计算机机房专用空调的特点及设计方法.docx

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计算机机房专用空调的特点及设计方法

计算机机房专用空调的特点及设计方法

能够充分满足计算机房环境条件要求的计算机房专用空调机是在近30年中逐渐发展起来的一个新机种。

早期的机房使用舒适性空调机时，常常出现由于环境温湿度参数控制不当而造成计算机运算过程受干扰、打印机纸张卡住或粘连、磁头损坏、出现静电等问题。

而使用通用的恒温恒湿空调机，虽然可以获得比较稳定的适宜环境，但是运行费用偏高，同时也存在安全性、可靠性以及操作方面的一系列不足。

为了适应计算机事业的发展，计算机和空调设计人员相互合作，针对计算机房空调环境特点，专门开发了计算机房专用空调机。

美国DATAAIRE公司在30多年前与IBM公司合作，成功地开发了世界上第一台计算机房专用空调机。

在我国，计算机行业的发展也是近30年的事，随着计算机在各行业的普遍应用。

金密空调例如：

下送风利用活动地板作为风道把冷风直接送入计算机机柜内、大风量、低焓差、较高的空气过滤效率、配置相互独立的双制冷系统。

以及加热、加湿等功能。

计算机房专用空调机发展至今，无论从制冷能量调节到各种故障报警监测等都有了相当大的提高。

计算机房专用空调机，通常具有如下一些性能特点：

3.1大风量、小焓差

与相同制冷量的舒适空调机相比，机房专用空调机的循环风量约大一倍，相应的焓差只有一半，机房专用空调机运行时通常不需要除湿，循环风量较大将使得机组在空气露点以上运行，不必要象舒适性空调机那样为应付湿负荷而不得不使空气冷却到露点以下，故机组可以通过提高制冷剂的蒸发温度提高机组运行的热力效率，从而提高运行的经济性。

根据经验，显热比为1.0的机组单位制冷量的能耗仅为显热比为0.6机组的60%左右。

同样，机房要求温湿度指标相对稳定，较大的循环风量将有利于稳定机房的温、湿度指标，显然，在制冷量一定的情况下，风量的增大将导致焓差的减小，因而通常机组只能在显热比相当高的工况下运行，这恰恰与机房的负荷特点相适应。

此外，在过滤系统效率一定的情况下，较大的风量有利于提高机房的洁净度。

空调机按其性能不同，大体可分为三种类型。

第一类型为舒适型空调机，如柜式空调机、壁桂式、吸顶式等，它们主要是给人们提供一个舒适的环境条件。

第二类为恒温恒湿型空调机，

这种空调是为试验室或工作间提供相应的温度和湿度要求，这种空调机夏季制冷、冬季加热和加湿，属于工业用空调机之一。

第三类为机房专用空调机，它是为计算机机房（包括程控交换机房）专门设计的特殊空调机，这种空调机全年制冷运行。

通常舒适空调冷负荷中有30％是为了消除潜热负荷，有70％是为了消除显热负荷。

对计算机房来讲，其情况却大不相同，计算机房内主要是设备散出的显热，室内工作人员散出的热负荷及夏季进入房间的新鲜空气的热湿负荷（仅占总负荷的5％）。

并且冬季是需要加湿而不是减湿，即使在冬季计算机房仍需要消除热负荷，特别是程控机房更是如此。

鉴于以上特点，如将一般舒适空调机组用于计算机房，则会造成能量浪费。

例如一个热负荷为7056kcal／h的计算机房，若使用计算机房专用空调机组，则总耗电量为2.7kW，而舒适型空调机组则需耗电8.1kW，即多耗电两倍。

同样制冷量的空调机其风量各异、舒适型空调机的风量与冷量比为1:

5，而恒湿恒温机风量与冷量比为1:

3.5，机房专用空调机的风量与冷量比为1:

2.3（kca1／m3）。

所以机房专用空调机具有大风量、小焓差、高显热比的特点，通常焓差为2kca1／kg左右。

也就是说，机房的热负荷90-95%是显热负荷，同样的热负荷显热比越高要求送风量越大。

这就是要求机房的空调系统能够提供较大的送风量，所以要求机房送风量要比通常舒适性空调房间所需的送风量大1.6-2倍。

3.2机房的热负荷变化的幅度较大

通常要在10％～20％之间变动，这是由于主机设备所处的工作状态不同，消耗的功耗不同所造成的。

因此，机房空调系统必须能够适应这种负荷的变化，以使元、器件工作在所要求的环境条件之中，保证电路性能的可靠性。

3.3送回风方式多样

由于要与计算机的冷却方式相适应，计算机房的空调系统的送风回风方式是多种多样的、有上送风、下送风等、有下回风、上回风、侧回风等，生产企业一般是利用标准化手段开发一系列机型，以满足用户的不同需要。

机房专用空调机送风形式多为上送下回式和上回下送式。

机房中铺设防静电活动地板，机房专用空调机采用下送上回式送风，使冷气直接送入活动地板下，这样使地板下形成静压箱，然后通过地板送风口，把冷气均匀地送入机房内，送入计算机柜内。

