关键词：
数据中心
低能耗
寒冷地区
优化设计
表皮优化
摘要：
物联网设备的普及、信息爆炸以及大数据时代的到来,使得个人、企业以及政府对数据的需求不断增加,推动着产业的转型,数据中心成为产业数字换转型的核心平台之一。近年来,在新基建的推动下,我国数据中心行业持续高速增长,但数据中心的高能耗特性,使其用电量巨大,导致燃煤量增加,在消耗能源的同时,也产生了大量温室气体和其他污染物。随着人们生活水平的提高,人们对与生活环境的质量要求也不断提高,因此,绿色建筑应运而生,数据中心作为公共建筑,也应响应绿色建筑的号召,降低能源消耗,为我国“双碳”目标的实现出出一份力。从数据中心能耗构成来看,IT设备能耗和空调制冷能耗占数据中心能耗的主要部分,约为85%,而IT设备受高性能要求制约,能耗降低空间较小,因此降低制冷能耗成为低能耗数据中心建设的关键。
基于以上分析,本文主要对寒冷地区低能耗数据中心的建筑设计进行研究,并且以降低制冷能耗为主要目标,首先对数据中心的定义、分类、功能组成以及环境要求进行分析,并通过资料调研以及实地调研总结出主要的策略方向;其次通过理论分析和Dest模拟软件进行负荷分析,总结数据中心的节能潜力和有效策略;再次,通过Dest模拟软件建立典型模型,经过空间布局优化、围护结构优化、建筑形态优化以及表皮优化一系列措施,对数据中心进行低能耗建筑优化研究,提出优化策略;最后,应用有效的优化策略,进行低能耗数据中心的设计实践并对其进行节能性分析。具体分为以下四部分:
(1)通过对寒冷地区数据中心的基础研究和调研,总结低能耗数据中心建筑的设计策略方向。对数据中心的分类、功能组成、寒冷地区气候特点以及数据中心室内环境要求进行了分析总结,通过调研,整理了数据中心目前存在的问题:一是数据中心的机房作为主要功能区,功率密度高,热扰过大,是空调制冷能耗高的主要原因;二是机房内热流可分散到机房围护结构附近,而《数据中心设计规范》(GB50174-2017)中要求围护结构应符合《公共建筑节能设计标准》(GB50189)的要求,即需要设置保温。根据问题总结出主要策略方向,即验证数据中心内部热扰对整体负荷的影响,以及围护结构、空间布局等对数据中心负荷的影响。
(2)通过理论分析与负荷模拟,发掘数据中心的节能潜力并提出有效的设计策略。通过对数据中心负荷进行分析,总结出机房内IT设备热负荷为空调负荷的主要来源,且通过对围护结构传热系数、机房位置布局以及建筑外表面对流换热系数的优化,能耗可明显降低,而遮阳对数据中心能耗的影响不大,为后文的设计研究提供基础。
(3)基于(1)、(2)的研究基础,提出寒冷地区低能耗数据中心建筑的设计策略,并进行优化模拟。通过对数据中心空间布局优化、围护结构的传热系数及材料构造优化、建筑形态优化以及表皮对流换热系数优化设计,能耗可降低21%以上,且围护结构优化对能耗降低的影响最大。
(4)基于(3)的设计优化,采用优化设计策略并进行济南地区低能耗导向下的数据中心建筑设计。通过设计项目要求、选取拟建地址,从总平面、空间布局、建筑形体以及建筑围护结构的四个方面,进行低能耗数据中心建筑设计,且对其进行节能性对比分析,为寒冷地区低能耗数据中心的建筑设计提供了参考。
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