數(shù)據(jù)中心專用空調(diào)配置選擇及PUE值計算

數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境對服務器等IT設備正常穩(wěn)定運行起著決定性作用。數(shù)據(jù)中心機房建設的國家標準GB50174-2008《電子信息機房設計規(guī)范》對機房開機時的環(huán)境的要求：

為使數(shù)據(jù)中心能達到上述要求，應采用機房專用空調(diào)(普通民用空調(diào)、商用空調(diào)與機房專用空調(diào)的差異對比不在本文討論范圍)。如果數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境不能滿足以上要求會對服務器等IT設備造成以下影響：

溫度無法保持恒定-造成電子元氣件的壽命降低

局部溫度過熱-設備突然關機

濕度過高-產(chǎn)生冷凝水，短路

濕度過低-產(chǎn)生有破壞性的靜電

潔凈度不夠-機組內(nèi)部件過熱，腐蝕

一)數(shù)據(jù)中心熱負荷及其計算方法

照數(shù)據(jù)中心機房主要熱量的來源，分為：

設備熱負荷(計算機等IT設備熱負荷);

機房照明熱負荷; 

建筑維護結構熱負荷; 

補充的新風熱負荷; 

人員的散熱負荷等。

  1、機房熱負荷計算方法一：各系統(tǒng)累加法

(1)設備熱負荷：

Q1=P×η1×η2×η3(KW)

Q1：計算機設備熱負荷

P：機房內(nèi)各種設備總功耗(KW)

η1：同時使用系數(shù)

η2：利用系數(shù) 

η3：負荷工作均勻系數(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)機房照明熱負荷：

Q2=C×S(KW)

C：根據(jù)國家標準《計算站場地技術要求》要求，機房照度應大于2001x，其功耗大約為20W/M2。以后的計算中，照明功耗將以20W/M2為依據(jù)計算。

S：機房面積

(3)建筑維護結構熱負荷

Q3=K×S/1000(KW)

K：建筑維護結構熱負荷系數(shù)(50W/m2機房面積)

S：機房面積

(4)人員的散熱負荷：

Q4=P×N/1000(KW)

N：機房常有人員數(shù)量

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

(5)新風熱負荷計算較為復雜，我們以空調(diào)本身的設備余量來平衡，不另外計算。

以上五種熱源組成了機房的總熱負荷，即機房熱負荷Qt=Q1+Q2+Q3+Q4。由于上述(3)(4)(5)計算復雜，通常是采用工程查表予以確定。但是因為數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設計階段，非常難以確定，所以實際在數(shù)據(jù)中心中通常采用設計估算與事后調(diào)整法。

2、機房熱負荷計算方法二：設計估算與事后調(diào)整法

數(shù)據(jù)中心機房主要的熱負荷來源于設備的發(fā)熱量及維護結構的熱負荷。

因此，要了解主設備的數(shù)量及用電情況以確定機房專用空調(diào)的容量及配置。根據(jù)以往經(jīng)驗，除主要的設備熱負荷之外的其他負荷，如機房照明負荷、建筑維護結構負荷、補充的新風負荷、人員的散熱負荷等，如不具備精確計算的條件，也可根據(jù)機房設備功耗及機房面積，按經(jīng)驗進行測算。

采用“功率及面積法”計算機房熱負荷。

Qt=Q1+Q2

其中，Qt總制冷量(KW)

Q1室內(nèi)設備負荷(=設備功率×1.0)

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

方法二是對復雜科學計算的工程簡化計算方法。這種計算方法下，通常容易出現(xiàn)計算熱量大于實際熱量的情況，因為機房專用空調(diào)自動控制溫度并決定運行時間，所以多余的配置可以作為冗余配置，對機房專用空調(diào)的效率與耗電量不大。本文以方法二推導數(shù)據(jù)中心機房專用空調(diào)配置與能效計算。

二)數(shù)據(jù)中心機房專用空調(diào)配置

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

再假定數(shù)據(jù)中心的熱負荷密度為平均熱負荷密度，即4Kw/機柜。也就是說平均每個機柜為4kw的熱負荷。

數(shù)據(jù)中心的機柜數(shù)量為：100kw/4kw=25臺機柜    按國家標準GB50174-2008《電子信息機房設計規(guī)范》有關機柜占地面積計算方法，取每個機柜的占地面積為中間值4m2/臺，那么數(shù)據(jù)中心的面積為：

5臺機柜×4m2/臺=100m2

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

Qt=Q1+Q2=100kw+100×0.15=115kw

數(shù)據(jù)中心送風方式選擇：按國家標準要求，采用地板下送風，機柜按冷熱通道布置。

機房專用空調(diào)選擇：機房空調(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)的機房空調(diào)。不同廠家有不同型號的機房專用空調(diào)，以艾默生網(wǎng)絡能源有限公司生產(chǎn)的Pex系列機房空調(diào)為例，應配置的機房空調(diào)為：

