數(shù)據(jù)中心建筑節(jié)能途徑與節(jié)能措施：基于《公共建筑節(jié)能設計標準》的探討

1  有關節(jié)能的法規(guī)和規(guī)范

    節(jié)約資源是我國的基本國策。近年來，國家就節(jié)約資源特別是節(jié)約能源頒布了一系列的法規(guī)和規(guī)范，如： 《中華人民共和國節(jié)約能源法》（2007年人大第三十次會議修訂）、《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2005、《建筑節(jié)能工程施工質量驗收規(guī)范》GB 50411-2007； 《建筑照明設計標準》GB 50034－2004等。

    節(jié)約能源（簡稱節(jié)能）是指加強用能管理，采取技術上可行、經(jīng)濟上合理以及環(huán)境和社會可以承受的措施，從能源生產(chǎn)到消費的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污\x00物排放、制止浪費，有效、合理地利用能源。

    《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2005的頒布執(zhí)行，明確了公共建筑能耗主要體現(xiàn)在建筑圍護結構以及采暖、通風、空調和照明能源消耗，明確了將改善建筑物的圍護結構保溫隔熱等的熱工性能；提高采暖通風和空氣調節(jié)設備系統(tǒng)的能效比；增進照明的設備效率。在保證相同的室內環(huán)境參數(shù)條件下，采用符合標準的建筑節(jié)能設計的建筑與沒有采取節(jié)能措施的建筑相比，全年總能耗應減少50%，其中：圍護結構分擔節(jié)能率約25％～13％；空調采暖系統(tǒng)分擔節(jié)能率約20％～16％；照明設備分擔節(jié)能率約7％～18％。由此可見，按照《公共建筑節(jié)能設計標準》節(jié)能的目標要求，節(jié)能的潛力和效果是極為顯著。國家《公共建筑節(jié)能設計標準》是現(xiàn)行建筑節(jié)能設計主要依據(jù)和準則。

2  數(shù)據(jù)中心的特征特點

    數(shù)據(jù)中心通常是指在一個物理空間內（可以是一幢建筑物或者建筑物的一部分）實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲、傳輸、交換、管理，而計算機設備、服務器設備、網(wǎng)絡設備、通信設備、存儲設備等通常被認為是數(shù)據(jù)中心的IT關鍵設備。數(shù)據(jù)中心的基礎設施是指為確保數(shù)據(jù)中心的IT關鍵設備和裝置能安全、穩(wěn)定和可靠招卸建設配套的基礎工程（機房工程），數(shù)據(jù)中心基礎設施的建設首要目的是為數(shù)據(jù)中心中的IT關鍵設備運營管理和數(shù)據(jù)信息安全，提供24×7的保障環(huán)境。

    在數(shù)據(jù)中心中，為了業(yè)務與信息的處理要求，IT關鍵設備通常需要進行24×7的運行，IT關鍵設備的運眨消耗大量的電能，產(chǎn)生出大量的熱量，為了保持 IT關鍵設備運行在規(guī)定的環(huán)境要求范圍內，又需要通過基礎設施設備（精密空調設備）的運行，來維持IT關鍵設備對（溫度濕度）環(huán)境的要求，這時，精密空調設備制冷又消耗了大量的電能。同時，數(shù)據(jù)中心被安置在一個建筑物內，圍護結構的熱工性能，也直接影響著室內環(huán)境的（溫度、濕度）狀況。另外，運營與維護過程的管理有效性，也是影響數(shù)據(jù)中心能耗的一個方面。

    數(shù)據(jù)中心的節(jié)能是近年來逐漸被各方所越來越重視的一個事項，也是一個符合國情要求的重要發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)中心的節(jié)幔相對于其他能源種類而言，主要是體現(xiàn)在電能的節(jié)約和利用上。

