浅谈计算机机房的空调设计

浅谈计算机机房的空调设计1.机房环境要求根据电子计算机机房设计规范（GB50174-93），中大型电子计算机机房指主机房建筑面积大于或等于140平方米的电子计算机机房，本文亦以此一般条件为基础，进行下文的阐述。电子计算机机房组成应按计算机运行特点及设备具体要求确定，一般宜由主机房、基本工作间、第一类辅助房间、第二类辅助房间、第三类辅助房间等组成。机房应按实际的组成情况，分别确定室内环境在温度、湿度、洁净度、通风、隔振、防噪声、防静电、防电磁干扰方面的要求，在我国电子计算机机房设计规范（GB50174-93）中，已按等级规定了机房的温湿度、含尘量、噪音等方面的参数，比较典型的计算机开机时机房内温湿度要求如下表：基于电子计算机设备的特点，为了达到以上的环境要求，相关的空调系统设计一般具有以下的特点：设备的装设功率大，运行中的机柜散热不但量大而且集中，且无散湿量，机房内的湿量主要来自工作人员及新风引入或渗入的室外空气，热量大湿量小，热湿比近似无穷大，空气的处理近似一个等湿降温过程。这种工况下的焓差小，要消除余热必然是风量大，机房的换气次数每小时达20-60次。要求全年不间断运行。在室外温度较低时，机房总热负荷中的围护结构的热负荷和新风的热负荷为负值，使总热负荷比室外温度高时有所降低。但当设备散热量所占比重大时，总热负荷全年变化不大，造成机房空调系统需全年制冷运行。需要送风冷却的计算机设备，进风口一般设在设备的下侧或底部，排风口设在设备的顶面，空气通过架空的活动地板上的风口进入计算机机柜，使自下而上的冷空气迅速有效的冷却计算机设备。下送风系统也便于根据机柜的发热量，调节机房各处活动地板送风口的风量。空调系统必须考虑能全年运行的高可靠性。一般在分析机房负荷特点后，对空调设备负荷进行二台以上的最佳组合，既减少一次投资费用，又能经济运行达到互为备用的目的。要求设置一定的监控、防护设备，如漏水传感器及报警装置、空调机的远程监控装置等。2.机房空调装置的选择2.1机房空调的类型我们应根据机房的特点，结合机房的空调面积，考虑方便管理、节省能源，减少一次性投资等因素来确定空调装置。工程中经常选用柜式空调装置，而柜式空调有水冷式、冷水式、风冷式三种基本类型，其中，风冷式空调装置不需外界提供冷热源，不设水管系统有利于确保机房的安全，虽然风冷式比水冷式空调机的效率低些，但与土建施工配合的安装简便，且机房内只装室内机有利于降低机房的噪声，所以，风冷式空调装置在新建的机房工程设计中常为首选方案。此外，空调机按技术特性又可分为冷风降温机、恒温恒湿空调机及机房专用空调机三种类型，其中，机房专用空调机是根据机房以上几个主要特点而专门设计生产的空调装置，特别适用于机房显热比重大的特点，因此，在目前的中大型机房空调设计中，一般选择小焓差的风冷式机房专用空调机组。2.2小焓差的机房专用空调机特点湿空气的焓：由显热和潜热两部分组成。空气的焓（kJ/kg）h=1.01t+0.001d(2500+1.84t)1.01t为显热，0.001d(2500+1.84t)为潜热t空气的温度（ºC）d空气的含湿度（g/kg）空调机送回风之间的焓差（kJ/kg）h=1.01t+0.001d(2500+1.84t)t空调机送回风之间的平均温差（ºC）d空调机送回风之间的平均含湿量之差（g/ kg）若h不变，d减小则t增加，d增加则t减小。计算机房由于潜热量很小，若采用与普通舒适性空调系统相同的焓差，由于d小使t增大；并且机房夏季基准温度比舒适性空调低，使得送风温度较低；当送风温度低于机房露点温度时，在机柜表面甚至机柜内部就会产生结露现象。例如：当机房温度23ºC、相对湿度60%时，假设大气压力为1013.25hPa（760mmHg），此时的露点温度为15ºC。