數據中心主機房外圍護結構傳熱系數分析計算

1、數據中心主機房外圍護結構傳熱系數分析計算摘要：數據中心主機房外圍護結構的傳熱性能直接影響著數據中心的能耗，傳熱系 數過小，利于節(jié)能，但是可能存在結露的危害；傳熱系數過大，保溫過度，將會 造成工程的浪費。通過全年能耗的動態(tài)分析及防結露計算，綜合考慮民用工業(yè)建 筑的圍護結構的傳熱系數的計算，給出數據中心主機房外圍護結構傳熱系數的范 圍。關鍵詞：數據中心外圍護結構、傳熱系數、防結露、能耗分析0.引言近年來隨著大數據，云辦公，遠程教學，智能化等的快速發(fā)展及后疫情時代 的到來，數據中心的需求及建設數據中心的呼聲越來越大。另一方面，數據中心 作為能源消耗的大戶，與國家、城市的低能耗發(fā)展目標及要求存在矛盾，

2、目前國 家及許多城市對數據中心的能源消耗已經提出了限值要求。數據中心作為能耗大戶，其能源消耗主要是數據中心信息設備，空調系統(tǒng)， 電力系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)能源消耗，數據中心圍護結構能耗雖然在數據中心總能耗中 占比不大，但是，其綜合影響著數據中心主機房內的環(huán)境及數據中心的工程造價。 因此，針對數據中心主機房外圍護結構的傳熱性能進行分析，非常有必要。數據中心主機房的外圍護結構主要是指外墻部分（不含屋頂），且直接臨室 外，有走道的不包含在內。數據中心主機房的外圍護結構，在保證數據中心自身結構（稱重等）需求的 同時，還需保證圍護結構內側機房內部不結露，且滿足數據中心冬季向外散熱， 夏季阻止室外熱量進入的功能。

3、因此，對于數據中心主機房外圍護結構的熱工性能，從全年的圍護結構能耗 考慮，不能簡單的套用公共建筑（冬季夏季均是保溫需求）或是工業(yè)建筑的外圍 護結構的熱工性能的要求，需要結合數據中心所在地區(qū)外界環(huán)境及數據中心的布 局，主機房的運行溫度等綜合考慮。中國地域廣闊，維度跨度大，室外環(huán)境差距也大，不同地區(qū)數據中心主機房 外圍護結構熱工性能要求不同，且不能同一要求。本論文以上海地區(qū)為例，從數 據中心主機房外圍護結構全年能耗、滿足主機房內不結露等綜合考慮，對數據中 心的外圍護結構傳熱系數進行分析計算。數據中心主機房外圍護結構熱工性能特點數據中心主機房內的信息設備是全年一直在發(fā)熱運行，為保證信息設備的安 全、

4、穩(wěn)定運行，需要將信息設備的發(fā)熱量轉移至室外，使信息設備運行在其所要 求的溫度范圍內。根據數據中心設計規(guī)范GB 50174的規(guī)定，主機房內的冷通 道或機柜送風處的溫度要求為18-27C（隨著設備的不斷升級，未來耐高溫信息 設備的出現(xiàn)，送風溫度可能突破此限制，超過27C），數據中心主機房外圍護結構內側的環(huán)境溫度，與主機房內設備的布置有關， 當數據中心主機房外圍護結構內側為主機房冷通道時，其圍護結構機房側溫度為 18-27C，當數據中心主機房外圍護結構內側為主機房熱通道時，其圍護結構機 房側溫度比冷通道溫度高約12C。因此，如果僅從數據中心圍護結構節(jié)能考慮，數據中心主機房外圍護結構的 熱工性能應滿足

5、使數據中心在滿足主機房內環(huán)境溫度要求的條件下，外界溫度較 低時向外散熱，外界環(huán)境溫度較高時，能夠阻止外界熱量的進入。同時滿足數據 中心主機房內不得結露的要求。數據中心主機房外圍護結構全年能耗分析計算室外氣象數據：選取上海市典型氣象年（設計典型）的日平均溫度，作為本 次室外環(huán)境溫度計算依據。根據上海市典型氣象年日平均溫度，通過計算，當數 據中心主機房外圍護結構內側溫度為16.7C時，數據中心主機房外圍護結構的全 年能耗為0。即：數據中心主機房外圍護結構內側溫度16.7C時，上海地區(qū)全年 范圍內，數據中心通過外圍護結構向外散熱的熱量與外界通過外圍護結構傳入的 熱量相等。此溫度點時，數據中心主機房外

6、圍護結構，全年既不增加數據中心主 機房的能耗，也不能為數據中心散熱做任何貢獻。當數據中心主機房外圍護結構機房側溫度大于16.7C時，通過數據中心主機 房外圍護結構，數據中心內部全年綜合需向外部散熱。當數據中心主機房外圍護結構機房側溫度小于16.7C時，通過數據中心主機 房外圍護結構，外界全年綜合需向數據中心內傳熱。根據數據中心設計規(guī)范GB 50174規(guī)定，數據中心主機房內的冷通道或者 機柜送風處溫度為18-27C，露點溫度5.515C，同時相對濕度不大于60%2。根據機房布局，如果數據中心主機房外圍護結構內側是主機房的冷通道，則 數據中心主機房外圍護結構的機房側工況范圍是1827C，露點溫度5

