贵阳某数据中心项目暖通空调设计

徐聪聪 黄艳 胡广月 王敏 韩笑

1 悉地（北京）国际建筑设计顾问有限公司

2 北京鑫鸿城运营管理有限公司

1 项目概况

本项目位于贵州省贵阳，包含4 栋数据中心和1 个能源中心以及其他多栋员工宿舍，办公活动区，车库等配套功能用房，总建筑面积约为150000m2。

本论文着重介绍4 栋数据中心相关的暖通设计内容，各栋楼平面图布置如图1 所示。

图1 数据中心平面布置示意图

2 室外计算参数

贵阳属于温和 A 区，其气候参数见《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）[1]中附录A。

3 室内设计参数

数据中心及主要电气用房室内设计参数及通风换气要求根据《数据中心设计规范》G B50174-2017[2]及使用部门对房间室内参数具体要求确定,主要功能区域室内设计参数见表1。

表1 数据中心房间室内设计参数

4 冷热负荷确定

数据中心模块机柜区及相关电气用房机柜散热量由电气专业提供，围护结构冷负荷及灯光等其他冷负荷用天正负荷计算软件得出。室内基本无散湿量，不考虑室内湿负荷。各楼栋机柜区及电气用房发热量如表2 和表3 所列。

表2 机柜区设备发热量及空调系统设置

表3 电气用房设备发热量

5 空调冷热源系统

5.1 冷源系统设置

本项目在方案设计阶段对贵阳的气候特点、项目所在地水资源等条件进行了分析，最终选定直接通风冷却技术、直接蒸发冷却技术对数据中心模块区机柜进行冷却降温，以实现最大程度运用天然冷源。

4 栋数据中心的微模块间(不包含A2 区域)，采用直通风+蒸发冷却系统，不设置冷水机组。

A 楼栋A2 区域微模块间与所有数据中心相关电气用房共用空调冷源，采用4 台1200RT 离心式中温冷水机组CH-1～4，供回水温度14/21℃，3 用1 备，其中2 台采用变频，2 台为定频，变频机组满足低负荷情况下机组正常运行。对应设置4 台变频低噪音开式冷却塔CT-1～4，水量Q=915 m3/h，供回水温度33/38℃。

数据中心相关电气用房的新风机组与办公活动区、宿舍区等夏季共用冷源，采用2 台600RT 离心式冷水机组CH-5～6，1 台300RT 螺杆式冷水机组CH-7，供回水温度为6/13℃。对应设置2 台变频低噪音开式冷却塔 CT-5～6，水量Q=535 m3/h，1 台变频低噪音开式冷却塔 CT-7，水量Q=270 m3/h，供回水温度均33/38℃。

制冷机房设于能源中心地下一层，冷却塔均设于屋顶。

5.2 空调热源设置

冬季数据中心辅助用房新风处理与办公活动区及宿舍空调共用热源。

能源中心制冷机房设置螺杆式热泵机组，回收数据中心A 楼A2 模块间及4 楼栋数据中心配套电气用房发热量，热泵机组可提供的总制热量为6328 kW，供回水温度为60/50℃，可以负担园区内冬季空调用热水和生活热水热负荷。

能源中心地下一层配置2 台2800 kW 燃气真空热水锅炉作为供暖备用热源、2 台700 kW 燃气真空热水锅炉作为宿舍生活热水备用热源。

6 空调风系统设计

6.1 微模块机柜区空调系统

数据机房微模块机柜区域设置“冷通道”和“热通道”，采用“热通道”封闭。依据方案阶段提供的 CFD 模拟计算结果对空调设备及模块机柜进行合理布置。空调风系统示意图如图2 所示。

图2 数据中心模块间空调风系统示意图

6.1.1 微模块间（除B 楼微模块间B2 外）

①直通风模式。室外干球温度小于等于28℃时，室外空气通过数据中心外墙上百叶，经变频 AHU 风扇阵列送到数据机柜房冷通道区域。空气送至冷通道，流经模块机组后进入到热通道，将数据机柜散热量带到热通道。热通道空气通过管道竖井收集，并通过安装在屋顶上的屋顶式排风机排出至室外。A HU 及排风机台数对应，为 N+1 冗余。

