数据中心主机房外围护结构传热系数分析计算

数据中心主机房 外围护结构传热系数 分析计算

李艳凯

上海邮电设计咨询研究院有限公司 上海 200092

摘要：

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。

关键词：数据中心外围护结构、传热系数、防结露、能耗分析

0.引言

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。

1. 数据中心主机房外围护结构热工性能特点

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》GB 50174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。

2.数据中心主机房外围护结构全年能耗分析计算

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，当数据中心主机房外围护结构内侧温度为16.7℃时，数据中心主机房外围护结构的全年能耗为0。即：数据中心主机房外围护结构内侧温度16.7℃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。

当数据中心主机房外围护结构机房侧温度大于16.7℃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。

当数据中心主机房外围护结构机房侧温度小于16.7℃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》GB 50174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℃，露点温度5.5~15℃，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℃，露点温度5.5~15℃，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℃，露点温度5.5~15℃，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，上海地区的数据中心主机房外围护结构机房侧的温度均大于16.7℃，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。

3. 数据中心主机房外围护防结露计算

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》GB 50174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》GB 50174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%，同时要求露点温度为5.5℃~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：干球温度23.2℃，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： =23.2℃， =-10.1℃（查上海市典型气象年数据，上海市极端最低气温）， =15℃, =0.115[（㎡·K)/W）]， =0.043[（㎡·K)/W）],计算得出 =0.31[（㎡·K)/W）]，及 =0.47[（㎡·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

注： 为围护结构的密度。

热阻最小值的温差修正系数 表2

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），围护结构热阻最小值的密度修正系数取1.3。围护结构热阻最小值的温差修正系数取1.0。

修正后的 =0.4[（㎡·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（主机房送风干球温度23.2℃，相对湿度60%，露点温度15℃）的传热系数，按照公式（3）计算为1.79[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，砖石墙体取0.95，外门取0.6，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

室内干湿度的区分 表4

各参数取值如下：

tw=-10.1℃（上海地区极端最低温度）， =1， =1，Rn=0.115[(㎡·K)/W]，Rw=0.043[(㎡·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：送风干球温度23.2℃，相对湿度60%， =23.2-15=8.2℃

据此计算出数据中心为工业建筑时：

=0.47[(㎡·K)/W]，根据公式（5）：

计算出：K=2.14[W/(㎡·K)]，围护结构的传热系数为2.14 [W/(㎡·K)]。

根据以上按照民用建筑及工业建筑的计算结果，数据中心主机房外围护结构传热系数应小于1.79[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仍然是：送风干球温度23.2℃，相对湿度60%工况点，露点温度15℃工况点。即：数据中心主机房外围结构不结露的最大传热系数为1.79[W/(㎡·K)]，

综上分析，以上海地区为例，从防结露及全年围护结构的节能考虑，数据中心主机房外围护结构的传热系数应小于1.79[W/(㎡·K)]。因计算中选定了具体的外围护结构的密度，实际工程中，应根据选定的外围护结构的密度对传热系数进行修正。

4.结束语

数据中心主机房外围护结构传热系数的确定，需根据数据中心主机房内环境参数，数据中心所在地区室外环境参数，满足数据中心主机房内不结露要求的同时，使数据中心主机房外围护结构全年能耗最低。本文通过对上海市主机房外围护结构传热系数的计算，得到如下结论：

1、对于上海地区来说，通过对数据中心主机房外围护机构全年能耗的分析，当数据中心主机房外围护结构的机房侧温度16.7℃时，数据中心主机房外围护结构全年的能耗平衡；即，此温度点时全年数据中心通过主机房外围护结构向外界散热，和外界通过数据中心主机房围护结构向数据中心内部传热的热量刚好相等。根据《数据中心设计规范》GB 50174规定，数据中心主机房内冷通道（机柜送风区域）温度范围为18~27℃，假设送回风温度为12℃（《数据中心节能设计规范》上海市地方标准中要求），数据中心主机房内热通道的温度为30~39℃，均大于16.7℃，故认为，对于数据中心主机房的外围护结构，综合全年考虑，需向外散热。即，从节能方面考虑，数据中心主机房外围护结构传热性能越好（传热系数越大），越利于节能。

2、考虑数据中心全年节能的同时，从《数据中心设计规范》中对主机房内不结露的要求出发（同时考虑数据中心主机房外围护结构机房侧的环境工况），当数据中心主机房外围护结构传热系数小于1.79[W/(㎡·K)]时，满足数据中心主机房内不结露。

3、因计算时假定是了数据中心主机房外围护结构密度，实际工程中，应根据围护结构实际密度，对数据中心主机房外围护结构的传热系数进行修正。

4、对于实际工程，外围护结构除考虑不结露、节能要求外，尚需考虑有一定的安全围护、结构支撑、不渗水等建筑构造要求。因此，对于上海地区数据中心主机房外围护结构传热系数的下限值，可结合数据中心主机房外围护结构的工程建筑构造需求设定。

5、通过对上海地区数据中心主机房外围护结构传热系数的计算，为国内其他地区数据中心围护结构传热系数选取提供参考。

6、本文通过对数据中心主机房外围护结构的传热系数的分析，对数据中心主机房外围护结构保温性能的设计提供参考，并扩宽思路，避免工程设计中，直接根据数据中心建筑的性质，完全按照民用建筑或是工业建筑对围护结构的传热系数的要求进行围护结构设计，造成工程过度而浪费。

参考文献：

1. 《上海市互联网数据中心建设导则（2019版）》

2. 《中国建筑热环境分析专用气象数据集》

[2] 《数据中心设计规范》GB50174-2017

[3] 《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016

[4] 《工业建筑节能设计统一标准》GB51245-2017

[5] 《数据中心节能设计规范》DB31T 1242-2020

作者简介：

李艳凯 硕士 工程师 主要从事数据中心暖通空调设计