7、.515C， 同時相對濕度不大于60%。如果數據中心主機房外圍護結構內側是主機房的熱通道，根據上海市地方標 準數據中心節(jié)能設計規(guī)范的規(guī)定，數據中心主機房內的送、回風溫差不宜小 于12C（數據中心主機房內的冷通道或者機柜送風處溫度為1827C，露點溫度 5.515C，同時相對濕度不大于60%），則數據中心主機房的熱通道溫度大于冷 通道溫度，即，數據中心主機房外圍護結構機房側溫度大于18C。綜合以上分析，上海地區(qū)的數據中心主機房外圍護結構機房側的溫度均大于 16.7C，僅從節(jié)能角度考慮，全年來說，上海地區(qū)數據中心主機房外圍護結構需 要向外散熱，即上海地區(qū)數據中心主機房外圍護結構的傳熱系數越大，越有

8、利于 數據中心全年節(jié)能。數據中心主機房外圍護防結露計算房間的墻體結露會破壞墻體的保溫性能，而對于數據中心主機房，其室內環(huán) 境要求嚴格，如果結露，發(fā)生水滴下滴的現(xiàn)象，可能導致運算失靈、測試紊亂、 線路損壞等惡性事故，產生嚴重破壞。數據中心設計規(guī)范GB 50174規(guī)定，數 據中心主機房內均不得結露。因數據中心主機房的外圍護結構機房側溫度分兩種 不同情況（冷通道溫度及熱通道溫度），因此數據中心主機房外圍護結構的的防 結露分析計算也按照此兩種不同工況情況進行。工況1：當數據中心主機房外圍護結構機房側為冷通道時，根據數據中心設計規(guī)范 GB 50174的規(guī)定，數據中心主機房外圍護結構的機房側的溫度要求為：

9、干球溫度 1827C，相對濕度60%,同時要求露點溫度為5.5C15C。數據中心主機房外 圍護結構結露的發(fā)生條件：數據中心主機房外圍護結構機房側的內壁面溫度V數 據中心主機房外圍護結構室內側的露點溫度。滿足數據中心設計規(guī)范要求的數據中心主機房外圍護結構機房側不結露 的最不利主機房冷通道的溫度參數為：干球溫度23.2C，相對濕度60%，露點溫 度15C。以此溫度工況點計算滿足數據中心主機房外圍護結構不結露的外圍護結 構的傳熱系數如下：1）數據中心建筑性質為民用建筑，根據民用建筑熱工設計規(guī)范計算公 式：.:圍護結構最小傳, ,-:熱阻；，：室內溫度；，: 室外溫度；。：露點溫度；：圍護結構內表面換

10、熱熱阻；：圍護結構外表面換熱熱阻；, :滿足不結露要求的圍護結構墻體熱阻最小值；:圍護結構傳熱系 數。帶入數據：=23.2C，=-10.1C（查上海市典型氣象年數據，上海市極 端最低氣溫），。=15C,=0.115（mK）/W），=0.043（mK）/W）,計算得出. =0.31（mK）/W），及=0.47（mK）/W）；根據公式（2）It I:(2)：不提供材料和建筑不同部位的墻體熱阻最小值；:熱阻最小值的密度修正系數；-.：熱阻最小值的溫差修正系數；圍護結構熱阻最小值的修正系數的取值如下：熱阻最小值的密度修正系數表1密度(kg/m3)P N12001200 尸N800800尸N500500

11、戶修正系數1.01.21.31.4注：廠為圍護結構的密度熱阻最小值的溫差修正系數表2部位修正系數與室外空氣直接接觸的圍護結構pq與有室外窗的不采暖房間相鄰的圍護結構0.8與無外窗的不采暖房間相鄰的圍護結構0.5圍護結構密度修正系數的選?。簢o結構熱阻最小值的密度修正，結合目前工程上常用的加氣混凝土砌塊密 度（一般200-250mm厚），圍護結構熱阻最小值的密度修正系數取1.3。圍護結 構熱阻最小值的溫差修正系數取1.0。修正后的孔=0.4（m*K）/W），對應修正后的數據中心主機房外圍護結構 在此工況點（主機房送風干球溫度23.2C，相對濕度60%，露點溫度15C ）的傳 熱系數，按照公式（3

