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数据中心建设:建筑节能途径与节能措施

原创 Linux操作系统 作者:无聊岁月 时间:2009-02-27 11:50:06 0 删除 编辑

数据中心建设中,总体设计是依据建设需求、法律法规、工程标准,运用新一代数据中心设计理念以及可实现技术,确定数据中心建设的整体思路、总体构架和技术策略,以实现建设目标包括节能目标。 

1有关节能的法规和规范

  节约资源是我国的基本国策。近年来,国家就节约资源特别是节约能源颁布了一系列的法规和规范,如:《中华人民共和国节约能源法》(2007年人大第三十次会议修订)、《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005、《建筑节能工程施工质量验收规范》GB 50411-2007;《建筑照明设计标准》GB 50034-2004等。

  节能是指加强用能管理,采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施,从能源生产到消费的各个环节,降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费,有效、合理地利用能源。

  《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005的颁布执行,明确了公共建筑能耗主要体现在建筑围护结构以及采暖、通风、空调和照明能源消耗,明确了将改善建筑物的围护结构保温隔热等的热工性能;提高采暖通风和空气调节设备系统的能效比;增进照明的设备效率。在保证相同的室内环境参数条件下,采用符合标准的建筑节能设计的建筑与没有采取节能措施的建筑相比,全年总能耗应减少50%,其中:围护结构分担节能率约25%~13%;空调采暖系统分担节能率约20%~16%;照明设备分担节能率约7%~18%。由此可见,按照《公共建筑节能设计标准》节能的目标要求,节能的潜力和效果是极为显著。国家《公共建筑节能设计标准》是现行建筑节能设计主要依据和准则。

 

2数据中心的特征特点

  数据中心通常是指在一个物理空间内(可以是一幢建筑物或者建筑物的一部分)实现对数据信息的集中处理、存储、传输、交换、管理,而计算机设备、服务器设备、网络设备、通信设备、存储设备等通常被认为是数据中心的IT关键设备。数据中心的基础设施是指为确保数据中心的IT关键设备和装置能安全、稳定和可靠运行而建设配套的基础工程(机房工程),数据中心基础设施的建设首要目的是为数据中心中的IT关键设备运营管理和数据信息安全,提供24×7的保障环境。

  在数据中心中,为了业务与信息的处理要求,IT关键设备通常需要进行24×7的运行,IT关键设备的运行,消耗大量的电能,产生出大量的热量,为了保持IT关键设备运行在规定的环境要求范围内,又需要通过基础设施设备(精密空调设备)的运行,来维持IT关键设备对(温度湿度)环境的要求,这时,精密空调设备制冷又消耗了大量的电能。同时,数据中心被安置在一个建筑物内,围护结构的热工性能,也直接影响着室内环境的(温度、湿度)状况。另外,运营与维护过程的管理有效性,也是影响数据中心能耗的一个方面。

  数据中心的节能是近年来逐渐被各方所越来越重视的一个事项,也是一个符合国情要求的重要发展趋势。数据中心的节能,相对于其他能源种类而言,主要是体现在电能的节约和利用上。

 

3总体设计的节能途径与措施

  数据中心建设中,总体设计是依据建设需求、法律法规、工程标准,运用新一代数据中心设计理念以及可实现技术,确定数据中心建设的整体思路、总体构架和技术策略,以实现建设目标包括节能目标。

  数据中心建设在总体设计中,主要从总体拥有成本、总体空间规划、合理气流组织、系统融合构建等方面考虑节能途径与节能措施。

  数据中心的建设作为一项工程,其建设需要投资,运营也需要费用。数据中心建设工程的总体拥有成本包含从建设期到运营期的总体成本,包括:设施建设成本、设备系统成本、软件系统成本、维修维护成本、日常运营成本、人力资源成本等。而在现行数据中心日常运营成本(主要是能耗成本)占总体成本的比例呈逐年上升趋势的情况下,数据中心的总体设计更需要关注工程先期设计的合理性和适用性,充分地考虑如何在建设期和运营期,降低数据中心的日常运营成本——能耗成本,即降低数据中心的总体拥有成本,以提高数据中心的整体经济效用比。

  数据中心可以是一幢建筑物或者建筑物的一部分,包括主机房、支持区和辅助房间等功能区。数据中心合理的总体规划、空间与平面布局是依据建设需求进行总体设计的第一步,也是重要的一步,总体规划确定数据中心的等级规模和系统构成,空间与平面布局确定机房的场地的分隔、工作的流程以及建设的工艺。现行数据中心采用机房密闭护围、大空间、少隔断、适宜的空间容积(架高、净高、层高)、人机区域分离、区域集中监控等,都是新一代数据中心空间与平面布局所崇尚的设计理念与节能策略。

  数据中心平面布局中,主机房内各IT关键设备区域用房应集中布置,其他支持区和辅助房室内温、湿度要求相近的房间,宜相邻布置。在数据中心IT关键设备区域布置中,应根据IT关键设备种类、系统成组特性、设备的发热量、机柜设备布置密度、设备与机柜冷却方式等,合理地考虑机房区域、机柜列组、机柜内部这三个层面的精密空调设备制冷的气流组织。包括空调设备的位置布置、送回风方式、送风口设置、回风口设置等。采用“冷端”与“热端”的送回风通道、平衡和散列高密度机柜中的设备布置等是主要的气流组织节能策略。