为此，机房专用空调机应有足够的风量把机房中的热量带走。

采用这种送风形式可大大提高空调效率，同时还可以大幅度节省过去习惯管道送风的工程费用，降低工程造价，使室内布局美观。

这是计算机房理想的送风形式。

当然，机房送风形式要与计算机主机散热形式相一致。

3.4两级过滤

机房专用空调机内设有初、中效两级过滤器，使机组送出的冷气达到一定的净化能力，以满足洁净度要求。

例如日本机房专用空调机就是采用AFl重量法，其集尘效率可达93％，用这一指标来标称机组空气过滤效果。

当机组过滤器容尘量超过设定值时，过滤器堵塞报警器动作，以示操作人员清扫过滤器。

通常标准型机组中、空气过滤器均采用粗、中效过滤，而在一些进口的特殊型机组中，从结构设计上采用预留亚高效过滤器或高效过滤器的安装位置，可根据用户需求选用（如净化手术室等机组就选用带亚高过滤器）。

只要用户提出，过滤系统可以很方便地以更换过滤器或者增加过滤器的方式进行升级。

一般A级过滤器要求使用高效或亚高效过滤器，B级洁净要求使用亚高效或中效过滤器，即使是使用C级洁净要求也座该使用中效过滤器。

然而，舒适性空调机以及常规的恒湿恒温空调机一般只有初效过滤器，如果需要提高过滤效率，也只能是改装，而且往往还需增加风机、加大风压，以免空调机因安装了中效过滤或亚高效过滤而使送风能力大幅度下降。

3.5可靠性较高

针对机房空调系统高可靠性的要求，计算机房专用空调机在结构与控制系统设计和制造以及空调系统组成等方面都必须相应采取一系列措施，例如设置后备机组或后备控制单元，微机控制系统自动对机组运行状态进行诊断，及时对已经出现或将要出现的故障发生警报，自动用后备机组或后备控制单元切换故障机组或故障单元。

众所周知，机房专用机的控制系统功能比舒适机要完善得多。

控制系统的性能与空调系统技术经济性能密切相关。

不少计算机房专用空调机生产企业专门开发一系列的控制器作为空调系统的组成部分，采用电子控制器或微机控制已经十分普遍，有些企业已经把模糊控制技术应用在计算机房专用空调系统中。