12、）計算為1.79W/（mK）。2）當數據中心建筑性質為工業(yè)建筑時，根據工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設 計規(guī)范GB50019的規(guī)定，其外圍護結構的最小傳熱阻按照公式（4）計算：:圍護而機構最小傳熱阻；：室內溫度；I :室外溫度；R :圍護而機構最小傳熱阻；：室內溫度；I :室外溫度；：；：圍護而機構溫差修正系數；R ：圍護結構內表面換熱熱阻；卜.：最小熱阻修正系數，磚石墻體取0.95，外門取0.6，其他取1；K :滿足不結露要求的圍護結構墻體熱阻最小值；:圍護結構傳熱系數。根據工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范GB50019的規(guī)定，婦根據如 下表3、表4確定取值:注：1.室內空氣干式程度的區(qū)分，應

13、根據室內溫度和相對濕度按表x確定;1.與室外空氣相通的樓板和非供暖地下室上面的樓板，其允許溫差值可取2.5C；2.表中t冬季室內計算溫度，C； t在室內計算溫度和相對濕度狀況下的 露點溫度，C。室內干濕度的區(qū)分表4溫度(C)相對濕度類別24干燥60507561705160潮濕7560各參數取值如下:tW=T0.1C(上海地區(qū)極端最低溫度)，.T =1,，： 二1, Rn=0.115(m*K)/W, Rw=0.043(*K)/W取值根據工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范GB50019的規(guī)定，=tn-tl,對應工況點：送風干球溫度23.2C，相對濕度60%,=23.2- 15=8.2C據此計算出數

14、據中心為工業(yè)建筑時：二.=0.47(-K)/W,根據公式(5)：K- S計算出：K=2.14W/(mK),圍護結構的傳熱系數為2.14 W/(-K)o根據以上按照民用建筑及工業(yè)建筑的計算結果，數據中心主機房外圍護結構 傳熱系數應小于1.79W/(-K)o實際工程中，當數據中心主機房的外圍護結構選定后，可根據圍護結構的實 際密度對圍護結構傳熱系數進行修正。工況2：當數據中心主機房外圍護結構的機房側為熱通道時，因為機房內送風對設備 的降溫過程為干工況，送、回風的含濕量不變，即回風工況點對應的露點溫度跟 送風工況點對應的露點溫度相同，因此滿足圍護結構不結露的最不利工況仍然是: 送風干球溫度23.2C

15、，相對濕度60%工況點，露點溫度15CH況點。即：數據中 心主機房外圍結構不結露的最大傳熱系數為1.79W/(-K),綜上分析，以上海地區(qū)為例，從防結露及全年圍護結構的節(jié)能考慮，數據中 心主機房外圍護結構的傳熱系數應小于1.79W/(mK)。因計算中選定了具體 的外圍護結構的密度，實際工程中，應根據選定的外圍護結構的密度對傳熱系數 進行修正。結束語數據中心主機房外圍護結構傳熱系數的確定，需根據數據中心主機房內環(huán)境 參數，數據中心所在地區(qū)室外環(huán)境參數，滿足數據中心主機房內不結露要求的同 時，使數據中心主機房外圍護結構全年能耗最低。本文通過對上海市主機房外圍 護結構傳熱系數的計算，得到如下結論：1

16、、對于上海地區(qū)來說，通過對數據中心主機房外圍護機構全年能耗的分析， 當數據中心主機房外圍護結構的機房側溫度16.7C時，數據中心主機房外圍護結 構全年的能耗平衡；即，此溫度點時全年數據中心通過主機房外圍護結構向外界 散熱，和外界通過數據中心主機房圍護結構向數據中心內部傳熱的熱量剛好相等。 根據數據中心設計規(guī)范GB 50174規(guī)定，數據中心主機房內冷通道（機柜送風 區(qū)域）溫度范圍為1827C，假設送回風溫度為12C（數據中心節(jié)能設計規(guī)范 上海市地方標準中要求），數據中心主機房內熱通道的溫度為3039C，均大于 16.7C，故認為，對于數據中心主機房的外圍護結構，綜合全年考慮，需向外散 熱。即，從

17、節(jié)能方面考慮，數據中心主機房外圍護結構傳熱性能越好（傳熱系數 越大），越利于節(jié)能。2、考慮數據中心全年節(jié)能的同時，從數據中心設計規(guī)范中對主機房內 不結露的要求出發(fā)（同時考慮數據中心主機房外圍護結構機房側的環(huán)境工況）， 當數據中心主機房外圍護結構傳熱系數小于1.79W/（mK）時，滿足數據中心 主機房內不結露。3、因計算時假定是了數據中心主機房外圍護結構密度，實際工程中，應根 據圍護結構實際密度，對數據中心主機房外圍護結構的傳熱系數進行修正。4、對于實際工程，外圍護結構除考慮不結露、節(jié)能要求外，尚需考慮有一 定的安全圍護、結構支撐、不滲水等建筑構造要求。因此，對于上海地區(qū)數據中 心主機房外圍護結構傳熱系數的下限值，可結合數據中心主機房外圍護結構的工 程建筑構造需求設定。5、通過對上海地區(qū)數據中心主機房外圍護結構傳熱系數的計算，為國內其 他地區(qū)數據中心圍護結構傳熱系數選取提供參考。6、本文通過對數據中心主機房外圍護結構的