IDC機(jī)房PUE值計(jì)算

1、空調(diào)系統(tǒng)的PUE值計(jì)算中國電子工程設(shè)計(jì)院鐘景華艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司朱利偉曹播數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境對服務(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)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008電子信息機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范對機(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?dú)饧膲勖档途植繙囟冗^熱-設(shè)備突然關(guān)機(jī) 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(jī)組內(nèi)部件過熱，腐蝕-）數(shù)據(jù)中心

2、熱負(fù)荷及其計(jì)算方法按照數(shù)據(jù)中心機(jī)房主要熱量的來源，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 二px nix n2x n3 （KW）QI：計(jì)算機(jī)設(shè)備熱負(fù)荷P：機(jī)房內(nèi)各種設(shè)備總功耗（KW）ni：同時(shí)使用系數(shù)H2：利用系數(shù)Q3：負(fù)荷工作均勻系數(shù)通常，ni、n2、n3取0.60.8之間，考慮制冷量的冗余，通常nix n2x n3取值為0.8。（2）機(jī)房照明熱負(fù)荷：Q2 = CXS（KW）C：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算站場地技術(shù)要求要求，機(jī)房照度應(yīng)大于2001x,其功耗大約為20

3、W/M2。以后的計(jì)算中，照明功耗將以20 W/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 =KXS/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 =PXN/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 21c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=QHQ2+ Q3+ Q1。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 為數(shù)據(jù)中

4、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)行測算。采用“功率及面積法”計(jì)算機(jī)房熱負(fù)荷。Qt=Ql+Q2其中，Qt總制冷量（KW）Q1室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷（=設(shè)備功率XI. 0）Q2環(huán)境熱負(fù)荷（=0. 12

5、-0. 18KW/m2 X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方法二是對復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的工程簡化計(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 平均每個(gè)機(jī)柜為北w的熱負(fù)荷。數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜數(shù)量為：1

6、00kw/4kw二25臺機(jī)柜按國家標(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，2）裝制蛾爸料魅型乳眼下九憚“«2%2）/F常餓骷腌機(jī)驟3.545 （力的1請覬主颶觴瓶息臺虬取每個(gè)機(jī)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(jī)柜 X4m2/臺=100 m2假定環(huán)境熱負(fù)荷系數(shù)取0.15 KW/m2,則數(shù)據(jù)中心機(jī)房總熱負(fù)荷為： Qt=Ql+Q2=100kw+100X0. 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(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

7、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P2060機(jī)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12L2kw,略大于115kw的計(jì)算熱負(fù)荷。根據(jù)國家標(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+M （M=l, 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(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)

8、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（

9、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。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(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(gè)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

10、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(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. 33. 5之間。本例中按最 大負(fù)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(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 四部件二P 制冷/cos= 121. 2kw/3. 4=35. 64kwob, 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

11、同。艾默生Pex系列采用遠(yuǎn)紅外加濕器，結(jié)構(gòu)簡潔，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(yuǎn)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(yuǎn)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(fù)荷下的加濕量，查相關(guān) 產(chǎn)品手冊遠(yuǎn)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(dāng)空調(diào)過冷情況下為實(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

12、iCom控制器，徹底 解決了空調(diào)的競爭運(yùn)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(yùn)行。僅僅在控制器故障下，再熱器才會工作。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?？刂撇考暮碾娏亢苌?，忽略不計(jì)?？照{(diào)系統(tǒng)總的電功率消耗與能效指標(biāo)為：功率：P空調(diào)二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. 1080. 114+0. 452=1. 560-1. 566 顯然，一個(gè)設(shè)計(jì)與運(yùn)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(jī)等設(shè)備下，能效比應(yīng)該是小于L 6。而實(shí)際運(yùn)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(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)乂與機(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的爭論，也將具體討論。空