不同等級的數(shù)據(jù)中心，相同機柜數(shù)量的建筑面積需求差異很大。不同等級的數(shù)據(jù)中心在機電系統(tǒng)架構(gòu)方面的基本要求不同，以分級更細(xì)的Uptime Institute《Data center site infrastructure tier standard:topology》標(biāo)準(zhǔn)為例，其ＴｉｅｒⅣ標(biāo)準(zhǔn)與ＴｉｅｒⅢ標(biāo)準(zhǔn)在基礎(chǔ)設(shè)架構(gòu)上的典型例子分別為設(shè)備方面２Ｎ（Ｎ為基本需求）或Ｎ＋Ｘ（Ｎ＋Ｘ為系統(tǒng)滿足基本需求外，增加了Ｘ個組件、Ｘ個單元、Ｘ個模塊或Ｘ個路徑。任何Ｘ個組件、單元、模塊或路徑的故障或維護(hù)不會導(dǎo)致系統(tǒng)運行中斷（Ｘ＝１～Ｎ）），管網(wǎng)方面２個獨立單路系統(tǒng)或環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。在機柜數(shù)量及功率密度相同的條件下，與ＴｉｅｒⅢ級系統(tǒng)相比，ＴｉｅｒⅣ級系統(tǒng)將占用更多的建筑面積。
２）ＩＴ設(shè)備功率密度。
設(shè)備功率密度由數(shù)據(jù)中心機房工藝專業(yè)決定，2～80ｋＷ／機柜均有可能出現(xiàn)。常規(guī)設(shè)計中單機柜功率為2.5～20ｋＷ左右。上述案例中均為低密度機柜（案例中最高功率密度為６ｋＷ／機柜）。
３）架空地板面積或機柜數(shù)量。
工程案例中所描述的機柜指標(biāo)準(zhǔn)機柜（600ｍｍ×1200ｍｍ，42Ｕ），一些特殊設(shè)備，如小型機、超算系統(tǒng)設(shè)備本文不討論。表１～３中設(shè)計案例統(tǒng)計數(shù)據(jù)總結(jié)如下：
①單機柜功率密度均值為3.71ｋＷ／機柜；
②單機柜建筑面積均值為11.38㎡／機柜；
③單機柜架空地板面積均值為3.26平方米／機柜；
④建筑面積與架空地板面積比值均值為3.5。
以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可供金融類數(shù)據(jù)中心參考。
２新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計問題
數(shù)據(jù)中心建筑是為計算機系統(tǒng)和其他與之配套的設(shè)備提供工作空間的一類建筑，其服務(wù)對象是服務(wù)器和計算機。建筑中新風(fēng)系統(tǒng)功能有別于一般辦公建筑或人員大量活動的公共建筑中的新風(fēng)系統(tǒng)。其新風(fēng)供給主要目的是稀釋室內(nèi)環(huán)境污染物，防止外部灰塵進(jìn)入主機房，維持機器運行環(huán)境的潔凈要求。用新風(fēng)維持室內(nèi)正壓則是最易于實現(xiàn)潔凈控制的方式。施工圖設(shè)計中新風(fēng)量應(yīng)按GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》第7.4.4條和第7.4.5條確定，但此規(guī)范未給出正壓值與新風(fēng)量的計算過程。實際設(shè)計時通常采用換氣次數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在0.7～1.5ｈ¯1之間選取，機房面積較大時取上限值。在常規(guī)設(shè)計中，新風(fēng)經(jīng)過冷熱處理，只承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷，不負(fù)擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷。將新風(fēng)從室外狀態(tài)直接處理到沿著室內(nèi)狀態(tài)點的等焓線與９０％～９５％相對濕度線的交點，之后沿著等焓線或者等溫線處理至室內(nèi)參數(shù)點。
由于數(shù)據(jù)機房內(nèi)不存在濕負(fù)荷，因此，數(shù)據(jù)機房內(nèi)的機房精密空調(diào)只承擔(dān)顯熱負(fù)荷，干工況運行。在數(shù)據(jù)機房的新風(fēng)處理過程中，夏季若采用常規(guī)空調(diào)的做法，新風(fēng)處理至室內(nèi)等焓點，則有可能導(dǎo)致狀態(tài)點的偏離，因此，在新風(fēng)送至數(shù)據(jù)機房之前，需要將其除濕至室內(nèi)的露點溫度，然后送入數(shù)據(jù)機房空調(diào)間與回風(fēng)混合，經(jīng)機房精密空調(diào)機組降溫處理后送至IT機柜區(qū)，夏季新風(fēng)處理過程焓濕圖見圖１。
而在冬季，由于數(shù)據(jù)機房仍然供冷，若采用常規(guī)系統(tǒng)對新風(fēng)升溫至室內(nèi)等焓點后再進(jìn)行加濕處理，可能需要將新風(fēng)升溫至三四十℃甚至更高，然而，數(shù)據(jù)機房的IT模塊內(nèi)通常配置有加濕機組，新風(fēng)不需要在新風(fēng)機組處進(jìn)行濕處理，只要保證送入室內(nèi)之后不結(jié)露即可，因此，可以將新風(fēng)沿等含濕量線處理到數(shù)據(jù)中心機房的露點溫度附近，再送至數(shù)據(jù)機房空調(diào)間回風(fēng)處，一部分回風(fēng)經(jīng)過加濕器加濕，一部分回風(fēng)經(jīng)過機房精密機組降溫，兩部分風(fēng)混合后送入室內(nèi)。冬季新風(fēng)處理焓濕圖見圖２。
