數據中心專用空調配置選擇及PUE值計算
數據中心機房環(huán)境對服務器等IT設備正常穩(wěn)定運行起著決定性作用,。數據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：
為使數據中心能達到上述要求,，應采用機房專用空調(普通民用空調,、商用空調與機房專用空調的差異對比不在本文討論范圍),。如果數據中心機房環(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-產生冷凝水，短路
濕度過低-產生有破壞性的靜電
潔凈度不夠-機組內部件過熱,，腐蝕
一)數據中心熱負荷及其計算方法
照數據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：機房內各種設備總功耗(KW)
η1：同時使用系數
η2：利用系數
η3：負荷工作均勻系數
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(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,。但是因為數據中心的規(guī)劃與設計階段,，非常難以確定，所以實際在數據中心中通常采用設計估算與事后調整法,。
2,、機房熱負荷計算方法二：設計估算與事后調整法
數據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,，要了解主設備的數量及用電情況以確定機房專用空調的容量及配置,。根據以往經驗，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，也可根據機房設備功耗及機房面積,，按經驗進行測算,。
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,，通常容易出現計算熱量大于實際熱量的情況，因為機房專用空調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,，對機房專用空調的效率與耗電量不大。本文以方法二推導數據中心機房專用空調配置與能效計算,。
二)數據中心機房專用空調配置
設定數據中心的IT類設備為100KW,，并且固定不變。根據上述方法二,，還需要確定機房的面積,。
再假定數據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,。
數據中心的機柜數量為：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，那么數據中心的面積為：
5臺機柜×4m2/臺=100m2
假定環(huán)境熱負荷系數取0.15KW/m2,，則數據中心機房總熱負荷為：
Qt=Q1+Q2=100kw+100×0.15=115kw
數據中心送風方式選擇：按國家標準要求,，采用地板下送風，機柜按冷熱通道布置,。
機房專用空調選擇：機房空調通常分為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。不同廠家有不同型號的機房專用空調,，以艾默生網絡能源有限公司生產的Pex系列機房空調為例,，應配置的機房空調為：
兩臺P2060機房空調，在24℃相對濕度50%工況下,，每臺制冷量為60.6kw,，兩臺空調的總制冷量為121.2kw，略大于115kw的計算熱負荷,。
根據國家標準GB50174-2008《電子信息機房設計規(guī)范》的數據中心空調配置建議,，數據中心通常建議采用N+M(M=1，2,，…)配置形式,，提供工作可靠性與安全性。
假設本數據中心采用N+1方式配置,，即為2+1方式配置3臺P2060機房空調,，實現兩用一備工作。
三)數據中心機房專用空調耗電量與能效計算
機房空調耗電器件有：
壓縮機,，也是主要的耗電器件
室內風機,，
室外風機
室內加濕器
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)(空調四部件)，其中耗電部分是壓縮機,、室內風機,、室外風機等三個部件。
圖：空調四部件循環(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,，空調行業(yè)有個標準的參數，即能效比,。
能效比即一臺空調用一千瓦的電能產生多少千瓦的制冷/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,，空調效率就越高，空調也就越省電,。目前,，我國市場上民用空調平均能效比較低，僅為2.6,。美國現行的空調能效標準規(guī)定輸出功率介于2300W到4100W,，即小1匹到1.5匹的空調，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,。目前我國絕大多數空調處于歐洲E級水平,。而在日本國內的空調器的能效比現在一般都在4.0～5.0左右。
機房專用空調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,，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，室內加濕器功率 數據中心機房的環(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,，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,。遠紅外加濕器的應用減少了系統(tǒng)對水質的依賴性,，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空調的加濕器即可滿足最大負荷下的加濕量,，查相關產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過冷情況下為實現數據中心機房溫度穩(wěn)定，進行電功率加熱,。實際運行中,，因為艾默生Pex機房空調采用先進的iCom控制器，徹底解決了空調的競爭運行工況,，比如一臺空調制冷而另外一臺空調加熱的競爭運行,。
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,。
空調系統(tǒng)總的電功率消耗與能效指標為：
功率：P空調=P四部件+P加濕=35.64+9.6=45.24kw
能效指標：PUE空調因子=45.24/100=0.452
至此,，數據中心的PUE為：
PUE=1+PUE供電因子+PUE空調因子=1+0.108～0.114+0.452=1.560～1.566
顯然，一個設計與運營良好的數據中心,，在空調系統(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。
而實際運行的數據中心,，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據中心能效指標,。
數據中心能效指標PUE的進一步研究工作
上述的模型能夠清晰定義數據中心的主要耗電環(huán)節(jié)，為機房節(jié)能設計與運營提供了可行的數學模型,。
顯然,，數據中心節(jié)能的重點在于空調部分的能效指標，即PUE空調因子,。機房空調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,。
空調提供的制冷劑機外循環(huán)也是最新的技術，如果能成功產業(yè)化,，將降低PUE空調因子到0.2左右(一年內平均),。
最后，PUE無論怎樣變化,，都是大于1的乘數因子,。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，數據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。這就是乘數因子效應,。
文章來源：精密空調 http://foleader.com
