空調(diào)系統(tǒng)的PUE值計算

1、空調(diào)系統(tǒng)的PUE值計算中國電子工程設(shè)計院鐘景華艾默生網(wǎng)絡(luò)能源朱利偉曹播數(shù)據(jù)中央機(jī)房環(huán)境對效勞器等IT設(shè)備正常穩(wěn)定運行起著決定性作用.數(shù)據(jù)中央機(jī)房建設(shè)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2021?電子信息機(jī)房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?對機(jī)房開機(jī)時的環(huán)境的要求：工程技術(shù)要求備注E級C第環(huán)境要求主機(jī)房溫度開機(jī)時23±1.18-28*C主機(jī)房相對濕度C開機(jī)時40%55%3又75郭不結(jié)露為使數(shù)據(jù)中央能到達(dá)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)的差異比照不在本文討論范圍.如果數(shù)據(jù)中央機(jī)房環(huán)境不能滿足以上要求會對效勞器等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-

2、設(shè)備忽然關(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,腐蝕一數(shù)據(jù)中央熱負(fù)荷及其計算方法根據(jù)數(shù)據(jù)中央機(jī)房主要熱量的來源,分為：設(shè)備熱負(fù)荷計算機(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)荷計算方法一：各系統(tǒng)累加法(1)設(shè)備熱負(fù)荷：Q1=PX刀1XY12X打3(KWQ1:計算機(jī)設(shè)備熱負(fù)荷P:機(jī)房內(nèi)各種設(shè)備總功耗(KWY 1:同時使用系數(shù)Y 2:利用系數(shù)Y 3:負(fù)荷工作均勻系數(shù)通常,刀1、刀2、Y3取0.60.8之間,考慮制冷量的冗余,通常y1Xy2Xy3取值為0.8.(2)機(jī)房照明熱負(fù)荷：Q2=CXS

3、(KvyC:根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)?計算站場地技術(shù)要求?要求,機(jī)房照度應(yīng)大于2001x,其功耗大約為20W/M2以后的計算中,照明功耗將以20W/M2為依據(jù)計算.S:機(jī)房面積(3)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷Q3=KXS/1000(KWK: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(KWN: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24c時均為130W/人.(5)新風(fēng)熱負(fù)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(jī)房的總熱負(fù)荷,即機(jī)房熱負(fù)荷Qt=Q1+Q2+Q3+Q4.由于上述

4、(3)(4)(5)計算復(fù)雜,通常是采用工程查表予以確定.但是由于數(shù)據(jù)中央的規(guī)劃與設(shè)計階段,非常難以確定,所以實際在數(shù)據(jù)中央中通常采用設(shè)計估算與事后調(diào)整法.2、機(jī)房熱負(fù)荷計算方法二：設(shè)計估算與事后調(diào)整法數(shù)據(jù)中央機(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,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)驗進(jìn)行測算.采用“功率及面積法計算機(jī)房熱負(fù)荷.Qt=Q1+Q2其中,Qt總制冷量(KWQ1室內(nèi)設(shè)

5、備負(fù)荷(=設(shè)備功率X1.0)Q2環(huán)境熱負(fù)荷(=0.120.18KW/m2X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,由于機(jī)房專用空調(diào)自動限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(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)中央機(jī)房專用空調(diào)配置與能效計算.二數(shù)據(jù)中央機(jī)房專用空調(diào)配置設(shè)定數(shù)據(jù)中央的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)中央的熱負(fù)荷密度為平均熱負(fù)荷密度,即4Kw/機(jī)柜.也就是說平均每個機(jī)柜為4kw的熱

6、負(fù)荷.數(shù)據(jù)中央的機(jī)卞I數(shù)量為：100kw/4kw=25臺機(jī)柜按國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2021?電子信息機(jī)房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?有關(guān)機(jī)柜占地面積計算方法,2當(dāng)電子信息設(shè)備尚未選型時,可按下式計算:A=FN4.2.3-2式中F單臺設(shè)備占用面積,可取3,54.5靜/臺:N一一計算機(jī)主機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的總臺數(shù).取每個機(jī)柜的占地面積為中間值4m2/臺,那么數(shù)據(jù)中央的面積為：25臺機(jī)柜X4m2/臺=100m2假定環(huán)境熱負(fù)荷系數(shù)取0.15KW/m2,那么數(shù)據(jù)中央機(jī)房總熱負(fù)荷為：Qt=Q1+Q2=100kw+100X0.15=115kw數(shù)據(jù)中央送風(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

7、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24C相對濕度50%X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(fù)荷.根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2021?電子信息機(jī)房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?的數(shù)據(jù)中央空調(diào)配置建議,數(shù)據(jù)中央通常建議采用N+MM=1,2,配置形式,提供工作可靠性與平安性.假設(shè)本數(shù)據(jù)中央采用N+1方式配置,即為2+1方式配置3臺P2060機(jī)房空調(diào),實現(xiàn)兩用一備工作.三數(shù)

8、據(jù)中央機(jī)房專用空調(diào)耗電量與能效計算機(jī)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)下加熱限制與顯示部件等,耗電量較少,可忽略不計a, 壓縮機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)的耗電計算壓縮機(jī)、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,其中耗電局部是壓縮機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)等三個部件.圖：空調(diào)四部件循環(huán)詳細(xì)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18

9、60W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：5500/18003.1.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)平均能效比擬低,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2300Mij4100W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即到達(dá)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、DEF、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2.82.6之間；E級以下屬于低能效空調(diào).目前我

10、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)由于采用專用壓縮機(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,那么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限制模塊限制下,只有限制電源工作,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,那么四部件電功率為：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)中央機(jī)房的環(huán)境、建筑條件、密封狀態(tài)等不同,導(dǎo)致加濕功率不同.艾默生Pex系列采用遠(yuǎn)紅外加濕器,結(jié)構(gòu)簡潔,易

11、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外表張力,在純潔狀態(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9.6kw.P力口濕=9.6kwc,再熱器、限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)中央機(jī)房溫度穩(wěn)定,進(jìn)行電功率加熱.實際運行中,由于艾默生Pex機(jī)房空調(diào)采用先進(jìn)的iCom限制器,徹底解決了空調(diào)的競爭運行工況,比方一臺空調(diào)制冷而另

12、外一臺空調(diào)加熱的競爭運行.僅僅在限制器故障下,再熱器才會工作.由于這是非正常工況,所以再熱器的電功率不計入能效模型.限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力口濕=35.64+9.6=45.24kw能效指標(biāo)：PUE調(diào)因子=45.24/100=0.452至此,數(shù)據(jù)中央的PUE為：PUE=1+PUE電因子+PUE空調(diào)因子=1+0.1080.114+0.452=1.5601.566顯然,一個設(shè)計與運營良好的數(shù)據(jù)中央,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1.6.而實際運行的數(shù)據(jù)中央,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)中央能效指標(biāo).數(shù)據(jù)中央能效指標(biāo)PUE的進(jìn)一步研究工作上述的模型能夠清楚定義數(shù)據(jù)中央的主要耗電環(huán)節(jié),為機(jī)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)中央節(jié)能的重點在于空調(diào)局部的能效指標(biāo),即PUESE調(diào)因子.機(jī)房空調(diào)的能效指標(biāo)又與機(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