數(shù)據(jù)中心專用空調(diào)配置選擇及PUE值計(jì)算

數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境對(duì)服務(wù)器等IT設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用。數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)機(jī)房開機(jī)時(shí)的環(huán)境的要求：

為使數(shù)據(jù)中心能達(dá)到上述要求，應(yīng)采用機(jī)房專用空調(diào)(普通民用空調(diào)、商用空調(diào)與機(jī)房專用空調(diào)的差異對(duì)比不在本文討論范圍)。如果數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境不能滿足以上要求會(huì)對(duì)服務(wù)器等IT設(shè)備造成以下影響：

溫度無(wú)法保持恒定-造成電子元?dú)饧膲勖档?/p>

局部溫度過(guò)熱-設(shè)備突然關(guān)機(jī)

濕度過(guò)高-產(chǎn)生冷凝水，短路

濕度過(guò)低-產(chǎn)生有破壞性的靜電

潔凈度不夠-機(jī)組內(nèi)部件過(guò)熱，腐蝕

一)數(shù)據(jù)中心熱負(fù)荷及其計(jì)算方法

照數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要熱量的來(lái)源，分為：

設(shè)備熱負(fù)荷(計(jì)算機(jī)等IT設(shè)備熱負(fù)荷);

機(jī)房照明熱負(fù)荷; 

建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷; 

補(bǔ)充的新風(fēng)熱負(fù)荷; 

人員的散熱負(fù)荷等。

  1、機(jī)房熱負(fù)荷計(jì)算方法一：各系統(tǒng)累加法

(1)設(shè)備熱負(fù)荷：

Q1=P×η1×η2×η3(KW)

Q1：計(jì)算機(jī)設(shè)備熱負(fù)荷

P：機(jī)房?jī)?nèi)各種設(shè)備總功耗(KW)

η1：同時(shí)使用系數(shù)

η2：利用系數(shù) 

η3：負(fù)荷工作均勻系數(shù)

通常，η1、η2、η3取0.6～0.8之間，考慮制冷量的冗余，通常η1×η2×η3取值為0.8。

(2)機(jī)房照明熱負(fù)荷：

Q2=C×S(KW)

C：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《計(jì)算站場(chǎng)地技術(shù)要求》要求，機(jī)房照度應(yīng)大于2001x，其功耗大約為20W/M2。以后的計(jì)算中，照明功耗將以20W/M2為依據(jù)計(jì)算。

S：機(jī)房面積

(3)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷

Q3=K×S/1000(KW)

K：建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷系數(shù)(50W/m2機(jī)房面積)

S：機(jī)房面積

(4)人員的散熱負(fù)荷：

Q4=P×N/1000(KW)

N：機(jī)房常有人員數(shù)量

P：人體發(fā)熱量，輕體力工作人員熱負(fù)荷顯熱與潛熱之和，在室溫為21℃和24℃時(shí)均為130W/人。

(5)新風(fēng)熱負(fù)荷計(jì)算較為復(fù)雜，我們以空調(diào)本身的設(shè)備余量來(lái)平衡，不另外計(jì)算。

以上五種熱源組成了機(jī)房的總熱負(fù)荷，即機(jī)房熱負(fù)荷Qt=Q1+Q2+Q3+Q4。由于上述(3)(4)(5)計(jì)算復(fù)雜，通常是采用工程查表予以確定。但是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段，非常難以確定，所以實(shí)際在數(shù)據(jù)中心中通常采用設(shè)計(jì)估算與事后調(diào)整法。

2、機(jī)房熱負(fù)荷計(jì)算方法二：設(shè)計(jì)估算與事后調(diào)整法

數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要的熱負(fù)荷來(lái)源于設(shè)備的發(fā)熱量及維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷。

因此，要了解主設(shè)備的數(shù)量及用電情況以確定機(jī)房專用空調(diào)的容量及配置。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，除主要的設(shè)備熱負(fù)荷之外的其他負(fù)荷，如機(jī)房照明負(fù)荷、建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、補(bǔ)充的新風(fēng)負(fù)荷、人員的散熱負(fù)荷等，如不具備精確計(jì)算的條件，也可根據(jù)機(jī)房設(shè)備功耗及機(jī)房面積，按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)算。

采用“功率及面積法”計(jì)算機(jī)房熱負(fù)荷。

Qt=Q1+Q2

其中，Qt總制冷量(KW)

Q1室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷(=設(shè)備功率×1.0)

Q2環(huán)境熱負(fù)荷(=0.12～0.18KW/m2×機(jī)房面積)，南方地區(qū)可選0.18，而北方地區(qū)通常選擇0.12

方法二是對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的工程簡(jiǎn)化計(jì)算方法。這種計(jì)算方法下，通常容易出現(xiàn)計(jì)算熱量大于實(shí)際熱量的情況，因?yàn)闄C(jī)房專用空調(diào)自動(dòng)控制溫度并決定運(yùn)行時(shí)間，所以多余的配置可以作為冗余配置，對(duì)機(jī)房專用空調(diào)的效率與耗電量不大。本文以方法二推導(dǎo)數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)配置與能效計(jì)算。