3  總體設計的節(jié)能途徑與措施

    數(shù)據(jù)中心建設中，總體設計是依據(jù)建設需求、法律法規(guī)、工程標準，運用新一代數(shù)據(jù)中心設計理念以及可實現(xiàn)技術，確定數(shù)據(jù)中心建設的崽逅悸貳⒆芴騫辜芎圖際醪唄裕以實現(xiàn)建設目標包括節(jié)能目標。

    數(shù)據(jù)中心建設在總體設計中，主要從總體擁有成本、總體空間規(guī)劃、合理氣流組織、系統(tǒng)融合構建等方面考慮節(jié)能途徑與節(jié)能措施。

    數(shù)據(jù)中心的建設作為一項工程崞浣ㄉ櫳枰投資，運營也需要費用。數(shù)據(jù)中心建設工程的總體擁有成本包含從建設期到運營期的總體成本，包括：設施建設成本、設備系統(tǒng)成本、軟件系統(tǒng)成本、維修維護成本、日常運營成本、人力資源成本等。而在現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心日常運營成本（主要是能耗成本）占總體成本的比例呈逐年嶸趨勢的情況下，數(shù)據(jù)中心的總體設計更需要關注工程先期設計的合理性和適用性，充分地考慮如何在建設期和運營期，降低數(shù)據(jù)中心的日常運營成本——能耗成本，即降低數(shù)據(jù)中心的總體擁有成本，以提高數(shù)據(jù)中心的整體經(jīng)濟效用比。

    數(shù)據(jù)中心可以是一幢嶂物或者建筑物的一部分，包括主機房、支持區(qū)和輔助房間等功能區(qū)。數(shù)據(jù)中心合理的總體規(guī)劃、空間與平面布局是依據(jù)建設需求進行總體設計的第一步，也是重要的一步，總體規(guī)劃確定數(shù)據(jù)中心的等級規(guī)模和系統(tǒng)構成，空間與平面布局確定機房的場地的分隔、工作的流程以及建設的工藝嵯中惺據(jù)中心采用機房密閉護圍、大空間、少隔斷、適宜的空間容積（架高、凈高、層高）、人機區(qū)域分離、區(qū)域集中監(jiān)控等，都是新一代數(shù)據(jù)中心空間與平面布局所崇尚的設計理念與節(jié)能策略。

    數(shù)據(jù)中心平面布局中，主機房內各IT關鍵設備區(qū)域用房應集中嶂茫其他支持區(qū)和輔助房室內溫、濕度要求相近的房間，宜相鄰布置。在數(shù)據(jù)中心IT關鍵設備區(qū)域布置中，應根據(jù)IT關鍵設備種類、系統(tǒng)成組特性、設備的發(fā)熱量、機柜設備布置密度、設備與機柜冷卻方式等，合理地考慮機房區(qū)域、機柜列組、機柜內部這三個層面的精密空調設備制冷的氣嶙櫓。包括空調設備的位置布置、送回風方式、送風口設置、回風口設置等。采用“冷端”與“熱端”的送回風通道、平衡和散列高密度機柜中的設備布置等是主要的氣流組織節(jié)能策略。

    由總體規(guī)劃、空間與平面布局的建設設計，到動力配電、暖通空調關鍵嵬車納杓疲再到其他配套系統(tǒng)的設計。需要考慮系統(tǒng)與系統(tǒng)間的融合構建（適當?shù)南到y(tǒng)集成），這樣能夠提高數(shù)據(jù)中心建設的整體性能和綜合效能。

4  建筑的節(jié)能途徑與措施

    通常數(shù)據(jù)中心作為一個建筑單體（為少數(shù)，如：IDC或大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心）或公共建筑中的一部份（為多數(shù)，占公共建筑物中的一個局部區(qū)域）的形式構建。在數(shù)據(jù)中心中，通過精密空調設備的運行來確保IT關鍵設備運行需要特定的溫濕度環(huán)境，所以，數(shù)據(jù)中心建筑物的建筑護圍的熱工特性是影響精密空調設備效能的重要因素，是節(jié)能的重點關注對蟆

