IDC机房PUE值计算

1、空调系统的PUE值计算中国电子工程设计院钟景华艾默生网络能源有限公司朱利伟曹播数据中心机房环境对服务器等IT设备正常稳定运行起着决定性作用。数据 中心机房建设的国家标准GB50174-2008电子信息机房设讣规范对机房开机时 的环境的要求：为使数据中心能达到上述要求，应采用机房专用空调（普通民用空调、商 用空调与机房专用空调的差异对比不在本文讨论范圉）。如果数据中心机房环境不 能满足以上要求会对服务器等IT设备造成以下影响：温度无法保持恒定-造成电子元气件的寿命降低局部温度过热-设备突然关机湿度过高-产生冷凝水，短路湿度过低-产生有破坏性的静电 洁净度不够-机组内部件过热，腐蚀-）数据中心热负

2、荷及其计算方法按照数据中心机房主要热量的来源，分为：设备热负荷（计算机等IT设备热负荷）；机房照明热负荷；建筑维护结构热负荷；补充的新风热负荷；人员的散热负荷等。1、机房热负荷计算方法一：各系统累加法（1）设备热负荷：Q1 二px nix n2x n3 （KW）QI：计算机设备热负荷P：机房内各种设备总功耗（KW）ni：同时使用系数H2：利用系数Q3：负荷工作均匀系数通常，n i> n2> n3取0.60.8之间，考虑制冷量的兀余，通常nix n2x n3取值为0.8。（2）机房照明热负荷：Q2 二 CXS（KW）C：根据国家标准计算站场地技术要求要求，机房照度应大于2001x,其

3、功耗大约为20W/M2o以后的计算中，照明功耗将以20 W/M2为依据计 算。S：机房面积（3）建筑维护结构热负荷Q3 二KXS/1000（KW）K：建筑维护结构热负荷系数（50W/m2机房面积）S：机房面积（4）人员的散热负荷：Ql=PXN/1000 （KW）N：机房常有人员数量P：人体发热量，轻体力工作人员热负荷显热与潜热之和，在室温为 21°C和24°C时均为130W/人。（5）新风热负荷计算较为复杂，我们以空调本身的设备余量来平衡，不另外计 算。以上五种热源组成了机房的总热负荷，即机房热负荷Qt二Q1+Q2+ Q3+ Q4。由于上述（3） （4） （5）计算复杂，通

4、常是采用工程查表予以确定。但是因 为数据中心的规划与设计阶段，非常难以确定，所以实际在数据中心中通常采用设 计估算与事后调整法。2、机房热负荷计算方法二：设计估算与事后调整法数据中心机房主要的热负荷来源于设备的发热量及维护结构的热负荷。因此，要了解主设备的数量及用电情况以确定机房专用空调的容量及配 置。根据以往经验，除主要的设备热负荷之外的其他负荷，如机房照明负荷、建筑 维护结构负荷、补充的新风负荷、人员的散热负荷等，如不具备精确讣算的条件， 也可根据机房设备功耗及机房面积，按经验进行测算。采用“功率及面积法”计算机房热负荷。Qt=Ql+Q2其中，Qt总制冷量（KW）Q1室内设备负荷（二设备功

5、率X1.0）Q2环境热负荷（=0. 120. 18KW/m2 X机房面积），南方地区可选0.18, 而北方地区通常选择0. 12方法二是对复杂科学计算的工程简化计算方法。这种计算方法下，通常容 易出现计算热量大于实际热量的情况，因为机房专用空调自动控制温度并决定运行 时间，所以多余的配置可以作为冗余配置，对机房专用空调的效率与耗电量不大。 本文以方法二推导数据中心机房专用空调配置与能效计算。二）数据中心机房专用空调配置设定数据中心的IT类设备为100KW,并且固定不变。根据上述方法二，还 需要确定机房的面积。再假定数据中心的热负荷密度为平均热负荷密度，即4Kw/机柜。也就是说 平均每个机柜为4

6、kw的热负荷。数据中心的机柜数量为：100kw/4kw二25台机柜按国家标准GB50174-2008电子信息机房设计规范有关机柜占地面积计 算方法，2）当电刑緞歸耗型輾視牌：州（42Z2）轴 L-朋齢覇勰，棘3.5<15（刊&）;»啊主爾确紳息鐵取每个机柜的占地面积为中间值4m2/台，那么数据中心的面积为： 25 台机柜 X4m2/台二 100 m2假定环境热负荷系数取0.15 KW/m2,则数据中心机房总热负荷为：Qt=Ql+Q2=100kw+100 X 0. 15=115kw数据中心送风方式选择：按国家标准要求，采用地板下送风，机柜按冷热 通道布置。机房专用空调选择