因此，为防止计算机房结露，应采用小焓差的机房专用空调机组，统计资料显示：机房专用空调机h=8.512.5(kJ/kg)，舒适性空调机h=17.022.0(kJ/kg)，其焓差约为舒适性空调机焓差的二分之一，小焓差可减小空调送回风之间的温差，保证送风温度高于机房露点温度。3.机房空调的热湿负荷目前，许多设计人员常常根据估计的机房每平方米所需的冷量，乘以机房面积即得出机房所需的总冷量来进行空调选型，这种做法是不准确的，从目前发展趋势看来，按该种方法设计的空调系统，有时距离实际需求相差甚远。因此，在设计时应了解机房安装的设备情况，分析机房的热湿负荷情况，对散热量和散湿量进行计算，才能针对机房的总负荷进行空调系统的选型。首先，我们先分析一下机房空调的热湿负荷。机房室内的热湿负荷，通常来源于以下几个方面：机房内计算机和其它设备的散热量。建筑围护结构的传热。太阳辐射热。人体的散热量和散湿量。照明装置的散热量。补入室内新风的热量和湿量。以上几个方面的热量和湿量的总和，即为机房内得热、得湿的空调冷负荷。对于机房中的配电盘及电线、电缆的微量散热一般进行忽略。3.1机房围护结构的传热负荷围护结构的传热负荷计算比较烦杂，在空调设计手册中都有详细的计算方法介绍。总体来说，围护结构的建筑传热负荷，它随季节室外气温的变化而有所增减，一年四季中它是个变数。据不完全统计，我国的中大型计算机机房，每平方米传热负荷夏季平均为正82W，冬季平均为负58W。3.2设备散热量设备在运转过程中，从电源部分至各种半导体器件以及带动机械运转的消耗电能，都在不断的消耗热量，大多数的设备生产厂商都可以提供出计算机设备的安装功率及散热量数据，但是，有时在设计时无法获得确切的散热量数值，这时，我们也可以采用以下公式进行估算：已知设备的安装功率情况下，可以由下式估算设备的散热量：散热量（kW）所有设备的安装功率之和（kW）×KK总系数，视设备集成密度取0.40.8。3.3荧光灯的散热量散热量（kW）照明总功率之和（kW）×n1×n2×n3n1安装系数，明装时取1，暗装时按不同情况取0.350.8；n2考虑整流器消耗功率的系数，整流器在机房内，n2取1.2，整流器在吊顶内，n2取1.0；n3蓄热系数，取0.80.95。3.4人体的散热量散热量（W）最大工作人数×每个男成人散热量（查下表）散湿量（g/h）最大工作人数×每个男成人散湿量（查下表）注：计算机平均散热量，女成人为男成人散热量的85。3.5UPS装置的散热量已知装置功率按下式计算：散热量（kW）实耗功率（kW，不能使用安装功率）×（1）效率，一般取0.850.95。3.6柴油发电机的散热量散热量（W）燃料的平均消耗量（kg/kWh）×有效功率（kW）×Qr×KQr燃料热值，取12000W/kg；K散热系数，查下表。3.7根据热湿负荷进行空调选择由于机房内的设备经常是昼夜不停地运行，决定了对空调装置运转要求的高可靠。为此，在工程设计中普遍采用两套或两套以上的空调装置，便于互为备用。如果采用百分百的设备备用当然安全可靠，但一次投资明显增大，那么，如何能做到互为备用，又能节省投资，达到经济合理的运行呢？这就是要合理设计空调装置负荷量的最佳匹配。根据以上介绍的方法，可以计算得出夏季、冬季的负荷量，如果再考虑空调装置的安全系数及计算机设备扩充的备用量为15%20%的负荷量，最好的情况是：如果选用两台空调装置，那么一台占总负荷量的80%左右，另一台占总负荷量的35%左右。这种匹配在夏季最大负荷时开动两台运行，过渡季节及冬季可分别开动一台。此时，宜选用自身配有两套制冷送风系统的空调，当一套出现故障，另一套还能照常运行，以确保机房内的温湿度变化率不会过快过大。如果选用三台空调装置，同样在考虑安全系统及扩充的备用量后，每台空调装置的负荷量占总负荷量的40%。