    圍護結構是指建筑物各面的圍擋物，如墻體、屋面、地面和門窗等。圍護結構分非透光圍護結構（墻體、屋面、地面）與透光圍護結構（玻璃門窗、玻璃幕墻）。熱橋是指圍護結構兩側在溫差作用下，形成熱流密集的傳熱部位。

    通常，表征建筑物圍護結構熱工性能的有下列幾個指標：

（1）傳熱系數(shù)（K）：在穩(wěn)態(tài)條件下，圍護結構兩側空氣溫度差為1℃，單位時間內通過1m2面積傳遞的熱量。單位：W/m2℃。它是表征圍護結構傳遞熱量能力的指標。K值越小，圍護結構的傳熱能力越低，其保溫隔熱性能越好。

（2）熱惰性指標（D）：表征圍護結構對溫度波衰減快慢程度的無量綱指標，其值等于材料層熱阻與蓄熱系數(shù)的乘積。D=S×R，其中S為材料蓄熱系數(shù)W/m2K，R為材料熱阻m2K/W。D值越大，溫度波在其中的衰減越快，圍護結構的熱穩(wěn)定性越好，越有利于節(jié)能。

（3苷諮糲凳（SC）：實際透過窗玻璃的太陽輻射得熱與透過3mm透明玻璃的太陽輻射得熱之比值。它是表征窗戶透光系統(tǒng)遮陽性能的無量綱指標，其值在0～1范圍內變化。SC越小，通過窗戶透光系統(tǒng)的太陽輻射得熱量越小，其遮陽性能越好。

（4）窗墻面積比（W/W）：窗戶洞口面積芷淥在外立面面積的比值。一般說來，窗墻面積比越大，建筑物的能耗也越大。

我國地域廣闊，各地氣候條件差別非常大，全國劃分為五個氣候區(qū)：嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)到溫和地區(qū)。建筑節(jié)能對不同氣候區(qū)域的建筑圍護結構的保溫隔熱要求有著不同的規(guī)定。

    如：華東三省一市（江蘇、浙江、安徽、上海）大部分屬于夏熱冬冷地區(qū)（除江蘇省淮陰市以北），根據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》，該地區(qū)的圍護結構傳熱系數(shù)（K）要求：屋面≤0.70；外墻及底面架空或外挑樓板≤1.0；外窗（包括透明幕墻，窗面積比≤0.7）≤2.5～4.7；遮陽系數(shù)限值 ≤0.40～0.55。

    根據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》，空氣調節(jié)系統(tǒng)的室內（一般房間）計算參數(shù)（主要是用來作為計算能耗的基礎依據(jù)）為，冬季：溫度20℃；風速0.10≤ v ≤0.20m/s；相對濕度30％～65 %。夏季：度25℃；風速0.15≤ v ≤0.30 m/s；相對濕度40％～65%。

    而對于建筑物內的數(shù)據(jù)中心，其機房區(qū)域的環(huán)境溫度和濕度是基于設備環(huán)境要求和機房設計標準的，也就是通常需要在符合《公共建筑節(jié)能設計標準》的前提下，加強對數(shù)據(jù)中心的機房區(qū)域進行建筑工復合計算和設計處理（主要是因為計算的溫度依據(jù)點不同以及焓值不同）。

    嚴格遵循與執(zhí)行《公共建筑節(jié)能設計標準》等國家的有關標準規(guī)范進行建筑設計，是確保數(shù)據(jù)中心建設實現(xiàn)公共節(jié)能要求的基本途徑與措施。同時，根據(jù)數(shù)據(jù)中心所在五個氣候區(qū)的部環(huán)境；數(shù)據(jù)中心所在建筑物內的區(qū)域位置內外部環(huán)境；以及數(shù)據(jù)中心內各功能區(qū)域用房相鄰布局的內部環(huán)境，對IT關鍵設備區(qū)域用房需要加強措施，合理計算保溫隔熱等的熱工參數(shù)，選擇適宜的圍護結構與材料。