7、：机房空调通常分为DX （直接制冷）与非直接制冷（包 括各类水制冷系统等），先讨论直接制冷系统的机房空调。不同厂家有不同型号的 机房专用空调，以艾默生网络能源有限公司生产的Pex系列机房空调为例，应配置 的机房空调为：两台P2060机房空调，在24°C相对湿度50%工况下，每台制冷量为60. 6kw，两台空调的总制冷量为121. 2kw,略大于113kw的计算热负荷。根据国家标准GB50174-2008电子信息机房设计规范的数据中心空调配 置建议，数据中心通常建议采用+M （M二1, 2,）配置形式，提供工作可靠性与 安全性。假设本数据中心采用N+1方式配置，即为2+1方式配置3台P

8、2060机房空 调，实现两用一备工作。三）数据中心机房专用空调耗电量与能效计算机房空调耗电器件有：压缩机，也是主要的耗电器件室内风机，室外风机室内加湿器再热器，用于过冷状态下加热控制与显示部件等，耗电量较少，可忽略不计a, 压缩机、室内风机、室外风机的耗电计算压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器组成一个完整的冷热循环系统（空调四 部件），其中耗电部分是压缩机、室内风机、室外风机等三个部件。图：空调四部件循环详细计算不同工况下的三个部件的耗电量是困难的，但是在最大制冷量输 出下，空调行业有个标准的参数，即能效比。能效比即一台空调用一千瓦的电能产生多少千瓦的制冷/热量。分为制冷能 效比EER和制热能效比

9、COP。例如，一台空调的制冷量是4800W,制冷功率是 1860W,制冷能效比（EER）是：4800 / 18602.6：制热量5500W,制热功率是 1800W,制热能效比COP（辅助加热不开）是：5500/ 18003. Io显然，能效比越大，空调效率就越高，空调也就越省电。LI前，我国市场 上民用空调平均能效比较低，仅为2. 6。美国现行的空调能效标准规定输出功率介 于2300W到4100W,即小1匹到1.5匹的空调，能效比达2. 8即为合格品；能效比 达3. 2即达到能源之星标准；而能效比低于2. 8,不准在美国市场销售。欧洲的能 效标准，空调能效水平分为A、B、C、D、E、F、G共7

10、个级别。其中A级最高，能 效比为3. 2以上；D级居中，介于2.82.6之间；E级以下属于低能效空调。目 前我国绝大多数空调处于欧洲E级水平。而在日本国内的空调器的能效比现在一般 都在4.05.0左右。机房专用空调因为采用专用压缩机，所以能效比都在3. 3-3. 5之间。本例中按最 大负荷制冷功率115kw,则3台艾默生P2060空调为两用一备，其中备份机在先进 的iCom控制模块控制下，只有控制电源工作，能耗很少，忽略不计。2台P2060空调，总制冷功率为121. 2kw,取能效比中间值3. 4计算，则四 部件电功率为：P 四部件二P 制冷/cos二 121. 2kw/3. 4=35. 64

11、kwob, 室内加湿器功率数据中心机房的环境、建筑条件、密封状态等不同，导致加湿功率不同。艾默生Pex系列采用远红外加湿器，结构简洁，易于拆卸、清洗和维护。 悬挂在不锈钢加湿水盘上的高强度石英灯管发射出红外光和远红外光，在56秒 内，使水盘中的水分子吸收辐射能以摆脱水的表面张力，在纯净状态下蒸发，不含 任何杂质。远红外加湿器的应用减少了系统对水质的依赖性，其自动冲洗功能，使 水盘更清洁。图：远红外加湿器本例假设一台P2060空调的加湿器即可满足最大负荷下的加湿量，查相关 产品手册远红外加湿器功率为9. 6kwoP 加湿二9. 6kwc, 再热器、控制部件耗电量再热器的作用是当空调过冷情况下为实

12、现数据中心机房温度稳定，进行电 功率加热。实际运行中，因为艾默生Pex机房空调采用先进的iCom控制器，彻底 解决了空调的竞争运行工况，比如一台空调制冷而另外一台空调加热的竞争运行。仅仅在控制器故障下，再热器才会工作。因为这是非正常工况，所以再热 器的电功率不计入能效模型。控制部件的耗电量很少，忽略不计。空调系统总的电功率消耗与能效指标为：功率：P空调二P四部件+P加湿二35. 64+9. 6=45. 24kw能效指标：PUE空调因子二45. 24/100二0. 452至此，数据中心的PUE为：PUE二 1+PUE 供电因子+PUE 空调因子二 1+0. 1080. 114+0. 452二 1

13、. 560-1. 566 显然，一个设计与运营良好的数据中心，在空调系统配置正确，不考虑照明、新风 机等设备下，能效比应该是小于1.6。而实际运行的数据中心，能效比动辄大于2. 5,非常耗能、非常浪费，究 其原因还是用户不太关注数据中心能效指标。数据中心能效指标PUE的进一步研究工作上述的模型能够清晰定义数据中心的主要耗电环节，为机房节能设计与运 营提供了可行的数学模型。显然，数据中心节能的重点在于空调部分的能效指标，即PUE空调因子。 机房空调的能效指标乂与机房的热密度、风道布置、冷热通道、机房建筑热负荷、 室外机布置、室内机布置等诸多因素相关，这是本文下一步研究工作需要探讨的。此外，有关水制冷系统与直接风冷系统DX的争论，也将具体讨