二)數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)配置

設(shè)定數(shù)據(jù)中心的IT類設(shè)備為100KW，并且固定不變。根據(jù)上述方法二，還需要確定機(jī)房的面積。

再假定數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷密度為平均熱負(fù)荷密度，即4Kw/機(jī)柜。也就是說(shuō)平均每個(gè)機(jī)柜為4kw的熱負(fù)荷。

數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜數(shù)量為：100kw/4kw=25臺(tái)機(jī)柜    按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)機(jī)柜占地面積計(jì)算方法，取每個(gè)機(jī)柜的占地面積為中間值4m2/臺(tái)，那么數(shù)據(jù)中心的面積為：

5臺(tái)機(jī)柜×4m2/臺(tái)=100m2

假定環(huán)境熱負(fù)荷系數(shù)取0.15KW/m2，則數(shù)據(jù)中心機(jī)房總熱負(fù)荷為：

Qt=Q1+Q2=100kw+100×0.15=115kw

數(shù)據(jù)中心送風(fēng)方式選擇：按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，采用地板下送風(fēng)，機(jī)柜按冷熱通道布置。

機(jī)房專用空調(diào)選擇：機(jī)房空調(diào)通常分為DX(直接制冷)與非直接制冷(包括各類水制冷系統(tǒng)等)，先討論直接制冷系統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)。不同廠家有不同型號(hào)的機(jī)房專用空調(diào)，以艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司生產(chǎn)的Pex系列機(jī)房空調(diào)為例，應(yīng)配置的機(jī)房空調(diào)為：

兩臺(tái)P2060機(jī)房空調(diào)，在24℃相對(duì)濕度50%工況下，每臺(tái)制冷量為60.6kw，兩臺(tái)空調(diào)的總制冷量為121.2kw，略大于115kw的計(jì)算熱負(fù)荷。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》的數(shù)據(jù)中心空調(diào)配置建議，數(shù)據(jù)中心通常建議采用N+M(M=1，2，…)配置形式，提供工作可靠性與安全性。

假設(shè)本數(shù)據(jù)中心采用N+1方式配置，即為2+1方式配置3臺(tái)P2060機(jī)房空調(diào)，實(shí)現(xiàn)兩用一備工作。

三)數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)耗電量與能效計(jì)算

機(jī)房空調(diào)耗電器件有：

壓縮機(jī)，也是主要的耗電器件 

室內(nèi)風(fēng)機(jī)，

室外風(fēng)機(jī) 

室內(nèi)加濕器

再熱器，用于過(guò)冷狀態(tài)下加熱

控制與顯示部件等，耗電量較少，可忽略不計(jì)

a，壓縮機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)的耗電計(jì)算

壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥、冷凝器組成一個(gè)完整的冷熱循環(huán)系統(tǒng)(空調(diào)四部件)，其中耗電部分是壓縮機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)等三個(gè)部件。

圖：空調(diào)四部件循環(huán)    詳細(xì)計(jì)算不同工況下的三個(gè)部件的耗電量是困難的，但是在最大制冷量輸出下，空調(diào)行業(yè)有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)，即能效比。

能效比即一臺(tái)空調(diào)用一千瓦的電能產(chǎn)生多少千瓦的制冷/熱量。分為制冷能效比EER和制熱能效比COP。例如，一臺(tái)空調(diào)的制冷量是4800W，制冷功率是1860W，制冷能效比(EER)是：4800/1860≈2.6;制熱量5500W，制熱功率是1800W，制熱能效比COP(輔助加熱不開)是：5500/1800≈3.1。

顯然，能效比越大，空調(diào)效率就越高，空調(diào)也就越省電。目前，我國(guó)市場(chǎng)上民用空調(diào)平均能效比較低，僅為2.6。美國(guó)現(xiàn)行的空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸出功率介于2300W到4100W，即小1匹到1.5匹的空調(diào)，能效比達(dá)2.8即為合格品;能效比達(dá)3.2即達(dá)到能源之星標(biāo)準(zhǔn);而能效比低于2.8，不準(zhǔn)在美國(guó)市場(chǎng)銷售。歐洲的能效標(biāo)準(zhǔn)，空調(diào)能效水平分為A、B、C、D、E、F、G共7個(gè)級(jí)別。其中A級(jí)最高，能效比為3.2以上;D級(jí)居中，介于2.8～2.6之間;E級(jí)以下屬于低能效空調(diào)。目前我國(guó)絕大多數(shù)空調(diào)處于歐洲E級(jí)水平。而在日本國(guó)內(nèi)的空調(diào)器的能效比現(xiàn)在一般都在4.0～5.0左右。

