数据中心主机房外围护结构传热系数分析计算.docx

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Summary:
数据中心主机房外围护结构的传热性能直接影响着数据中心的能耗,传热系数过小,利于节能,但是可能存在结露的危害;传热系数过大,保温过度,将会造成工程的浪费。通过全年能耗的动态分析及防结露计算,综合考虑民用工业建筑的围护结构的传热系数的计算,给出数据中心主机房外围护结构传热系数的范围。
Keys:数据中心外围护结构、传热系数、防结露、能耗分析

近年来随着大数据,云办公,远程教学,智能化等的快速发展及后疫情时代的到来,数据中心的需求及建设数据中心的呼声越来越大。另一方面,数据
中心作为能源消耗的大户,与国家、城市的低能耗发展目标及要求存在矛盾,目前国家及许多城市对数据中心的能源消耗已经提出了限值要求。
数据中心作为能耗大户,其能源消耗主要是数据中心信息设备,空调系统,电力系统等几大系统能源消耗,数据中心围护结构能耗虽然在数据中心总能耗中占比不大,但是,其综合影响着数据中心主机房内的环境及数据中心的工程造价。因此,针对数据中心主机房外围护结构的传热性能进行分析,非常有必要。
数据中心主机房的外围护结构主要是指外墙部分(不含屋顶),且直接临室外,有走道的不包含在内。
数据中心主机房的外围护结构,在保证数据中心自身结构(称重等)需求的同时,还需保证围护结构内侧机房内部不结露,且满足数据中心冬季向外散热,夏季阻止室外热量进入的功能。
因此,对于数据中心主机房外围护结构的热工性能,从全年的围护结构能耗考虑,不能简单的套用公共建筑(冬季夏季均是保温需求)或是工业建筑的外围护结构的热工性能的要求,需要结合数据中心所在地区外界环境及数据中心的布局,主机房的运行温度等综合考虑。
中国地域广阔,维度跨度大,室外环境差距也大,不同地区数据中心主机房外围护结构热工性能要求不同,且不能同一要求。本论文以上海地区为例,从数据中心主机房外围护结构全年能耗、满足主机房内不结露等综合考虑,对数据中心的外围护结构传热系数进行分析计算。

数据中心主机房内的信息设备是全年一直在发热运行,为保证信息设备的安全、稳定运行,需要将信息设备的发热量转移至室外,使信息设备运行在其所要求的温度范围内。根据《数据中心设计规范》GB50174的规定,主机房内的冷通道或机柜送风处的温度要求为18-27℃(随着设备的不断升级,未来耐高温信息设备的出现,送风温度可能突破此限制,超过27℃),
数据中心主机房外围护结构内侧的环境温度,与主机房内设备的布置有关,当数据中心主机房外围护结构内侧为主机房冷通道时,其围护结构机房侧温度为18-27℃,当数据中心主机房外围护结构内侧为主机房热通道时,其围护结构机房侧温度比冷通道温度高约12℃。
因此,如果仅从数据中心围护结构节能考虑,数据中心主机房外围护结构的热工性能应满足使数据中心在满足主机房内环境温度要求的条件下,外界温度较低时向外散热,外界环境温度较高时,能够阻止外界热量的进入。同时满足数据中心主机房内不得结露的要求。

室外气象数据:选取上海市典型气象年(设计典型)的日平均温度,作为本次室外环境温度计算依据。根据上海市典型气象年日平均温度,通过计算,℃时,数据中心主机房外围护结构的全年能耗为0。即:℃时,上海地区全年范围内,数据中心通过外围护结构向外散热的热量与外界通过外围护结构传入的热量相等。此温度点时,数据中心主机房外围护结构,全年既不增加数据中心主机房的能耗,也不能为数据中心散热做任何贡献。
℃时,通过数据中心主机房外围护结构,数据中心内部全年综合需向外部散热。
℃时,通过数据中心主机房外围护结构,外界全年综合需向数据中心内传热。
根据《数据中心设计规范》GB50174规定,数据中心主机房内的冷通道或者机柜送风处温度为18-27℃,~15℃,同时相对湿度不大于60%[2]。
根据机房布局,如果数据中心主机房外围护结构内侧是主机房的冷通道,则数据中心主机房外围护结构的机房侧工况范围是18~27℃,~15℃,同时相对湿度不大于60%。
如果数据中心主机房外围护结构内侧是主机房的热通道,根据上海市地方标准《数据中心节能设计规范》的规定,数据中心主机房内的送、回风温差不宜小于12℃(数据中心主机房内的冷通道或者机柜送风处温度为18~27℃,~15℃,同时相对湿度不大于60%),则数据中心主机房的热通道温度大于冷通道温度,即,数据中心主机房外围护结构机房侧温度大于18℃。
综合以上分析,℃,仅从节能角度考虑,全年来说,上海地区数据中心主机房外围护结构需要向外散热,即上海地区数据中心主机房外围护结构的传热系数越大,越有利于数据中心全年节能。

