【HVAC】论文 | 数据中心空调系统新风节能设计研究

       摘要
       通过研究数据中心空气处理过程，对比分析了常见的数据中心与温湿度独立控制数据中心的空气处理过程，并计算了2种空气处理过程精密空调的能耗。计算结果表明，对于温湿度独立控制数据中心的空气处理过程，虽然增加了新风的处理能耗，但可以有效减少精密空调的除湿与再热能耗，具有较大的节能潜力。对于大型数据中心的空调系统，采用温湿度独立控制的新风节能设计，具有较大的节能意义。

       关键词
       数据中心　空调系统　新风　温湿度独立控制　节能

       作者
       捷通智慧科技股份有限公司　黄庆河　曹连华　马春霞

引言

    新风对于保持数据中心的洁净度非常重要，其主要作用是保持机房室内正压，维持室内洁净度。因此，数据中心的暖通系统要求设计新风系统，来保证机房与其他房间、走廊的压差不小于5Pa，与室外静压差不小于10Pa。

数据中心新风系统能耗

    由于我国大多数地区夏季新风热湿负荷较大，且数据中心对于温湿度要求严格，因此新风的处理能耗较大。
目前运行的数据中心案例中，由于机房封堵不严或新风机过滤器堵塞，实际新风量无法达到设计要求，机房无法形成正压。因此，在设计中会增加新风量，以保证机房正压。新风量增大必然会增加空调系统负荷，造成巨大的能源浪费。
      此外，新风量增加造成新风过滤器数量增加，初投资和维护成本明显提高。因此，在满足数据机房正压需求的前提下，应尽量减少设计新风量，以降低机房能耗。而能否减少新风的能耗，也成为数据中心空调系统节能与否的关键。

数据中心温湿度独立控制节能分析

    数据中心的空调系统具有显热负荷大、潜热负荷小的特点。
    数据中心精密空调送回风采用大风量、小焓差，防止设备结露，提高机房的洁净度等级，避免局部过热现象。
根据GB 50174-2017《数据中心设计规范》及《数据处理环境热指南》对于主机房环境的温湿度要求，机柜进风温度为18～27℃，露点温度为5.5～15℃且相对湿度不大于60%，见图1，上面线框为回风工况温湿度范围（非规范要求），下面线框为数据中心送风温湿度范围。

图1 常见数据中心空气处理过程

    现有数据中心的精密空调都设置加湿和除湿功能，且常年运行在除湿工况。特别是南方地区，室外空气相对湿度较大，由于新风没有处理或处理不够，带入湿负荷，使得精密空调长期运行在除湿工况，或者相邻的精密空调不停地在除湿和加湿模式间频繁切换运行，造成巨大能量浪费。
    温湿度独立控制数据中心的空气处理过程见图2：室外新风经过新风机组降温除湿至机器露点，然后与精密空调的室内回风混合，再经过精密空调的干工况降温至室内设计工况点。

图2 温湿度独立控制的数据中心空气处理过程

    由于数据中心的精密空调循环风量远大于新风量，因此，温湿度独立控制的数据中心空调系统新风除湿增加的能耗远小于精密空调减少的能耗。

数据中心新风系统节能设计案例

    以苏州地区某农商银行的中型数据中心为例，主机房总面积为2500m2，层高约5m（净高），空调总冷负荷为2856kW，空气密度为1.2kg/m3，则空调系统室外新风量G2＝30000kg/h，末端精密空调的循环风量G＝9.02×105kg/h。新风系统采用双盘管新风机组露点送风，数据机房设置风冷精密空调进行末端干工况降温，同时设置湿膜加湿器冬季等焓加湿。　

    3.1 常见数据中心空调能耗计算
    与常见数据中心空气处理过程有所不同，实际运行中，精密空调在夏季的除湿工况通常采用较低的送风温度（低于室内设计工况点），降低循环风量，增大送回风工况比焓差，实际空气处理过程如图3所示。

图3 实际运行的空气处理过程

    图3 中各状态点参数如表1所示。

表1 图3各状态点参数

    3.2 温湿度独立控制空调能耗计算
    3.2.1 夏季工况
    该项目采用温湿度独立控制的空气处理过程，夏季工况下，室外新风经过新风机组冷凝除湿到机器露点，然后与室内精密空调的回风混合，混合后经过精密空调干工况降温至室内设计工况点，整个过程新风不增加湿负荷。
    如图3所示，室内状态点犖的干球温度为23℃，相对湿度为55%，比焓为47.8kJ/kg。
    如果严格按照规范推荐的机柜进风温度，采用控制出风温度的精密空调，那么在除湿工况下的再热送风温度要提高到18℃以上，精密空调节约的能量是上述2倍以上。

    3.2.2 冬季工况
    该项目采用常规的新风机组电加热进行新风的等湿加热（保证进风温度不低于室内工况机器露点温度），这部分加热能耗为新风机组必须增加的能耗。冬季新风的等湿加热过程也可以采用室内的回风进行预热，以减少部分新风机组能耗。该项目冬季工况数据中心室内空气处理过程见图4。

图4 冬季室内空气与新风处理过程

    以模块机房作为选型和计算对象，冬季室内空气与新风处理过程如图4所示，其中回风状态点、室内状态点与夏季工况相同，其他状态点参数如表2所示。

表2 图4各状态点参数

结论

    1）夏季设计工况下，温湿度独立控制数据中心的空气处理过程与常见数据中心空气处理过程相比，前者精密空调机组减少能耗419kW，节能效果显著。
    2）冬季设计工况下利用了部分新风的冷量，精密空调减少能耗104kW。同时采用湿膜加湿器，减少了精密空调的加湿能耗。
    3）数据中心机房的精密空调具有大风量小焓差的特点，在空气处理过程中即使很小的比焓变动都会增加精密空调的能耗。而采用温湿度独立控制的空气处理过程，夏季利用新风机独立除湿，冬季采用湿膜加湿器等焓加湿，可以有效减少精密空调的能耗。
（全文刊登于《暖通空调》2020年第50卷第3期53～56页）