兩臺P2060機房空調(diào)，在24℃相對濕度50%工況下，每臺制冷量為60.6kw，兩臺空調(diào)的總制冷量為121.2kw，略大于115kw的計算熱負荷。

根據(jù)國家標準GB50174-2008《電子信息機房設計規(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P2060機房空調(diào)，實現(xiàn)兩用一備工作。

三)數(shù)據(jù)中心機房專用空調(diào)耗電量與能效計算

機房空調(diào)耗電器件有：

壓縮機，也是主要的耗電器件 

室內(nèi)風機，

室外風機 

室內(nèi)加濕器

再熱器，用于過冷狀態(tài)下加熱

控制與顯示部件等，耗電量較少，可忽略不計

a，壓縮機、室內(nèi)風機、室外風機的耗電計算

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

圖：空調(diào)四部件循環(huán)    詳細計算不同工況下的三個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)有個標準的參數(shù)，即能效比。

能效比即一臺空調(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，我國市場上民用空調(diào)平均能效比較低，僅為2.6。美國現(xiàn)行的空調(diào)能效標準規(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2.8即為合格品;能效比達3.2即達到能源之星標準;而能效比低于2.8，不準在美國市場銷售。歐洲的能效標準，空調(diào)能效水平分為A、B、C、D、E、F、G共7個級別。其中A級最高，能效比為3.2以上;D級居中，介于2.8～2.6之間;E級以下屬于低能效空調(diào)。目前我國絕大多數(shù)空調(diào)處于歐洲E級水平。而在日本國內(nèi)的空調(diào)器的能效比現(xiàn)在一般都在4.0～5.0左右。

機房專用空調(diào)因為采用專用壓縮機，所以能效比都在3.3～3.5之間。本例中按最大負荷制冷功率115kw，則3臺艾默生P2060空調(diào)為兩用一備，其中備份機在先進的iCom控制模塊控制下，只有控制電源工作，能耗很少，忽略不計。

2臺P2060空調(diào)，總制冷功率為121.2kw，取能效比中間值3.4計算，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)中心機房的環(huán)境、建筑條件、密封狀態(tài)等不同，導致加濕功率不同。

艾默生Pex系列采用遠紅外加濕器，結構簡潔，易于拆卸、清洗和維護。懸掛在不銹鋼加濕水盤上的高強度石英燈管發(fā)射出紅外光和遠紅外光，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)。遠紅外加濕器的應用減少了系統(tǒng)對水質(zhì)的依賴性，其自動沖洗功能，使水盤更清潔。

圖：遠紅外加濕器

本例假設一臺P2060空調(diào)的加濕器即可滿足最大負荷下的加濕量，查相關產(chǎn)品手冊遠紅外加濕器功率為9.6kw。

P加濕=9.6kw

c，再熱器、控制部件耗電量

再熱器的作用是當空調(diào)過冷情況下為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機房溫度穩(wěn)定，進行電功率加熱。實際運行中，因為艾默生Pex機房空調(diào)采用先進的iCom控制器，徹底解決了空調(diào)的競爭運行工況，比如一臺空調(diào)制冷而另外一臺空調(diào)加熱的競爭運行。

僅僅在控制器故障下，再熱器才會工作。因為這是非正常工況，所以再熱器的電功率不計入能效模型。

控制部件的耗電量很少，忽略不計。

空調(diào)系統(tǒng)總的電功率消耗與能效指標為：

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

能效指標：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，一個設計與運營良好的數(shù)據(jù)中心，在空調(diào)系統(tǒng)配置正確，不考慮照明、新風機等設備下，能效比應該是小于1.6。

而實際運行的數(shù)據(jù)中心，能效比動輒大于2.5，非常耗能、非常浪費，究其原因還是用戶不太關注數(shù)據(jù)中心能效指標。

數(shù)據(jù)中心能效指標PUE的進一步研究工作

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)，為機房節(jié)能設計與運營提供了可行的數(shù)學模型。

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

此外，有關水制冷系統(tǒng)與直接風冷系統(tǒng)DX的爭論，也將具體討論。

空調(diào)提供的制冷劑機外循環(huán)也是最新的技術，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，降低服務器等IT設備的功耗，才是最立竿見影。比如之前的總耗電量為1.6，當降低服務器設備功耗為0.8的時候，數(shù)據(jù)中心總功耗立即降低為0.8×1.6=1.28。IT設備降低了0.2，而耗電量降低了0.32。這就是乘數(shù)因子效應。

文章來源：精密空調(diào) http://m.tehnit.com/