【HVAC】论文丨数据中心蓄电池室的通风空调设计分析
摘要
关键词
数据中心 阀控式铅酸蓄电池 均充 浮充 通风空调 析氢 散热
作者
世源科技工程有限公司 吴天昊
华东建筑设计研究总院 孟 强
引言
数据中心是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，是为金融交易、大数据、云计算、物联网、5G通讯等高端信息化产业提供基础设施服务的重要组成部分。中共中央政治局常务委员会2020年3月4日召开会议，要求加快推进国家规划已明确的重大工程和基础设施建设，加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度 。
根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》及Uptime Institute（国际正常运行时间协会）的分级要求，通风空调系统是保障数据中心电力及信息设备安全运行的重要组成。蓄电池室是数据中心放置不间断电源系统后备电池的房间，承担数据中心市电断电至柴油发电机启动期间的应急电源的功能，该类房间的暖通空调系统设计对整个数据中心安全稳定运行至关重要。但实际工程中由于现行规范对蓄电池室的通风换气次数要求不同，其通风空调设计方案也具有争议。本文通过对蓄电池的特点、析氢量、散热量及应用场景的分析，总结数据中心蓄电池室的通风空调设计要点。
蓄电池的特点
蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电。表1给出了主流蓄电池按充放电化学反应的分类比较。
铅酸电池因其技术成熟、成本低廉、应用广泛及可回收等因素，在各行业中得到广泛应用。其中，固定型阀控式铅酸蓄电池因其酸雾、氢氧析出量少，免维护等特点，在数据中心不间断电源系统设计中应用最多。本文结合固定型阀控式铅酸蓄电池（以下简称蓄电池）的技术特点及应用场景，分析蓄电池室的通风空调设计要点。
蓄电池室通风设计
铅酸蓄电池在运行时会析出少量氢气，GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》将蓄电池划分为ⅡC级 ，当蓄电池室通风良好时可划分为非危险区域，因此蓄电池室需设计平时通风系统。
蓄电池室通风的相关要求主要体现在电气及暖通专业，现行国家相关标准对蓄电池通风设计的相关要求如表2所示。
由表2可知，现行国家相关规范未对蓄电池种类进行分类说明，且对通风换气设计要求为0.5～12.0 h-1不等，可能导致工程设计时通风量取值偏大。虽然上述规范间存在着不同的通风要求，但其设计原则都是通过采用通风措施来稀释蓄电池充电过程中逸散的氢气，以防止其积聚至爆炸极限。
蓄电池析氢的主要原因是蓄电池过充电，铅酸蓄电池充电时总反应式为2PbSO4 2H2O→Pb PbO2 2H2SO4，当蓄电池充电接近完成且大部分PbSO4已经被转化为Pb和PbO2时，过充反应就开始为2H2O→2H2 O2。
参考18DX009《数据中心工程设计与安装》中蓄电池室设备布置示意图，结合工程实例，典型蓄电池室平面示意图见图1。蓄电池室长8.8 m、宽5.9 m、层高4.0 m， 内设4组电池架，每组电池架为4层，每层放置40节150 A·h（10 h放电率）蓄电池。以GB/T19638.2—2014《固定型阀控式铅酸蓄电池 第2部分：产品品种和规格》表2中6-GF-150I为例，蓄电池尺寸为483mm（长）×170 mm（宽）×240 mm（高），直流开关柜尺寸为600 mm（长）×400 mm（宽）×1600 mm（高）。
图1 蓄电池室平面示意图（单位:mm）
蓄电池室空气总体积（V）=空间总体积-设备体积=193.5 m3，蓄电池总容量C10=96000 A·h。
根据GB/T 19638.1—2014《固定型阀控式铅酸蓄电池第1部分：技术条件》第5.2.1条的规定，出厂合格的蓄电池需符合以下技术要求 :
