IDC機房PUE值計算

1、空調(diào)系統(tǒng)的PUE值計算中國電子工程設計院鐘景華艾默生網(wǎng)絡能源有限公司朱利偉曹播數(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電子信息機房設訃規(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圉）。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(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-）數(shù)據(jù)中心熱負

2、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(jié)構(gòu)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 二px nix n2x n3 （KW）QI：計算機設備熱負荷P：機房內(nèi)各種設備總功耗（KW）ni：同時使用系數(shù)H2：利用系數(shù)Q3：負荷工作均勻系數(shù)通常，n i> n2> n3取0.60.8之間，考慮制冷量的兀余，通常nix n2x n3取值為0.8。（2）機房照明熱負荷：Q2 二 CXS（KW）C：根據(jù)國家標準計算站場地技術(shù)要求要求，機房照度應大于2001x,其

3、功耗大約為20W/M2o以后的計算中，照明功耗將以20 W/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 二KXS/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：Ql=PXN/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°C和24°C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二Q1+Q2+ Q3+ Q4。由于上述（3） （4） （5）計算復雜，通

4、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)負荷、補充的新風負荷、人員的散熱負荷等，如不具備精確訃算的條件， 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=Ql+Q2其中，Qt總制冷量（KW）Q1室內(nèi)設備負荷（二設備功

5、率X1.0）Q2環(huán)境熱負荷（=0. 120. 18KW/m2 X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4

6、kw的熱負荷。數(shù)據(jù)中心的機柜數(shù)量為：100kw/4kw二25臺機柜按國家標準GB50174-2008電子信息機房設計規(guī)范有關(guān)機柜占地面積計 算方法，2）當電刑緞歸耗型輾視牌：州（42Z2）軸 L-朋齢覇勰，棘3.5<15（刊&）;»啊主爾確紳息鐵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 X4m2/臺二 100 m2假定環(huán)境熱負荷系數(shù)取0.15 KW/m2,則數(shù)據(jù)中心機房總熱負荷為：Qt=Ql+Q2=100kw+100 X 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

7、：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°C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113kw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+M （M二1, 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P

8、2060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

9、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 / 18602.6：制熱量5500W,制熱功率是 1800W,制熱能效比COP（輔助加熱不開）是：5500/ 18003. Io顯然，能效比越大，空調(diào)效率就越高，空調(diào)也就越省電。LI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

10、個級別。其中A級最高，能 效比為3. 2以上；D級居中，介于2.82.6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4.05.0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 四部件二P 制冷/cos二 121. 2kw/3. 4=35. 64

11、kwob, 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(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56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(guān) 產(chǎn)品手冊遠紅外加濕器功率為9. 6kwoP 加濕二9. 6kwc, 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

12、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?？刂撇考暮碾娏亢苌?，忽略不計?？照{(diào)系統(tǒng)總的電功率消耗與能效指標為：功率：P空調(diào)二P四部件+P加濕二35. 64+9. 6=45. 24kw能效指標：PUE空調(diào)因子二45. 24/100二0. 452至此，數(shù)據(jù)中心的PUE為：PUE二 1+PUE 供電因子+PUE 空調(diào)因子二 1+0. 1080. 114+0. 452二 1

13、. 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(guān)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)的能效指標乂與機房的熱密度、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(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)與直接風冷系統(tǒng)DX的爭論，也將具體討