數(shù)據(jù)中心建設中與建筑熱工有關的節(jié)能途徑與節(jié)能措施主要關注圍護結構、內墻保溫、保溫材料、六方體圍護、熱橋處理、無窗密閉護圍等幾個方面。

    對于圍護結構需采用復合墻體節(jié)能技術工藝，在墻體主體結構基礎上增加一層或幾層復合的絕熱保溫材料來改善整個墻體的熱工性能。復合墻體節(jié)能技術工藝根據(jù)保溫材料在體中的位置分為：內保溫、中保溫、組合保溫和外保溫四種。在工程實踐中，內墻保溫是數(shù)據(jù)中心建設最常用的一種形式，主要是因為另外幾種保溫工藝是要在建筑與結構先前設計的時候就要確定的，需與主體工程同步實施，除非是少數(shù)IDC或大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心為整個一個建筑單體的工程；多數(shù)數(shù)據(jù)中心只是占用公共建筑物中的一個局部區(qū)域，而且，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心建設工程不與土建設計同步，通常在主體工程完成后，在后期（如：裝飾裝修工程階段）才進入設計施工。所以除內墻保溫工藝外，另外幾種保溫工藝比較難以實現(xiàn)。內墻保溫墻體通常采用高效的保溫材料與主墻恢間進行復合，施工工藝相對簡單。

在數(shù)據(jù)中心建設的工程實踐中，通常采用的保溫材料有：礦巖棉、聚苯板、聚氨酯、石膏板等。選用的保溫材料傳熱系數(shù)（K）值越小或熱惰性指標（D）值越大，則對圍護結構的傳熱能力越低，其保溫隔熱性能越好，越有利于節(jié)能。

    在可能的條件下，使用傳熱系數(shù)（K）值小的絕熱材料。對頂、地、墻的六方體進行絕熱，以減少圍護結構四周的傳熱系數(shù)，整體將數(shù)據(jù)中心的機房區(qū)域包裹起來，以可達到較好的密閉保溫節(jié)能效果。

    由于圍護結構中，窗過梁、圈梁、鋼筋混凝土抗震柱、鋼筋混凝土剪力墻、梁、柱等部位的傳熱系數(shù)遠大于主體部位的傳熱系數(shù)，形成熱流密集通道，即為熱橋。對熱橋部位均應進行保溫處理，以保證熱橋部位的內表面溫度在室內空氣設計溫、濕度條件下不低于露點溫度。降低圍護結構兩側的溫差作用，消除熱橋效應，減少外鈄勻換肪扯越ㄖ室內環(huán)境的傳熱影響，減少圍護結構熱橋部位的傳熱損失。

    現(xiàn)行流行對數(shù)據(jù)中心的主機房區(qū)域采用無窗密閉護圍，以避免和減少進入室內的太陽輻射以及窗或透明幕墻的溫差傳熱，也是降低空調能耗的途徑和措施。對原采用幕墻的主機房區(qū)域畛浞擲用幕墻面板背后的空間，采用高效、耐久的保溫材料進行保溫。對數(shù)據(jù)中心的支持區(qū)和輔助房間等功能區(qū)采用有窗玻璃護圍時，應該控制建筑朝向及窗墻面積比，采用雙層玻璃窗或low-e玻璃（幕墻），并輔助采用遮陽設施（外遮陽、內遮陽等）來減少太陽輻射量。

5  空調照明的節(jié)能途徑與措施

    數(shù)據(jù)中心建設中，涉及建筑節(jié)能的主要對象為空調與照明。注：供配電系統(tǒng)及IT關鍵設備的節(jié)能劃歸在電氣專項節(jié)能技術措施中（本文不作延伸討論）。

