广州杰赛通信规划设计院有限公司 王凯旋中国市政工程中南设计研究总院有限公司 林弘杰
建筑室内新风量和正压的关系复杂，涉及空调净化、理论模拟分析的相关研究较多，对数据中心新风换气次数与室内正压的关系研究很少。本文基于海南某新建数据中心机房新风的设计及测试情况，探讨机房适宜的新风设计风量。
目前相关文献给出的计算维持房间正压所需空调新风量的方法是基于风量或质量流量平衡法推导出来的，分为换气次数法和缝隙法[1-5]。其中换气次数法按照室内门窗的密闭性和要求的室内外压差查表确定房间换气次数，这种计算结果风量取值偏大，适用于规划设计阶段评估或估算新风量指标；
缝隙法需要先测量统计建筑围护结构的缝隙面积，结合围护结构两侧压差值进行计算，其计算公式为
Q=cAΔpn
(1)
式中 Q为通过缝隙的空气量，m3/h；
c为综合流动系数，m/(Pan·h)，其中n为压力指数，一般取0.6～0.7，宜取0.6；
A为缝隙的有效漏风面积，m2；
Δp为计算围护结构两侧压差值，Pa。
因为压差风量与建筑物围护结构气密性和室内外压差有关，同样尺寸的房间，设置不同数量和形式的门窗(缝隙面积和局部阻力系数不同)，其气密性不同，导致漏风量也不同。所以缝隙法计算结果较为合理和准确。
由于大多数数据中心机房不设日常排风，热压和风压作用忽略不计，可以认为缝隙渗出的风量即为需要补入机房的新风量。
对于数据中心机房，准确计算缝隙的有效漏风面积是确定合理新风送风量的基础。机房可以定性分析的缝隙部位有门缝、传输馈线窗缝、电力引入缝、空调通风输配管缝和水封不严的下水道等。除门缝可以测量计算外，其他部位均由施工封堵，很难准确计算，只能通过实测确定。
由于数据中心各主机房内布置的传输馈线窗、电力引入桥架、空调通风管道和应急排水地漏等具有高度相似性，所以研究两开门机房其他部位缝隙面积在门缝面积上的附加系数，可以为数据中心机房新风设计提供依据[6]。
关于新风量的取值，GB50174—2017《数据中心设计规范》(以下简称《规范》)第7.4.5条规定，应取下列2项中的大值：1)按工作人员计算，每人40m3/h；
2)维持室内正压所需风量。
关于机房正压的要求，《规范》第7.4.4条规定：主机房应维持正压；
主机房与其他房间、走廊的压差不宜小于5Pa，与室外静压差不宜小于10Pa。
GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第7.1.5条规定，空调区内的空气压力应满足下列要求：1) 舒适性空调，空调区与室外或空调区之间有压差要求时，其压差值宜取5～10Pa，最大不应超过30Pa；
2) 工艺性空调，应按空调区环境要求确定。
数据中心多为无人值守机房，新风量的取值应主要从维持室内正压考量。但是偶尔会有人进入机房作业，所以其空调应该定义为工艺性为主，兼顾部分舒适性空调的要求。无特殊要求时，按照GB50736—2012第7.1.5.1条的规定，机房内外允许的压差值应该按照5～30Pa取值，新风量根据压差值计算。
测试对象为海南省海口市某新建数据中心。在动态(机房运行假负载)条件下，测试新风送风量和室内外压差的关系。被测机房(见图1)位于建筑2层，其中北面为外墙，设计2扇1 500 mm(宽)×2 100 mm(高)的甲级防火门，室内无窗。房间面积为185 m2，体积为900 m3(房间净高4.865 m，抗静电地板和上部吊顶缝隙较大，不作容积分割)。其南侧有一较大机房，体积为2 358 m3，2个机房共用1台组合式新风机组送风。
图1 被测机房平面图
各机房按照1 h-1换气次数设计风量，新风机组额定送风量为3 600 m3/h。测试时通过调节南侧大机房新风送风口尺寸(措施为挡板封堵风口)和北侧新风管上蝶阀的开度，控制被测机房新风送入量。在机房缝隙的有效漏风面积一定的情况下，测试机房正压差与新风量的关系。