機(jī)房專用空調(diào)因?yàn)椴捎脤Ｓ脡嚎s機(jī)，所以能效比都在3.3～3.5之間。本例中按最大負(fù)荷制冷功率115kw，則3臺(tái)艾默生P2060空調(diào)為兩用一備，其中備份機(jī)在先進(jìn)的iCom控制模塊控制下，只有控制電源工作，能耗很少，忽略不計(jì)。

2臺(tái)P2060空調(diào)，總制冷功率為121.2kw，取能效比中間值3.4計(jì)算，則四部件電功率為：

P四部件=P制冷/cos=121.2kw/3.4=35.64kw。

b，室內(nèi)加濕器功率    數(shù)據(jù)中心機(jī)房的環(huán)境、建筑條件、密封狀態(tài)等不同，導(dǎo)致加濕功率不同。

艾默生Pex系列采用遠(yuǎn)紅外加濕器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于拆卸、清洗和維護(hù)。懸掛在不銹鋼加濕水盤上的高強(qiáng)度石英燈管發(fā)射出紅外光和遠(yuǎn)紅外光，在5～6秒內(nèi)，使水盤中的水分子吸收輻射能以擺脫水的表面張力，在純凈狀態(tài)下蒸發(fā)，不含任何雜質(zhì)。遠(yuǎn)紅外加濕器的應(yīng)用減少了系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的依賴性，其自動(dòng)沖洗功能，使水盤更清潔。

圖：遠(yuǎn)紅外加濕器

本例假設(shè)一臺(tái)P2060空調(diào)的加濕器即可滿足最大負(fù)荷下的加濕量，查相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)遠(yuǎn)紅外加濕器功率為9.6kw。

P加濕=9.6kw

c，再熱器、控制部件耗電量

再熱器的作用是當(dāng)空調(diào)過(guò)冷情況下為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度穩(wěn)定，進(jìn)行電功率加熱。實(shí)際運(yùn)行中，因?yàn)榘鶳ex機(jī)房空調(diào)采用先進(jìn)的iCom控制器，徹底解決了空調(diào)的競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)行工況，比如一臺(tái)空調(diào)制冷而另外一臺(tái)空調(diào)加熱的競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)行。

僅僅在控制器故障下，再熱器才會(huì)工作。因?yàn)檫@是非正常工況，所以再熱器的電功率不計(jì)入能效模型。

控制部件的耗電量很少，忽略不計(jì)。

空調(diào)系統(tǒng)總的電功率消耗與能效指標(biāo)為：

功率：P空調(diào)=P四部件+P加濕=35.64+9.6=45.24kw

能效指標(biāo)：PUE空調(diào)因子=45.24/100=0.452

至此，數(shù)據(jù)中心的PUE為：

PUE=1+PUE供電因子+PUE空調(diào)因子=1+0.108～0.114+0.452=1.560～1.566

顯然，一個(gè)設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)良好的數(shù)據(jù)中心，在空調(diào)系統(tǒng)配置正確，不考慮照明、新風(fēng)機(jī)等設(shè)備下，能效比應(yīng)該是小于1.6。

而實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心，能效比動(dòng)輒大于2.5，非常耗能、非常浪費(fèi)，究其原因還是用戶不太關(guān)注數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)。

數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)PUE的進(jìn)一步研究工作

上述的模型能夠清晰定義數(shù)據(jù)中心的主要耗電環(huán)節(jié)，為機(jī)房節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)提供了可行的數(shù)學(xué)模型。

顯然，數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重點(diǎn)在于空調(diào)部分的能效指標(biāo)，即PUE空調(diào)因子。機(jī)房空調(diào)的能效指標(biāo)又與機(jī)房的熱密度、風(fēng)道布置、冷熱通道、機(jī)房建筑熱負(fù)荷、室外機(jī)布置、室內(nèi)機(jī)布置等諸多因素相關(guān)，這是本文下一步研究工作需要探討的。

此外，有關(guān)水制冷系統(tǒng)與直接風(fēng)冷系統(tǒng)DX的爭(zhēng)論，也將具體討論。

空調(diào)提供的制冷劑機(jī)外循環(huán)也是最新的技術(shù)，如果能成功產(chǎn)業(yè)化，將降低PUE空調(diào)因子到0.2左右(一年內(nèi)平均)。

最后，PUE無(wú)論怎樣變化，都是大于1的乘數(shù)因子。要做到最佳節(jié)能，降低服務(wù)器等IT設(shè)備的功耗，才是最立竿見影。比如之前的總耗電量為1.6，當(dāng)降低服務(wù)器設(shè)備功耗為0.8的時(shí)候，數(shù)據(jù)中心總功耗立即降低為0.8×1.6=1.28。IT設(shè)備降低了0.2，而耗電量降低了0.32。這就是乘數(shù)因子效應(yīng)。

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