  由总体规划、空间与平面布局的建设设计,到动力配电、暖通空调关键系统的设计,再到其他配套系统的设计。需要考虑系统与系统间的融合构建(适当的系统集成),这样能够提高数据中心建设的整体性能和综合效能。

 

4建筑的节能途径与措施

  通常数据中心作为一个建筑单体(为少数,如:IDC或大型企业数据中心)或公共建筑中的一部份(为多数,占公共建筑物中的一个局部区域)的形式构建。在数据中心中,通过精密空调设备的运行来确保IT关键设备运行需要特定的温湿度环境,所以,数据中心建筑物的建筑护围的热工特性是影响精密空调设备效能的重要因素,是节能的重点关注对象。

  围护结构是指建筑物各面的围挡物,如墙体、屋面、地面和门窗等。围护结构分非透光围护结构(墙体、屋面、地面)与透光围护结构(玻璃门窗、玻璃幕墙)。热桥是指围护结构两侧在温差作用下,形成热流密集的传热部位。
通常,表征建筑物围护结构热工性能的有下列几个指标:

  (1)传热系数(K):在稳态条件下,围护结构两侧空气温度差为1℃,单位时间内通过1m2面积传递的热量。单位:W/m2℃。它是表征围护结构传递热量能力的指标。K值越小,围护结构的传热能力越低,其保温隔热性能越好。

  (2)热惰性指标(D):表征围护结构对温度波衰减快慢程度的无量纲指标,其值等于材料层热阻与蓄热系数的乘积。D=S×R,其中S为材料蓄热系数W/m2K,R为材料热阻m2K/W。D值越大,温度波在其中的衰减越快,围护结构的热稳定性越好,越有利于节能。

  (3)遮阳系数(SC):实际透过窗玻璃的太阳辐射得热与透过3mm透明玻璃的太阳辐射得热之比值。它是表征窗户透光系统遮阳性能的无量纲指标,其值在0~1范围内变化。SC越小,通过窗户透光系统的太阳辐射得热量越小,其遮阳性能越好。

  (4)窗墙面积比(W/W):窗户洞口面积与其所在外立面面积的比值。一般说来,窗墙面积比越大,建筑物的能耗也越大。

  我国地域广阔,各地气候条件差别非常大,全国划分为五个气候区:严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区到温和地区。建筑节能对不同气候区域的建筑围护结构的保温隔热要求有着不同的规定。

  如:华东三省一市(江苏、浙江、安徽、上海)大部分属于夏热冬冷地区(除江苏省淮阴市以北),根据《公共建筑节能设计标准》,该地区的围护结构传热系数(K)要求:屋面≤0.70;外墙及底面架空或外挑楼板≤1.0;外窗(包括透明幕墙,窗墙面积比≤0.7)≤2.5~4.7;遮阳系数限值≤0.40~0.55。

  根据《公共建筑节能设计标准》,空气调节系统的室内(一般房间)计算参数(主要是用来作为计算能耗的基础依据)为,冬季:温度20℃;风速0.10≤v≤0.20m/s;相对湿度30%~65 %。夏季:温度25℃;风速0.15≤v≤0.30 m/s;相对湿度40%~65%。

  而对于建筑物内的数据中心,其机房区域的环境温度和湿度是基于设备环境要求和机房设计标准的,也就是通常需要在符合《公共建筑节能设计标准》的前提下,加强对数据中心的机房区域进行建筑热工复合计算和设计处理(主要是因为计算的温度依据点不同以及焓值不同)。

  严格遵循与执行《公共建筑节能设计标准》等国家的有关标准规范进行建筑设计,是确保数据中心建设实现公共节能要求的基本途径与措施。同时,根据数据中心所在五个气候区的外部环境;数据中心所在建筑物内的区域位置内外部环境;以及数据中心内各功能区域用房相邻布局的内部环境,对IT关键设备区域用房需要加强措施,合理计算保温隔热等的热工参数,选择适宜的围护结构与材料。

  数据中心建设中与建筑热工有关的节能途径与节能措施主要关注围护结构、内墙保温、保温材料、六方体围护、热桥处理、无窗密闭护围等几个方面。

  对于围护结构需采用复合墙体节能技术工艺,在墙体主体结构基础上增加一层或几层复合的绝热保温材料来改善整个墙体的热工性能。复合墙体节能技术工艺根据保温材料在墙体中的位置分为:内保温、中保温、组合保温和外保温四种。在工程实践中,内墙保温是数据中心建设最常用的一种形式,主要是因为另外几种保温工艺是要在建筑与结构先前设计的时候就要确定的,需与主体工程同步实施,除非是少数IDC或大型企业数据中心为整个一个建筑单体的工程;多数数据中心只是占用公共建筑物中的一个局部区域,而且,大多数数据中心建设工程不与土建设计同步,通常在主体工程完成后,在后期(如:装饰装修工程阶段)才进入设计施工。所以除内墙保温工艺外,另外几种保温工艺比较难以实现。内墙保温墙体通常采用高效的保温材料与主墙体之间进行复合,施工工艺相对简单。

