现行国家数据中心设计规范要求主机房在静态条件下,每升空气中粒径≥0.5 μm的尘粒数应少于176 000粒 ^[1]。而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 ^[2,3]。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5 Pa,与室外静压差不小于10 Pa ^[1]。

　　 由于数据中心全年制冷的特点,近年来在过渡季和冬季将新风作为自然冷源直接引入或者间接换热的新风空调系统成为行业研究的热点 ^{[4,5,6,7,8,9,10,11]}。直接引入式新风空调系统,受空气质量的限制,不仅需要全年对粉尘颗粒物进行过滤,并且还需要解决气体腐蚀、过渡季除湿、冬季加湿加热(进风温度要求高于室内工况机器露点温度)能耗等问题 ^[6,7,8]。而新风间接换热(含喷雾降温)适用的温度范围较小,节能效果不明显,同时制约了制冷系统的换热效率与可靠性 ^[9,10,11]。

　　 因此,在现有的数据中心项目中,特别是在大中型数据中心项目中新风空调系统一直没有大规模应用,而是引入新风保证室内正压,以保证数据中心洁净度。

　　 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。例如北京某层高5 m、主机房面积5 000 m²的中型数据中心,按规范要求计算 ^[1],所需新风量约为60 000 kg/h。夏季将新风处理到机房设计工况(干球温度23 ℃,相对湿度55%),冷负荷约为587 kW,按风冷空调一级能效COP为3.4计算,机组能耗约为173 kW。而冬季将新风处理到机房设计工况所需的加热量约为407 kW,加湿量约为549 kg/h。

　　 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 ^[3]。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。

　　 由于数据中心极少有人员进入,设备(服务器)散热量大,几乎没有潜热负荷,数据中心的空调系统具有显热负荷大、潜热负荷小的特点 ^[12,13]。

　　 因此,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。由于为了保证正压引入的新风增加了湿负荷,使得精密空调长时间处于除湿降温模式,冷量浪费较严重。

　　 根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》 ^[1]及《数据处理环境热指南》 ^[14]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。

　　 常见数据中心空气处理过程如下:室内回风与室外新风混合(或者将室外新风预处理至回风工况的等焓线上,再与室内回风混合),然后经精密空调机组降温除湿至机器露点,再经过精密空调机组电加热至室内设计工况。

　　 图1空气处理过程精密空调能耗计算如下:

　　 $Q=G(h{}_C-h{}_L)=G(h{}_{{\rm H}}-h{}_{{\rm N}})+G(h{}_{{\rm N}}-h{}_L)+G{}_2(h{}_W-h{}_{{\rm H}})(1)$

　　 $Q{}_{\text{r}}=G(h{}_{{\rm N}}-h{}_L)(2)$

　　 式(1),(2)中 Q为制冷量,kJ/h;G为循环风量,kg/h;G₂为室外新风量,kg/h;h为比焓,kJ/kg,下标为对应的状态点;Q_r为再热量,kJ/h。

　　 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空气处理过程的精密空调与新风机组能耗计算如下:

　　 $\begin{array}{l}Q=G{}_2(h{}_W-h{}_L)+G(h{}_C-h{}_{{\rm N}})=\\ G{}_2(h{}_W-h{}_{{\rm H}})+G(h{}_{{\rm H}}-h{}_{{\rm N}})(3)\end{array}$

　　 温湿度独立控制的数据中心空调系统,精密空调常年运行在干工况降温,真正实现大风量小焓差运行。比较式(1)与式(3)可知,温湿度独立控制的精密空调可减少制冷量G(h_N-h_L),并且减少了电加热量Q_r。

　　 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。

　　 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2 500 m²,层高约5 m(净高),空调总冷负荷为2 856 kW,空气密度为1.2 kg/m³,则空调系统室外新风量G₂=30 000 kg/h,末端精密空调的循环风量G=9.02×10⁵ kg/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。

　　 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中各状态点参数如表1所示。

　　 由图3和表3可以看出,采用控制回风温度的精密空调,在除湿工况下的再热送风点温度低于规范推荐的机柜进风温度,无法满足新规范要求 ^[1]。

　　 除湿工况下的循环风量G为

　　 $G=\frac{3600Q}{h{}_{{\rm H}}-h{}_R}(4)$

　　 计算可得G为5.47×10⁵ kg/h。由式(1)可得精密空调的制冷量为3 493.5 kW,由式(2)可得精密空调的再热量为319 kW。

　　 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N的干球温度为23 ℃,相对湿度为55%,比焓为47.8 kJ/kg。

　　 根据式(3)可得精密空调与新风机组能耗为3 173.5 kW。

　　 通过与常见数据中心空调能耗计算结果比较,结果表明夏季工况该数据中心采用温湿度独立控制的空气处理过程减少了精密空调与新风机组制冷量320 kW。风冷空调COP按3.2计算,机组节能量约为100 kW。与此同时,减少了精密空调电加热能耗319 kW。

　　 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。

　　 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。

　　 如图4所示,冬季工况下室外新风经过新风机组的等湿加热至新风送风工况,然后与精密空调的回风混合,混合后经过机房内的湿膜加湿器进行等焓加湿,最后经过精密空调干工况降温至室内设计工况。

　　 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。

　　 新风与回风混合可以利用一部分新风冷量,同时数据机房内湿膜加湿器等焓加湿降温过程也减少了一部分精密空调的加湿能耗(电极加湿)。

　　 计算可得,由于冬季新风的引入,精密空调可减少的制冷量为331.7 kW。风冷空调COP按3.2计算,精密空调节约的能量约为104 kW。因此,由于冬季新风具有天然冷源的属性,该项目在冬季工况可以减少部分数据机房精密空调的制冷量,此外该项目通过设置湿膜加湿器,可以减少精密空调的加湿能耗。

　　 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419 kW,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104 kW。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。