李进升
中央广播电视总台 100026
随着电视技术的飞速发展，中央广播电视总台在“5G+4K/8K+AI”的战略指引下，近几年陆续开展了多项数据机房建设改造工作。其中绝大部分工作，因机房内机柜超过原设计容量，导致原设计供冷量不足，均需要重新进行空调系统设计适配工作。
本文拟对以往改造项目的相关设计经验进行总结，探讨空调系统适配改造的冷量核算、方案设计及设备选型方法，为今后的类似改造项目提供参考借鉴。
关键词：数据机房；空调系统适配；精密空调选型
空调系统对于数据机房的设备运行有着举足轻重的作用，在机柜设备需要增容改造的情况下，可按以下经验方法，对机房空调系统进行适配改造选型。
一、参数计算
空调系统适配方案设计的首要问题，是需要计算机房内冷负荷。常规情况下，机房内冷负荷包括了设备散热引起的冷负荷、机房照明引起的冷负荷、机房内人员散热引起的冷负荷、建筑围护结构散热引起的冷负荷、以及新风负荷等。因数据机房原设计空调系统中，已经包含了对上述负荷的计算，并且照明、人员、建筑围护结构以及新风产生的冷负荷影响较小，几乎可以忽略不计，同时，空调适配改造是在原有空调设备基础上增加机组或更换为供冷量较大的机组，因此仅需要对新增设备后产生的设备散热冷负荷进行计算，匹配精密空调冷量进行选型即可。
1.冷负荷核算
数据机房内主要设备为数据传输机柜，正常情况下，可直接通过机柜生产商提供的机柜散热量，计算其所需冷量。实际工作当中，通常由机房用户方提供机柜总功率，通过总功率计算机柜散热引起的冷负荷。所用公式为：
Q=860Ph1h2h3 （kW）
式中，860：功的热当量
P：总功率，kW
h1：同时使用系数
h2：利用系数
h3：负荷工作均匀系数
机房内设备总功耗并不会全部转化为热量，因此必须用以上三种系数进行修正，这些系数与机柜设备的系统结构、功能用途、工作状态等有关，再结合功的热当量数值，总系数一般取0.6-0.8之间。而针对数据机房，因机柜设备装机密度高，而且均为24小时连续同时运行，因此总系数通常取0.8。即：
Q=0.8P （kW）
针对数据机房内设备散热引起的冷负荷，普遍采用上式计算。
2.水路流量核算
确定冷负荷后，需根据冷量需求，计算出水流量，以核算现有系统水流量是否满足新增负荷需求。总台供冷系统管路，原设计分为大冷系统和小冷系统，大冷系统作为常规供冷管路，为全楼所有区域进行供冷；小冷系统则作为专供系统，通过备用管路仅为重要区域供冷。流量核算需分别考虑大小冷系统现有支路水量可否满足增容需求，如经核算无法满足，则需要从总管路上重新设计管路。水路流量按下式计算：
G=0.86Q/Δt （m3/h）
式中，0.86：转化系数
Q：冷量，kW
Δt：供回水温差，℃
3.管径核算及路由确定
确定流量后，需选取管路管径，管径选取可通过假定比摩阻及流速，从设计规范中《空调冷水系统水力计算表》查取。通过水力计算表可以看出，在已知流量的前提下，确定比摩阻及流速，便可确定管径。根据经验算法，冷冻水流速通常取1.5m/s左右，比摩阻通常取100-200，再结合流量，查表确定相应管径。
另外，因机房动力适配项目多是后期改造项目，不同于新建项目，管路设计需考虑现有机房周围的吊顶内、地板下、管井内等是否具有重新敷设管路的空间，以及人员安装施工的操作空间，因此需根据具体情况确定管路路由。
4.加湿量核算
因北方地区冬季空气比较干燥，而数据机房内设备运行过程中，还会产生大量静电，对机柜运行带来不利影响。根据广电总局令第62号要求，数据机房作为A级机房，设备运行环境湿度要求为40%-55%，因此在进行空调系统设计中，也需对加湿量进行考虑。计算公示为：
G=VρΔd （kg/h）
式中：V: 漏风量，m3/h，通常按照机房容积的1.2倍计算
ρ: 空气密度，1.29kg/m3
Δd:加湿前后含湿量差值，kg/kg
加湿系统给水管路管径设计方法，同冷冻水管路管径设计方法。
二、精密空调设备选型