在夏季最大负荷时开动三台空调装置，过渡季节可开动两台，冬季甚至可以只开动一台。可见，在空调装置的容量匹配组合中，柜式空调装置分外显示出组合灵活的优越性。3.8新风机组的选择对于采用专用空调机的区域，空间密闭性非常好，而机房属于人长时间停留的地方，机房人员每人每小时呼出的二氧化碳约为30L（45g），机房内二氧化碳的允许浓度为1L/m3（1.5g）因此，机房内必须单设新风机组，对机房空间补充新鲜的空气，同时，新风机必须对新风进行预处理、净化和过滤，引入新风还有利于维持机房正压，保证机房洁净度。计算机机房空调系统的新风量，可由以下三项中取其中最大的一项：按机房人员取40m3/hp；按机房维持室内正压所需的风量，查下表：取机房空调总风量的5%。4.气流组织比较机房专用空调的送回风通常有两种布置方式，一种是上送下回气流组织，另一种是下送上回气流组织，较少用到侧送下回。气流组织的选用和机房空调送风量有关，也关系到机房内的机柜冷却效果。上送下回的气流组织，送风经顶棚上的空调风口往下送冷空气，通过设备自带的风机进入设备，工作区空气流速小且均匀，人有良好的舒适感，但大多数机柜的进风口设在机柜的底下侧，排风口设在机柜的顶上，顶棚风口送下的冷空气与机柜顶上排出的热空气逆向混合，导致进入机柜的空气温度偏高，机柜内往往得不到良好的冷却效果。下送上回的气流组织，地板下空间常被空调用作送风的通道。空气经过地板上的风口进入机房机柜，把机房空调与机柜的设备冷却合二为一，送出的低温空气只在瞬间与机房内的热空气混合即进入机柜，有效地提高了机柜的冷却效果，同时也减少了送入的洁净空气与机房内含有悬浮尘埃空气相混合的污染，提高了机柜内的空气洁净度，机柜内的热空气通过机房顶棚上的风口送到空调装置重新循环。因此，中大型的计算机机房内采用机房专用空调，一般均采用下送上回的气流组织形式，除了机柜冷却效果好之外，活动地板下和顶棚内可兼做送风静压箱和回风静压箱，机房内设备更新或增减时，还可以方便地根据需要调动地板送风口的位置及数量。5.送风面积和风量计算5.1送风面积机房空调采用下送上回的气流组织时，常用活动地板上已配套装设的风口，作为地板下的送风气流进入机房和机柜的送风口。误区是，实际上进入机房和机柜的空气，并不完全单一的通过地板送风口，有相当大的一部分风通过拼搭的活动地板缝隙和为接管线而开口并未堵严的活动地板孔开口进入。机房的活动地板，是用规格一致的许多块地板相互紧靠拼搭并用支撑架空而构成，常用的机房全钢抗静电地板通常采用将钢边搭在活动地板支撑架上的方式铺设，在地板的多次翻起过程中，经常会出现地板边变得不太平整，另外，如果地板铺设过程中找平和支架调整的施工不到位，都会出现比较大的漏风现象。如果拼搭缝隙宽度平均按1.5mm计算，则每平方米机房，平均约有46m3/h的空气从地板下渗向机房空间，比例并不小。当然，如果选用平整度更好的复合地板、硫酸钙地板、铝合金地板等，并采用垫有软垫的支架，地板缝隙的这部分出风量也可以大大减少。机房内也有一定数量的开孔活动地板，用它作为计算机设备与活动地板下管线连接的通道，但一般管线穿后在开孔处的会留下或大或小的缝隙，空气从开孔地板的敞口处，不断的进入机房。因此，活动地板的缝隙和地板接线开孔穿线后余下的面积，都可以看作机房空调送风风口面积的一部分。在实地的测量数据中，从这两部分送入的空气占到了实际总开孔面积的50%以上。5.2机柜冷却送风量对于中大型的计算机机房，一般应分别计算机房空调送风量及机柜所需的冷却风量。机房空调总送风量在机房空调参数确定以后，可以查得机房空调总送风量。机柜的冷却风量，一般应由设备生产厂商提供，当缺乏数据时，也可以根据机柜的散热量及送风温差求得，总的原则是：对于机柜冷却的送风口面积