  在数据中心建设的工程实践中,通常采用的保温材料有:矿岩棉、聚苯板、聚氨酯、石膏板等。选用的保温材料传热系数(K)值越小或热惰性指标(D)值越大,则对围护结构的传热能力越低,其保温隔热性能越好,越有利于节能。

  在可能的条件下,使用传热系数(K)值小的绝热材料。对顶、地、墙的六方体进行绝热,以减少围护结构四周的传热系数,整体将数据中心的机房区域包裹起来,以可达到较好的密闭保温节能效果。

  由于围护结构中,窗过梁、圈梁、钢筋混凝土抗震柱、钢筋混凝土剪力墙、梁、柱等部位的传热系数远大于主体部位的传热系数,形成热流密集通道,即为热桥。对热桥部位均应进行保温处理,以保证热桥部位的内表面温度在室内空气设计温、湿度条件下不低于露点温度。降低围护结构两侧的温差作用,消除热桥效应,减少外界自然环境对建筑室内环境的传热影响,减少围护结构热桥部位的传热损失。

  现行流行对数据中心的主机房区域采用无窗密闭护围,以避免和减少进入室内的太阳辐射以及窗或透明幕墙的温差传热,也是降低空调能耗的途径和措施。对原采用幕墙的主机房区域应充分利用幕墙面板背后的空间,采用高效、耐久的保温材料进行保温。对数据中心的支持区和辅助房间等功能区采用有窗玻璃护围时,应该控制建筑朝向及窗墙面积比,采用双层玻璃窗或low-e玻璃(幕墙),并辅助采用遮阳设施(外遮阳、内遮阳等)来减少太阳辐射量。

 

5空调照明的节能途径与措施

  数据中心建设中,涉及建筑节能的主要对象为空调与照明。注:供配电系统及IT关键设备的节能划归在电气专项节能技术措施中(本文不作延伸讨论)。

  在数据中心中,为了满足数据中心工艺要求,空调通常是指机房工程中特定专用的精密空调设备。

  精密空调设备的主要节能途径与节能措施为:制冷负荷计算、合理设定参数、送回风方式、选用高能效比设备、冷热风预处理、动态组合运营等。

  精确地计算数据中心中制冷负荷包括:机房内设备的散热、建筑围护结构的传热、太阳辐射热、人体散热散湿、照明设备散热、新风负荷等。合理地控制数据中心区域内的制冷参数(温度湿度的设定)。据有关报道:制冷参数变化1°,可能会产生5%~10%能耗变化。高效率地设计和布置送回风方式以及送风与回风通道。选用制冷性能系数(COP)、能效比(EER)高的空调设备,应该高于在《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005规定的建筑空调设备以及《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》GB 19413-2003规定的精密空调设备的最低能效比指标。采用冷热预处理的新风通风换气系统。适当地进行空调设备组合配置,动态地提高制冷系统的效率。对大型数据中心机房空调系统宜采用制冷性能系数(COP)、能效比(EER)高的冷水机组空调系统,冷源采用水冷方式。

照明系统的主要节能途径与节能措施为:遵循照明功率密度的限制、选用高效节能器具、灯具组合控制、适当地利用天然光源等。

  在《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005涉及照明系统的节能是依据《建筑照明设计标准》GB 50034-2004的,故照明系统的设计应严格依据《建筑照明设计标准》中,对数据中心机房区域及相关区域所确定的(照度、照度均匀度等)照明指标(如:主机房500lx的要求)以及照明负荷功率密度(LPD)值(15W/m2的限制)进行照明设计配置。选择高效节能型的光源、灯具及附件。进行有效的、灵活的、组合的照明控制系统。在数据中心的支持区和辅助房间等功能区域适当地利用天然光源。

  另外,现行采用数据中心机房的环境设备监控系统,对环境及空调设备、电气设备、照明设备等进行显示、记录、控制、报警、趋势分析和提示功能,动态地监管和调节控制用能状况,以先进的技术和有效的方式达到数据中心节约能耗的目的。

6结束语

  数据中心由于其自身特点,在一个建筑中无疑是一个“能耗大户”。在《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005中是以建筑围护结构、采暖通风空调和照明用能消耗为三个主要方面来考虑建筑节能的途径与措施。本文结合该标准所涉及建筑节能的三个主要方面,并以数据中心建设的总体设计为先导,以改善建筑物的围护结构保温隔热等的热工性能;提高采暖通风和空气调节设备系统的能效比;增进照明的设备效率为节能目标,对数据中心建筑的有关节能途径与措施进行了探讨。在实际的工程实践中,由于多种原因,在数据中心建设的总体设计环节和建筑热工环节,对建筑节能的认识和响应存在着一定的缺憾,为此,本文着重对这两方面进行了探讨,期望能够就公共建筑节能以及数据中心专项工程的节能提供一些建议与参考。

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