1） 在20 ℃及单体蓄电池电压为Uflo（Uflo为蓄电池或蓄电池组的浮充充电电压，数值由制造商确定，V）浮充条件下，气体析出量Ge≤0.04mL/（A·h·h）;
2） 在20 ℃及单体蓄电池电压为2.40 V浮充条件下，气体析出量G′e≤1.70mL/（A·h·h）。
在蓄电池室不设置排风系统的情况下，假设蓄电池析出的气体全部为氢气（实际为氢氧混合），计算析氢量和达到氢气爆炸浓度下限（4%）时所需的时间。
Uflo浮充条件下的析氢量Ve为
达到氢气爆炸下限所需的时间T为
计算可得，Uflo浮充条件下达到氢气爆炸下限需84 d， 2.40 V浮充条件下达到氢气爆炸下限需2 d。2.40 V浮充通常只发生在电池均充的部分状态，时长不会超过10 h。因此在正常使用且产品合格的情况下，数据中心蓄电池室采用固定型阀控式铅酸蓄电池时的析氢速率是非常缓慢的。
通过上述分析可得：YD 5003—2014《通信建筑工程设计规范》和T/CECS 487—2017《数据中心制冷与空调设计标准》提出的0.5～1.0 h-1换气次数要求较为符合析氢分析中实际所需换气量，而部分国家规范要求的6 h-1及以上的换气次数则远大于实际所需换气量。
数据中心蓄电池室采用0.5～1.0 h-1的平时通风换气次数既可将充电过程中产生的氢气及时排出，又可维持房间负压、防止氢气扩散，保障数据中心整体的安全可靠运行。
此外，由于GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》及GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中均提到：“对可能突然放散大量有毒气体、有爆炸危险气体或粉尘的场所，应设置事故通风系统”，关于蓄电池室是否需要设置事故通风，工程中经常会提出质疑。上述计算表明，数据中心所采用的固定型阀控铅酸蓄电池在充电过程中不存在突然放散大量爆炸危险气体的情况，且蓄电池本身不储存大量爆炸危险气体；由于蓄电池安全阀的存在，过充电情况下电解水产生的氢气大部分仍在蓄电池内部并与氧气进行再化合反应。因此，建议数据中心蓄电池室可不设置事故通风系统，但工程设计时还应征询建设运营方及当地审图机构的意见。
归纳相关标准要求，总结工程经验，蓄电池室通风系统设计可采取以下措施：
1） 通风系统吸风口上缘至蓄电池室顶棚的距离不大于0.1 m ;
2） 通风机采用防爆风机，风管及阀门采取防静电接地等措施；
3） 通风机采用备份设计，自控系统具有故障报警及自动切换功能；
4） 通风机采取常开运行策略，有条件时可采取间歇运行策略；
5） 通风机间歇运行时，通风机与氢气浓度监测系统连锁，当蓄电池室氢气浓度达爆炸下限值的10%时启动通风机，当蓄电池室氢气浓度降低至传感器探测范围下限时停止通风机。
由于蓄电池室全年都需维持相对恒定的环境温度，因此蓄电池室空调系统全年运行。通过数据中心DCIM（数据中心基础设施管理）系统与通风设备间的联动，蓄电池室通风系统的控制逻辑可进行调整优化，最大程度降低蓄电池室通风带来的冷热量损失，在保证数据中心安全的前提下，使蓄电池室通风空调系统运行更加高效节能。
蓄电池室空调设计
数据中心蓄电池室的空调负荷主要由围护结构的耗冷（热）量，照明、人体的散热量，蓄电池及其他内热源设备的散热量，房间通风的耗冷（热）量，房间渗透空气的耗冷（热）量组成。大部分空调负荷都可以按所处地区的热工参数及围护结构的保温性能参数等进行计算。
对于蓄电池的散热量部分，工程实践中多以蓄电池充电功率的损耗进行估算，但是在数据中心运行期间蓄电池存在多种状态，其对应散热量也不断变化。
铅酸蓄电池在充电和放电时都会伴随着热效应，其中为克服蓄电池两极极化和电池内阻而损失的电压降将全部转换为热量，此时蓄电池内部状态一直处于变化中，所以发热量的计算非常复杂。采用某一线品牌蓄电池厂家样本中提供的发热量数值进行分析，以图1蓄电池室中选用的6-GF-150I（相关参数见表4）为例。从表4可以看出，蓄电池浮充时散热量非常小，而均充时散热量则会增大至20倍左右，且蓄电池的散热量会随着使用时长不断变大。