房间的墙体结露会破坏墙体的保温性能,而对于数据中心主机房,其室内环境要求严格,如果结露,发生水滴下滴的现象,可能导致运算失灵、测试紊乱、线路损坏等恶性事故,产生严重破坏。《数据中心设计规范》GB50174规定,数据中心主机房内均不得结露。因数据中心主机房的外围护结构机房侧温度分两种不同情况(冷通道温度及热通道温度),因此数据中心主机房外围护结构的的防结露分析计算也按照此两种不同工况情况进行。
工况1:
当数据中心主机房外围护结构机房侧为冷通道时,根据《数据中心设计规范》GB50174的规定,数据中心主机房外围护结构的机房侧的温度要求为:干球温度18~27℃,相对湿度≤60%,℃~15℃。数据中心主机房外围护结构结露的发生条件:数据中心主机房外围护结构机房侧的内壁面温度<数据中心主机房外围护结构室内侧的露点温度。
满足《数据中心设计规范》要求的数据中心主机房外围护结构机房侧不结露的最不利主机房冷通道的温度参数为:℃,相对湿度60%,露点温度15℃。以此温度工况点计算满足数据中心主机房外围护结构不结露的外围护结构的传热系数如下:
1)数据中心建筑性质为民用建筑,根据《民用建筑热工设计规范》计算公式:
:围护结构最小传热阻;:室内温度;:室外温度;:露点温度;
:围护结构内表面换热热阻;:围护结构外表面换热热阻;
:满足不结露要求的围护结构墙体热阻最小值;:围护结构传热系数。
带入数据:=℃,=-℃(查上海市典型气象年数据,上海市极端最低气温),=15℃,=[(㎡·K)/W)],=[(㎡·K)/W)],计算得出=[(㎡·K)/W)],及=[(㎡·K)/W)];
根据公式(2)
----------(2)
:不提供材料和建筑不同部位的墙体热阻最小值;
:热阻最小值的密度修正系数;:热阻最小值的温差修正系数;
围护结构热阻最小值的修正系数的取值如下:
热阻最小值的密度修正系数表1
密度(kg/m³)
≥1200
1200>≥800
800>≥500
500>
修正系数




注:为围护结构的密度。
热阻最小值的温差修正系数表2
部位
修正系数
与室外空气直接接触的围护结构

与有室外窗的不采暖房间相邻的围护结构

与无外窗的不采暖房间相邻的围护结构

围护结构密度修正系数的选取:
围护结构热阻最小值的密度修正,结合目前工程上常用的加气混凝土砌块密度(一般200-250mm厚),。。
修正后的=[(㎡·K)/W)],对应修正后的数据中心主机房外围护结构在此工况点(℃,相对湿度60%,露点温度15℃)的传热系数,按照公式(3)[W/(㎡·K)]。
2)当数据中心建筑性质为工业建筑时,根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019的规定,其外围护结构的最小传热阻按照公式(4)计算:
:围护而机构最小传热阻;:室内温度;:室外温度;
:围护而机构最小传热阻;:室内温度;:室外温度;
:围护而机构温差修正系数;:围护结构内表面换热热阻;
:最小热阻修正系数,,,其他取1;
:满足不结露要求的围护结构墙体热阻最小值;:围护结构传热系数。
根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019的规定,根据如下表3、表4确定取值:
允许温差值(℃)表3
建筑物及房间类别
外墙
屋顶
室内空气干燥或正常的工业企业辅助建筑物
室内空气干燥的生产厂房
室内空气湿润正常的生产厂房
室内空气潮湿的公共建筑、生产厂房及辅助建筑物
当不允许墙和顶棚内表面结露时
当仅不运行顶棚内表面结露时
室内空气潮湿且具有腐蚀性介质的生产厂房
室内散热量大于23W/m³,且计算相对湿度不大于50%的生产厂房
注:,应根据室内温度和相对湿度按表x确定;
与室外空气相通的楼板和非供暖地下室上面的楼板,℃;
表中tn——冬季室内计算温度,℃;tl——在室内计算温度和相对湿度状况下的露点温度,℃。
室内干湿度的区分表4
温度(℃)
相对湿度
类别
≤12
13~24
>24
干燥
≤60
≤50
≤40
正常
61~75
51~60
41~50
较湿
>75
61~70
51~60
潮湿
___
>75
>60
各参数取值如下:
tw=-℃(上海地区极端最低温度),=1,=1,Rn=[(㎡·K)/W],Rw=[(㎡·K)/W]
取值根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50019的规定,=tn-tl,对应工况点:℃,相对湿度60%,=-15=℃
据此计算出数据中心为工业建筑时:
=[(㎡·K)/W],根据公式(5):
计算出:K=[W/(㎡·K)],[W/(㎡·K)]。
根据以上按照民用建筑及工业建筑的计算结果,[W/(㎡·K)]。
实际工程中,当数据中心主机房的外围护结构选定后,可根据围护结构的实际密度对围护结构传热系数进行修正。
工况2:
当数据中心主机房外围护结构的机房侧为热通道时,因为机房内送风对设备的降温过程为干工况,送、回风的含湿量不变,即回风工况点对应的露点温度跟送风工况点对应的露点温度相同,因此满足围护结构不结露的最不利工况