②蒸发冷却模式。室外干球温度超过28℃时，室外空气通过AHU 的湿膜段进行加湿，从而实现水蒸发过程中对空气进行冷却。送风参数温度需满足18℃～28℃，相对湿度20%～80%。

③混风加热模式。室外干球温度低于18℃时，通过新风，回风电动调节风阀调节风量，使热通道空气与室外空气混合，以达到设定的送风温度18℃。

④数据机柜房压力控制。直通风和蒸发冷却工况下，屋顶排风机与AHU 空调设备相对应启停。当室外气温低于18℃处于在混风模式时，屋顶排风机根据吊顶内热通道设置压差传感器感应压力值变化来调节风机运行频率。运行过程中优先调节风机频率，再执行风机启停机的控制，可以实现排风道内风量平衡。

6.1.2 B 楼微模块间B2

①冬季或过渡季室外干球温度低于18℃时运行模式与其他模块间一致，采用混风加热模式。当室外干球温度超过28℃时，则开启冷冻水盘管水阀进入冷却模式。供回水温度为14/21℃，送风温度设计为28℃。

②冬季此地块办公活动区、宿舍等区域进入供暖状态时，此时需要关闭新风风阀和屋顶排风风机，进入热回收模式。通过盘管吸收回风中由服务器机柜排出的热量，经热泵机组回收热能后提供60/50℃热水供给空调用热水及生活热水。

③数据机柜房压力控制。夏季或过渡季工况下，与其他模块区域控制方式一致。冬季进入热回收模式情况下，新风按最小新风量设定，满足室内压力+5 Pa，屋顶排风风机处于关闭状态。

6.2 数据中心变配电室空调系统

变配电室采用水冷机房专用空调机组，N+1 配置，空调盘管用的冷冻水接自14/21℃中温冷冻水系统。室内湿度及正压控制通过新风系统运行实现。

机房空调设置在变配电室专用空调设备区域，用挡水围堰与电气机柜区进行分隔，气流组织为顶部双层百叶送风，机组下前方回风。房间内所有空调机组送风用联箱联通，双层百叶送风，为保证空调冷却效果，送风口位置依据 CDF 模拟结果，布置在UPS 及变压器等发热量大的设备机柜前方。每个空调机组出风口处设置止回阀，以防止空调送风吹入备用空调机组内部。

多个变配电室共用新风机组。新风机组盘管段夏季接自6/13℃低温冷冻水，冬季接自60/50℃空调热水，夏季采用冷却除湿，冬季采用湿膜加湿。

6.3 数据中心电池室空调系统

每个电池室分别设置直膨式机房专用空调，N+1 配置，室外机置于屋顶。空调送风用联箱联通，双层百叶送风，送风口布置在发热量大的蓄电池机组前方。

多个电池室共用新风机组，每个房间均独立设置排风风机，风机变频，保证房间内保持压力-10 Pa。新风机组盘管段夏季接自6/13℃低温冷冻水，冬季接自60/50℃空调热水，夏季采用冷却除湿，冬季采用湿膜加湿。

7 空调水系统设计

7.1 中温水系统

中温冷冻水系统主要服务于B 楼的 L1～3 层东侧的微模块间B2、数据中心内变配电室和电池室。

中温水设置双母管系统，保证单点故障时系统的正常运行。

中温水系统设置应急供冷系统，配置4 台有效容积为35 m3的蓄冷水罐。若市电停电中温冷水机组突然停止工作，可以维持供冷的房间空调设备运行8 min。

7.2 空调冷热水系统

园区内非数据中心空调冷冻水系统采用一次泵定流量，二次泵变流量系统，两管制，异程式。冷冻水供回水温度为6/13℃，空调热水供回水温度为60/50℃。

7.3 蒸发冷却补水系统

夏季室外温度超过28℃情况，数据中心微模块间进入蒸发冷却模式。蒸发冷却水源由给排水专业供给，补水管采用环网设计，管内始终保持有压满水状态，可实现在线维修。

7.4 冷却水系统

冷却水系统采用开式系统，供回水温度为32/37℃。

数据中心用冷却塔风机变频，当冷却水管上的温度低于设定值时，冷却塔的风机将由高速转至低速。如水温继续下降，为节省能源冷却塔风机将会停止工作。此时将单靠冷却塔循环水洒水，自然风冷。