数据中心蓄电池作为不间断供电系统的后备储能，平时处于浮充状态；当市电断电后，蓄电池进入15 min应急放电状态；当市电恢复后，蓄电池转为均充状态且持续10 h左右；当均充完毕后，蓄电池重新进入浮充状态。由于蓄电池放电过程复杂多变，难以定量分析且持续时间较短，蓄电池在短时间内可以耐受高温，因此工程中一般不考虑该过程蓄电池散热量。
以2.2节中的蓄电池室模型为例，参考表4的散热量数据，对蓄电池浮充及均充过程的散热量进行计算。
浮充状态下蓄电池总散热量Qf为
浮充状态下蓄电池单位面积散热量Q′f为
均充状态下蓄电池总散热量Qj为
均充状态下蓄电池单位面积散热量Q′j为
式（5）、（6）中 Qsj为单体蓄电池（新）在均充状态下的散热量，W。
经计算，Qf=1.31 kW，Q′f=25 W/m2，Qj=27kW，Q′j=520 W/m2。
对以上结果进行分析：
1） 蓄电池在浮充时散热量较小，单位面积的设备散热量仅25 W/m2左右，此时的蓄电池室有别于其他电气设备用房全年空调制冷或通风降温的运行模式。当数据中心建筑位于北方地区或蓄电池室处于建筑物外区时，冬季蓄电池通过自身散热可能无法维持20～30 ℃的环境温度，此时应采取供暖措施以保证蓄电池稳定运行。
2） 蓄电池在均充时散热量较大，单位面积散热量高达500 W/m2左右，与低密度数据机房相当。尽管均充时间段在全年运行时长中占比极小，但若不及时设置对应散热量的降温措施将导致蓄电池室过热，若蓄电池内部的化学反应热及电流焦耳热不能及时释放，温度和电流则会形成正反馈，导致热失控现象并使电池膨胀报废。
因此在蓄电池室空调负荷计算时应按下列原则考虑：
1） 计算蓄电池室夏季空调负荷时，按蓄电池均充散热量进行取值；
2） 计算蓄电池室冬季空调负荷时，按蓄电池浮充散热量进行取值，并根据计算结果判断是否需要供暖措施。
蓄电池室冷热负荷确定后，根据房间负荷需求及可供使用冷热源来进行空调系统设计。数据中心建筑全年以供冷为主，除人员办公区外基本无供热需求，且大部分数据中心无集中供能条件。数据中心本身配备有强大的电网供电能力，故适合采用电动压缩式机组作为冷源，大中型数据中心通常采用水冷/风冷冷水机组提供空调冷水，小型数据中心则采用单元式电压缩制冷空调机组。当蓄电池室存在供热需求，应优先考虑采用单元式电压缩热泵空调机组作为热源，若所在地区无法利用热泵时可考虑采用电加热作为热源。
当空调机组设置于蓄电池室专用空调区或非蓄电池内时，可采用立式或吊挂式空调机组，通过上送侧下回或上送上回的气流组织对房间温度进行控制；当空调机组设置于蓄电池室内时，应采用立式空调机组并在空调四周做好防溅水措施，不应采用吊挂式空调机组，防止高位冷水或冷凝水飞溅及滴落导致电气设备损坏。蓄电池室空调设置还应遵循GB 50174—2017《数据中心设计规范》中N X（X=1～N）的冗余要求。
结语
数据中心的蓄电池是不间断电源系统的重要保障，确保了通信及电子信息设备的连续运行，一旦发生故障将导致数据丢失等重大影响。根据数据中心蓄电池的应用场景，分析了蓄电池的运行特点，提出了数据中心蓄电池室通风空调设计的建议：
1） 蓄电池室通风采用0.5～1.0 h-1的平时通风换气次数；
2） 蓄电池室通风采用常开或间歇运行控制，间歇运行时与氢气浓度监控系统联动控制；
3） 蓄电池室夏季空调负荷计算时应采用蓄电池均充散热量，冬季空调负荷计算时应采用蓄电池浮充散热量；
4） 蓄电池室冬季仅靠设备散热无法维持室温时，应增加空调制热措施。
蓄电池行业发展迅速，已经出现部分数据中心采用锂电池备电，因此工程实践中还应根据项目实际采用的蓄电池种类及其特点，综合考虑暖通空调系统设计，满足数据中心可靠、高效、节能等要求。
本文引用格式：吴天昊，孟强.数据中心蓄电池室的通风空调设计分析[J].暖通空调，2021，51（4）：100-104