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(wù)器等IT設(shè)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(shè)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息機房設(shè)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(yīng)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(wù)器等IT設(shè)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(shè)備突然關(guān)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

按照數(shù)據(jù)中心機房主要熱量的來源，分為：

設(shè)備熱負荷（計算機等IT設(shè)備熱負荷）；

機房照明熱負荷；

建筑維護結(jié)構(gòu)熱負荷；

補充的新風(fēng)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(shè)備熱負荷：

Q1=P×η1×η2×η3（KW）

Q1：計算機設(shè)備熱負荷

P：機房內(nèi)各種設(shè)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(biāo)準(zhǔn)《計算站場地技術(shù)要求》要求，機房照度應(yīng)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(jié)構(gòu)熱負荷

Q3=K×S/1000（KW）

K：建筑維護結(jié)構(gòu)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(fēng)熱負荷計算較為復(fù)雜，我們以空調(diào)本身的設(shè)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(fù)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(shè)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(shè)計估算與事后調(diào)整法。

2、機房熱負荷計算方法二：設(shè)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(shè)備的發(fā)熱量及維護結(jié)構(gòu)的熱負荷。

因此，要了解主設(shè)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(shè)備熱負荷之外的其他負荷，如機房照明負荷、建筑維護結(jié)構(gòu)負荷、補充的新風(fēng)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(shè)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(shè)備負荷（=設(shè)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(fù)雜科學(xué)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(dǎo)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(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(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息機房設(shè)計規(guī)范》有關(guān)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：

25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(fēng)方式選擇：按國家標(biāo)準(zhǔn)要求，采用地板下送風(fēng)，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(luò)能源有限公司生產(chǎn)的Pex系列機房空調(diào)為例，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息機房設(shè)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(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(fēng)機，

室外風(fēng)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(fēng)機、室外風(fēng)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(fēng)機、室外風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(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2.8即為合格品；能效比達3.2即達到能源之星標(biāo)準(zhǔn)；而能效比低于2.8，不準(zhǔn)在美國市場銷售。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(dǎo)致加濕功率不同。

艾默生Pex系列采用遠紅外加濕器，結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(guān)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(dāng)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(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，一個設(shè)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(fēng)機等設(shè)備下，能效比應(yīng)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(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(shè)計與運營提供了可行的數(shù)學(xué)模型。

顯然，數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重點在于空調(diào)部分的能效指標(biāo)，即PUE空調(diào)因子。機房空調(diào)的能效指標(biāo)又與機房的熱密度、風(fēng)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(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(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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