在數(shù)據(jù)中心中，為了滿足數(shù)據(jù)中心工藝要求，空調通常是指機房工程中特定專用的精密空調設備。

精密空調設備的主要節(jié)能途徑與節(jié)能措施為：制冷負荷計算、合理設定參數(shù)、送回風方式、選用高能效比設備、冷熱風預處理、動態(tài)組合運營等。

    精確地計算數(shù)據(jù)中心中制冷負荷包括：機房內設備的散熱、建筑圍護結構的傳熱、太陽輻射熱、人體散熱散濕、照明設備散熱、新風負荷等。合理地控制數(shù)據(jù)中心區(qū)域內的制冷參數(shù)（溫度濕度的設定）。據(jù)有關報道：制冷參數(shù)變化1°，可能會產(chǎn)生5%～10%能耗變化。高效率地設計和布置送回風方式以及送風與回風通道。選用制冷性能系數(shù)（COP）、能效比（EER）高的空調設備，應該高于在《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2005規(guī)定的建筑空調設備以及《計算機和數(shù)據(jù)處理機房用單元式空氣調節(jié)機》GB 19413-2003規(guī)定的精密空調設備的最低能效比指標。采用冷熱預處理的新風通風換氣系統(tǒng)。適當?shù)剡M行空調設備組合配置，動態(tài)地提高制冷系統(tǒng)的效率。對大型數(shù)據(jù)中心機房空調系統(tǒng)宜采用制冷性能系數(shù)（COP）、能效比（EER）高的冷水機組空調系統(tǒng)，冷源采用水冷方式。

照明系統(tǒng)的主要節(jié)能途徑與節(jié)能措施為：遵循照明功率密度的限制、選用高效節(jié)能器具、燈具組合控制、適當?shù)乩锰烊还庠吹取?/p>

    在《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2005涉及照明系統(tǒng)的節(jié)能是依據(jù)《建筑照明設計標準》GB 50034－2004的，故照明系統(tǒng)的設計應嚴格依據(jù)《建筑照明設計標準》中，對數(shù)據(jù)中心機房區(qū)域及相關區(qū)域所確定的（照度、照度均勻度等）照明指標（如：主機房500lx的&求）以及照明負荷功率密度（LPD）值（15W/m2的限制）進行照明設計配置。選擇高效節(jié)能型的光源、燈具及附件。進行有效的、靈活的、組合的照明控制系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)中心的支持區(qū)和輔助房間等功能區(qū)域適當?shù)乩锰烊还庠础?/p>

另外，現(xiàn)行采用數(shù)據(jù)中心機房的環(huán)境設備監(jiān)控系統(tǒng)，&環(huán)境及空調設備、電氣設備、照明設備等進行顯示、記錄、控制、報警、趨勢分析和提示功能，動態(tài)地監(jiān)管和調節(jié)控制用能狀況，以先進的技術和有效的方式達到數(shù)據(jù)中心節(jié)約能耗的目的。

6  結束語

    數(shù)據(jù)中心由于其自身特點，在一個&筑中無疑是一個“能耗大戶”。在《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2005中是以建筑圍護結構、采暖通風空調和照明用能消耗為三個主要方面來考慮建筑節(jié)能的途徑與措施。本文結合該標準所涉及建筑節(jié)能的三個主要方面，并以數(shù)據(jù)中心建設的總體設計為先導，以改善建筑物的圍護結構保溫隔熱等的熱工性能；提高采暖通風和空氣調節(jié)設備系統(tǒng)的能效比；增進照明的設備效率為節(jié)能目標，對數(shù)據(jù)中心建筑的有關節(jié)能途徑與措施進行了探討。在實際的工程實踐中，由于多種原因，在數(shù)據(jù)中心建設的總體設計環(huán)節(jié)和建筑熱工環(huán)節(jié)，對建筑節(jié)能的認識和響應存在著一定的缺憾刮此，本文著重對這兩方面進行了探討，期望能夠就公共建筑節(jié)能以及數(shù)據(jù)中心專項工程的節(jié)能提供一些建議與參考。

參考文獻

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