冬季或过渡季运行期间，冷却水总供/回水管之间之旁通调节阀控制旁通水量，以免出现冷却塔进水温度过低的现象。冷却水进口最低温度按15℃考虑，冷却塔根据出水温度进行启闭控制。

冷却塔设置防冻设施，包括室外管道设置保温及电伴热，水盘设电加热管。

数据中心的冷却水系统主干管采用双母管设计，保证单点故障时系统的正常运行。

8 通风防排烟系统设计

本项目防排烟系统执行《建筑设计防火规范》 GB50016-2014（2018 版）[3]、《建筑防烟排烟系统技术标准》G B51251－2017[4]。

模块机柜区设置机械排烟系统，机械补风，排烟风机置于四层专用排烟机房内。办公区、内走道等其他需要排烟的场合设置机械排烟，自然补风。

变配电室设置气体灭火系统，每个变配电室设置一套事故后排风系统。

电池室设置气体灭火系统，每个电池室设置一套平时排风、事故后排风、氢气泄漏时事故排风合用的排风系统，排风风机为双速。

每个电池室安装氢气泄露检测系统，当电池房发生氢气浓度超标时，自动关闭通风空调风管支路上电动防火阀，排风机高速运行进行事故排风。

电池室平时排风和事故后排风低速运行，排风口在房间上部和下部分别设置。设在上部的排风口安装高度不低于楼板下0.1 m，排除电池泄露产生的氢气，且在各个梁上预留套管使各梁窝内空间互相联通来保证排除效果,设在下部的排风口主要用以排除气体灭火后产生的废气。

9 其他节能措施的应用

9.1 冷却塔免费制冷

部分微模块间与所有数据中心相关电气用房冬季或过渡季存在供冷需要。因此，本项目设置4 台板式换热器实现免费制冷，并以换热器连通冷却塔水管系统及冷冻水水管系统。

该系统由板式换热器和相关水泵组成。制冷系统的运行模式分三种：制冷模式，部分冷却水免费供冷模式，完全冷却水免费供冷模式。制冷系统运行模式采用以下原则进行切换：

①制冷模式：当室外湿球温度T/sh≥14℃时，冷却塔出水温度T/cws≥18℃时，以冷却塔出水温度为准，制冷机组工作，板式换热器不工作。

②部分免费供冷模式：当室外湿球温度10℃＜T/sh＜13℃时，冷却塔出水温度13℃＜T/cws＜15℃ 时，以冷却塔出水温度为准，制冷机组、板式换热器同时工作，板换与冷机为串联运行。

③完全免费供冷模式：当室外湿球温度 T/sh≤9℃时，冷却塔出水温度T/cws≤12℃，以冷却塔出水温度为准，制冷机组停止工作，板式换热器工作。

9.2 湖水冷却系统

本项目围绕着65000 m2人工湖，湖水源取自上游湖泊。湖水最深处3 m，局部区域0.9 m,总蓄水量为15045 m3。根据规范要求，周平均水温上升不超过1℃，经计算得出湖水冷却总散热能力为2730 kW。

结合湖水循环水系统，从湖面较大的区域取水，经过滤处理后输送到能源站，通过板式换热器与数据中心水系统进行间接换热，换热之后温度升高的热水通过瀑布排入湖中，再经过蒸发冷却将高温水冷却下来，见图2 所示。

图2 湖水冷却系统示意图

湖水冷却采用闭式循环系统，通过热交换器与湖水间接换热。当湖水温度 T≤13℃时，可通过湖水进行冷却，减少中温冷水机组运行台数或卸载部分冷水机组负荷以满足节能效果。

10 结论

作为暖通专业设计人员，在进行数据中心项目设计中应尤其关注空调通风系统设计的合理性、可靠性、节能性。一是，应特别关注项目所在地室外气候条件，充分利用天然冷源，确定经济合理的冷热源系统、空调系统和运行策略。二是，保证机柜区和支持区等重要区域空调管路故障时的检修要求。三是，应合理利用热量回收技术以实现能源的节约。四是，应选择高效节能的设备。