通过对冷负荷、水量、管径、加湿量等参数进行计算后，便可对精密空调设备进行选型。通常数据机房所用精密空调设备，均为同一固定品牌，设备运行纳入楼宇自控系统，通过设备厂家专用的通讯协议进行联网群控，因此在进行空调设备选型时，应尽量考虑同品牌产品。需综合考虑以下几方面因素进行选型：
1.设备制冷量
机房内的冷负荷，通常分为显热负荷和潜热负荷两种。设备散热、照明散热等引起的负荷多属于显热负荷，人员散热、水分蒸发、新风等引起的负荷，多属于潜热负荷。而一般精密空调设备制冷量也具有全冷量和显冷量两种技术指标。显冷量是指用于消除显热负荷部分的制冷量，即仅使机房内温度降低，并不产生物质相变。全冷量是指显冷量与潜冷量的总和，潜冷量指的即是用于消除潜热负荷部分的制冷量，即空气中的水分因为温度降低，而产生相变结露或形成冷凝水。
由于机房原设计空调系统中，已经包含了对潜热负荷部分的计算，而新增机柜也只是增加了显热负荷，因此在重新设计适配空调系统时，仅需要考虑空调设备显冷量这一参数即可。进而通过机房冷量需求，在考虑备份的情况下，分别确定每台机组的制冷量。
2.安装空间
总台数据机房，多数均单独设置了精密空调设备间，用于安装空调设备，以实现水系统与机房内设备的分隔。而空调系统适配改造多为后期改造项目，空调安装无外于在现有设备间内的预留空间安装，或将现有的小制冷量空调更换为大制冷量空调两种方式。无论采用哪种方式安装空调，均需要考虑现场安装空间的限制。不仅要考虑空调设备的安装空间，还要考虑是否具备管路、线路连接的空间，以及后期的操作维护空间，因此则需要对制冷量以及机组尺寸进行综合考虑，在满足制冷量要求的前提下选取适合的机组尺寸及数量，确定最终的选型适配方案。
3.冷却形式
精密空调设备按照制冷介质及冷却形式的不同，可分为风冷及水冷两种形式。风冷空调采用制冷剂作为制冷介质，须同时设置室内机及室外机，通过压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器实现制冷循环，蒸发器与空气换热送出冷风。其优点为无需单独设置冷源、不会有水进入机房、系统简单、安装方便等；缺点为相比水冷空调来说，设备费用较高、制冷效率较低等。水冷空调则直接采用冷冻水作为制冷介质，通过蒸发器盘管直接与空气换热送出冷风。其优点为设备费用较低、无需安装室外机、能源消耗少等；缺点为系统复杂、水易进入机房等。
因此，在进行设备选型时，需综合考虑机房现场的具体情况，考虑附近是否有冷冻水源、是否会有水进入机房、是否具备安装室外机的空间、是否具备敷设制冷剂管路或冷冻水管路的空间等。
4.送风方式、进出水方向与加湿量
精密空调送风方式，分为上送风及地板下送风两种形式。上送风机组有时需额外设置风道，下送风机组需额外设置出风地板，具体根据机房现场情况而定。在机房地板下具备送风空间的情况下，应优先考虑下送风机组，冷风从机柜下部进入，有利于热气上升，便于气流循环。另外也应参考机房原设计空调送风方式，与其他现有空调送风方式统一。
另外，机组按照进出水方向不同，可分为左进做出及右进右出两种。在前期踏勘中应根据机组安装的具体位置，提前设计好管路进出水方向，便于安装施工及后期维护检修。
机房精密空调普遍采用电极式加湿器，加湿量分为5 kg/h、8 kg/h、10kg/h、15kg/h四种规格，可根据机房内加湿量需求，以及机组数量，在考虑备份的情况下，确定加湿器规格。
确定上述各项指标之后，即可根据确定对应的空调型号，完成设备选型，形成最终方案。
结 论
上述精密空调设备选型方法，是在数次数据机房空调系统适配改造工作中总结出的经验方法，亦可应用于其他同类型机房的空调适配改造当中。即根据机房新增机柜的功率，参考机房现场情况，通过对制冷量、流量、管径、加湿量需求的计算，确定拟选择空调设备的具体参数，从而选定设备型号，以及相关送风、接管、安装方式等内容。
参考文献：
1.GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范
2.GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范