數(shù)據(jù)機房新風(fēng)系統(tǒng)的夏季冷源需要高品位的，一般采用制冷劑或者7℃／12℃冷水的常規(guī)冷源用于新風(fēng)的降溫除濕。常規(guī)冷水的制取做法有2種方式：采用風(fēng)冷冷機組制取7℃／12℃的冷水；采用冷卻塔＋水冷冷水機組制取7℃／12℃冷水。
數(shù)據(jù)機房新風(fēng)系統(tǒng)的冬季熱源溫度不需要太高，因為只需要將室外新風(fēng)沿等含濕量線加熱到數(shù)據(jù)中心機房的露點溫度（１５℃左右）附近即可。因此，40℃以上的水溫一般就可以滿足冬季新風(fēng)加熱的需求。
由于數(shù)據(jù)機房一年四季均產(chǎn)生大量熱量，需要持續(xù)供冷，因此，綜合以上新風(fēng)處理的要求及數(shù)據(jù)機房本身的特殊性，從節(jié)能角度來說，若有條件，則可利用數(shù)據(jù)機房產(chǎn)熱作為新風(fēng)冬季熱源。在利用機房余熱的同時，減少其他能源的消耗。常采用水環(huán)熱泵新風(fēng)機組分散布置或水源熱泵機組集中供冷供熱。另外，為了節(jié)能，還可預(yù)熱新風(fēng)，采用空氣空氣換熱回收的方式，用機房內(nèi)溫度較高的空氣對室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱。數(shù)據(jù)機房的新風(fēng)處理狀態(tài)與辦公建筑區(qū)別較大，主要是夏季水盤管（或制冷劑盤管）制冷量較大，故在設(shè)備采購時應(yīng)格外注意，避免項目在實際運行中出現(xiàn)機房濕度大、控制不住的問題。而且現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心節(jié)能要求高，中高溫冷水應(yīng)用越來越多，機房空調(diào)基本沒有除濕能力，避免夏季新風(fēng)處理不到位。
３空調(diào)系統(tǒng)測量裝置問題
數(shù)據(jù)中心能耗很大，開源節(jié)流非常重要。暖通空調(diào)的節(jié)能及能源管理是數(shù)據(jù)中心管理的重中之重。在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中，傳感器用于測量溫度、流速、電流、電壓、壓力、濕度等參數(shù)，各測量裝置通常組成一個監(jiān)測系統(tǒng)，信息被相應(yīng)的軟件收集進(jìn)而整合展示一裝置（例如，數(shù)據(jù)中心的子系統(tǒng)）、一個設(shè)施或者一個企業(yè)的整體信息。顯然，由于有大量不同類型的軟件，需要能實現(xiàn)不同傳感器、測量裝置通訊交流的能力。圖片
傳感器和測量儀器有不同的外形、精確度和連接形式。表４給出了數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵子系統(tǒng)、每個子系統(tǒng)的主要部件及每個子系統(tǒng)需要測量的關(guān)鍵變量。
傳感器的選擇需要考慮的因素包括：測量品質(zhì)（準(zhǔn)確性、精度、趨勢、響應(yīng)速率）、數(shù)量、測量方法需求、輸出信號需求（或者信號控制）、測量范圍、衰減率、數(shù)據(jù)記錄裝置容量等，以方便投資、電源等資源的規(guī)劃。傳感器的準(zhǔn)確度是最重要的，設(shè)計及使用人員應(yīng)給予重視。數(shù)據(jù)中心常用傳感器特性見表５～７。
測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確會對能耗產(chǎn)生很大影響。例如，冷水供水溫度測量不準(zhǔn)確讀數(shù)偏高０．５６℃，導(dǎo)致冷水實際溫度降低０．５６℃，為了維持這個錯誤的供水溫度導(dǎo)致制冷機功耗增加２％～４％。不了解設(shè)備真實的溫度不僅可能導(dǎo)致能源的浪費，更嚴(yán)重的是，可能因為超過許可的運行范圍而損壞機器。錯誤的數(shù)據(jù)主要是由于溫度傳感器、壓力傳感器、流量儀測量不準(zhǔn)確和人工錯誤（如讀數(shù)或操作錯誤等）造成的。下面舉例說明不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對能效的影響。
假設(shè)1臺制冷機設(shè)計冷量為2.11MW（600rt），460V下滿載電流500A，功率因數(shù)0.9，產(chǎn)生5.6℃溫差，流量327m³/h，設(shè)計能效比為5.88。如果制冷機的蒸發(fā)器液溫傳感器的讀數(shù)低了0.56℃，蒸發(fā)器出口水溫傳感器讀數(shù)高了0.56℃，出現(xiàn)一個1.1℃的錯誤。此時計算能效比為4.71。4.71除以5.88為８０％。即1.1℃的錯誤會導(dǎo)致制冷機的能效降低20%。
上述例子中的測量誤差會影響設(shè)備的運行維護(hù)方案，產(chǎn)生不準(zhǔn)確的能耗分析，制冷站負(fù)荷曲線偏離實際需求２０％，使得制冷機容量選擇變得困難。對于１臺８０％負(fù)荷率為額定負(fù)荷率的２．１１ＭＷ（６００ｒｔ）制冷機，運行在５０％的負(fù)荷率下，一天２４ｈ、３６５ｄ運行，按電價１元／（ｋＷ·ｈ）計算，全年會損失４１５２００元。由此可以看出傳感器和測量裝置校對對所需精準(zhǔn)度的重要性。
４結(jié)語
數(shù)據(jù)中心的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在數(shù)據(jù)中心設(shè)計與建設(shè)中，設(shè)計師需要認(rèn)真的態(tài)度，需要積累設(shè)計經(jīng)驗，提高設(shè)計水平，設(shè)計出合理和節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。