测试分3个步骤进行：1) 静态(所有电子信息设备和新风设备未运行，空调设备正常运转)测机房内外压差；
2) 动态(以假负载代替电子信息设备运行，空调和新风设备正常运转)测机房内外压差；
3) 在动态测试的条件下，调整被测机房新风送风换气次数在0～3.1 h-1范围内变化，对16种新风状态进行测试。
测试从5月中旬开始，时值海南的雨季，空气含湿量大，室外气温高且多日气象变化相似。对上述16种测试状态，每天选择1种进行试验，数据采集间隔1 h。
采用TES-1341风速仪，在机房新风系统送风口断面上按照相关标准设置多点测量风速，求得测量断面的平均风速，并以此计算新风换气次数；
在距机房门内500 mm区域及封闭冷通道内侧区域，使用Fluke 971温度湿度测量仪测量温湿度；
采用EY-200A压差仪测量机房与走廊的正压；
使用METONE HHPC 6+便携式空气颗粒计数器测量室内(尤其是机房门内侧)空气含尘浓度。
在静态条件下，室内外压差在-0.1～0.2 Pa之间波动，说明热压和风压作用对机房环境影响很小，可以忽略不计。在动态条件下，被测机房正压平均值为8.9 Pa，符合相关标准对机房新风量和正压值要求。在动态条件下，测试的16种新风换气次数与室内正压的关系如图2所示。
图2 被测机房室内正压值与新风换气次数的关系
由图2可见，室内正压值与新风送风量(换气次数)并不呈线性关系。当新风换气次数小于0.1 h-1时，可以认为不能引起室内外压差，当热压或风压过大时甚至引起室外风倒灌；
当新风换气次数小于0.5 h-1时，新风量变化对室内正压值影响较小；
新风换气次数大于0.7 h-1且小于2.1 h-1时，室内正压值随新风量迅速变化，新风量对室内正压作用明显。
对新风换气次数在0.7～2.1 h-1之间的数据进行分析。采用式(1)计算测试机房缝隙的有效漏风面积，并通过测量门缝面积，推导出其他部位缝隙面积在门缝面积上的附加系数，为0.65～0.98。为保证设计安全冗余，建议缝隙附加系数取1。
为验证新风维持正压效果，在测试风量的同时，对被测机房室内外相对湿度也进行了测试(见图3)。从图3可以看出，当新风送风换气次数大于0.5 h-1时，门口区域室内外湿度基本一致，可以认为室内正压压迫门口区域形成了一个稳定的热湿环境，室外高湿空气已经很难渗入机房内部，室内外空气的湿交换减弱。
图3 被测机房相对湿度差(中心区域相对湿度与门口内侧区域相对湿度之差)与新风换气次数的关系
当新风换气次数大于1.0 h-1时，新风量超过900 m3/h，按照室内外温差8 ℃计算，每小时冷量损失为8.7 kW·h，由于新风系统为直流式系统，这部分能量排到室外。新风送风量越大，冷量浪费越严重。
从节能减排的角度考虑，应该减少机房向外渗漏冷风，防止冷量浪费，所以较经济且安全的新风换气次数为0.8～1.1 h-1。另外，提高机房的密闭性可以降低新风量，但新风换气次数不宜低于0.5 h-1。
1) 由于数据机房密闭性不如洁净度要求高的厂房和医院手术室，计算数据中心机房新风量时，若按照GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》推荐的缝隙单位面积漏风量法计算，新风量取值偏小，正压得不到保证；
若采用换气次数法估算，新风量则会偏大，会造成机房冷量浪费。应研究适用于数据中心最小和最大新风量的计算方法。
2) 对于两门无窗的数据机房，宜在门缝面积的计算基础上附加其他缝隙面积，综合建筑缝隙面积，可以认为相当于门缝面积的2倍。
3) 数据中心机房的新风换气次数可取0.8～1.1 h-1，对应的室内外正压差为5～12 Pa，当建筑围护结构密闭性较好且设备孔洞封堵较严密时，可以适当减小机房新风量。
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