控制器具有自诊断功能，可以按照程序自动地对机组以及控制器本身各部分的状态进行诊断，诊断也可以由操作人员采用手动方式进行。

自诊断将及时对出现异常现象的部件或者出现故障的类型和发生部位作出判断。

控制器远程监控功能在机组控制器上加入通信接口插板后，该控制即可与网络控制器联机，机组的运行将可以利用网络控制器进行集中控制。

控制器的后备机组管理功能，可把同一区域内的机组分别在不同的时间内作为运行机组和后备机组。

即当某台运行机组发生故障时，在控制器的控制下可把该机组的负荷自动地切换到后备机组。

正常情况下，每台机组均按一定的时间轮流作为运行机组和后备机组，从而均衡各机组的运行时间。

这样，有利于提高专用空调机组的寿命和运行的可靠性。

3.6全年制冷运行

无论是大、中型计算机，还是程控交换机，都要求空调机全年制冷运行。

而冬季的制冷运行要解决稳定冷凝压力和其它相关的问题。

多数机房专用空调机能在室外气温降至15℃时仍能制冷运行。

与此形成明显对比的舒适性空调机或常规恒温、恒湿机，在此种条件下，根本无法工作。

3.7设计点对应运行点

如果把舒适空调机用于计算机房空调系统时，由于机房要求其运行点为：

冬季20土2℃，夏季23土2℃，而舒适空调机的设计点温度一般为27℃，所以机组的实际供冷能力一般比样本标明的额定值低10％～25％。

此外，运行点偏离设计点时，在一定程度上机组的部分机件性能由于偏离了最佳运行点，从而影响了机组整体的匹配状态，不利于机组性能的充分发挥和高效率运行。

然而计算机房专用空调机，由于把运行点作为设计点，因而机组始终处于最佳运行点，这就从根本上避免了这些问题。

3.8机房专用空调机与舒适空调机的区别

机房专用空调机组与一般舒适空调机组的对比如下。

序号比较内容一般空调专业空调

1冷风比kcal/m352.2～3

2显热比（显冷量/总冷量%）0.65～0.70.85～1.0

3焓差kcal/kg3~52~2.5

4控制精度±3℃±1℃，±1%RH

5湿度控制通常没有有加湿和去湿功能

6空气过滤一般性过滤

要求过滤0.2～0.5m的粒

子，10-30级

7蒸发温度℃较低>5℃-11℃

8蒸发器排数4、6、8排2-4排

9迎风面积m2较小1.3～2.7

10迎面风速m/s较大<2.7

11备用单制冷回路双制冷回路

12运行时间h8～1024

13全年运行可靠性不设计冬季运行全天候运行

14控制一般控制微机控制

15监控无能进行本机或远程监控

计算机机房热负荷计算

为了确定空调机的容量，以满足机房温度、湿度、洁净度和送风速度的要求（简称四度要求）。

必须首先计算机房的热负荷。

机房的热负荷主要来自两个方面，其一是机房内部产生的热量，它包括：

·室内计算机及外部设备的发热量，机房辅助设施和机房设备的发热量（电

热、蒸气水温及其它发热体）。

这些发热量显热大、潜热小；

·照明发热（显热）；

·工作人员的发热（显热小、潜热大）；

·由于水分蒸发、凝结产生的热量（潜热）。

其二是机房外部产生的热量，它包括：

·传导热。

通过建筑物本体侵入的热量，如从墙壁、屋顶、隔断和地面传入机房的热量（显热）；

·放射热（也称辐射热）。

由于太阳照射从玻璃窗直接进入房间的热量（显

热）；

·对流产生的热量。

从门窗等缝隙侵入的高温室外空气（也包含水蒸气）所产

生的热量（显热、潜热）；

·为了使室内工作人员减少疲劳和有利于人体健康而引入的新鲜空气所产

生的热量（包括显热和潜热）。

总之，人体放出的热量、缝隙风侵入的热量和换气带进

的热量，不仅使室温升高，也会增加室内的含湿量，因此需要除湿。

这部分热负荷称为潜热负荷，而机房内所有设备散发的热量只是室内的温度升高，这种热负荷称为显热负荷。

与一般宾馆、办公室、会议室等潜热占有相当大比例所不同的是，计算机、程控机机房内的热负荷是以显热负荷为主。

因此对于热负荷状况不同的场合应选用不同类型的空调机。

通常用显热比（SFH）作为空调机的重要指标。

各种空调机的显热比如下表所示：

机型舒适空调恒温恒湿空调专用空调

显热比70%80%90～95%

4.1概略计算（也称为估算）

在机房初始设计阶段，为了较快的选定空调机的容量，可采用此方法，即以单位面积所需冷量进行估算。

计算机房（包括程控交换机房）：

楼层较高时，250～300kcal/m2h

楼层较低时，150～250kcal/m2h

（根据设备的密度作适当的增减）办公室（值班室）：

90kcal/m2h

4.2简易热负荷计算

计算机房空调负荷，主要来自计算机设备、外部设备及机房设备的发热量，大约占总热量的80%以上，其次是照明热、传导热、辐射热等，这几项计算方法与一般空调房间负荷计算相同。

计算机制造商，一般能提供设备发热量的具体数值。

而有些计算机制造商，不能提出这方面的数据，因此，只能根据计算机的耗电量计算其发热量。

a.外部设备发热量计算

Q＝860N¢（kcal／h）

式中：

N：

用电量（kW）；¢：

同时使用系数（0.2～0.5）；860：

功的热当量，即lkW电能全部

转化为热能所产生的热量。

b.主机发热量计算Q＝860P*′h1′h2′h3

式中，P：

总功率（kW）；

h1：

同时使用系数；

h2：

利用系数；

h3：

负荷工作均匀系数。

机房内各种设备的总功率，应以机房内设备的最大功耗为准，但这些功耗并未全部转换成热量，因此，必须用以上三种系数来修正，这些系数又与计算机的系统结构、功能、用途、工作状态及所用电子组件有关。

总系数一般取0.6～0.8之间为好。

c.照明设备热负荷计算

机房照明设备的耗电量，一部分变成光，一部分变成热。

变成光的部分也因被建筑物和设备等所吸收而变成热。

照明设备的热负荷计算如下：

Q＝CPkcal／h

式中，P：

照明设备的标称额定输出功率（W）；

C：

每输出lW的热量（kcal／hW），通常自炽灯为0.86，日光灯为1.0。

d.人体发热量人体内的热是通过皮肤和呼吸器官放出来的，这种热因含有水蒸汽，其热负荷应是显热和潜热负荷之和。

人体发出的热随工作状态而异。

机房中工作人员可按轻体力工作处理。

当室温为24℃时，其显热负荷为56cal，潜热负荷为46cal；当室温为21℃时，其显热负荷为65cal，潜热负荷为37ca1。

在两种情况下，其总热负荷均为102cal。

e.围护结构的传导热

通过机房屋顶、墙壁、隔断等围护结构进入机房的传导热是一个与季节、时间、地理位置和太阳的照射角度等有关的量。

因此，要准确地求出这样的量是很复杂的问题。

当室内外空气温度保持一定的稳定状态时，由平面形状墙壁传入机房的热量可按下式计算：

Q＝KF（t1-t2）kcal／h

式中，K：

围护结构的导热系数（kcal／m2h℃）；

F：

围护结构面积（m2）；

t1：

机房内温度（℃）；

t2：

机房外的计算温度（℃）。

当计算不与室外空气直接接触的围护结构如隔断等时，室内外计算温度差应乘以修正系数，其值通常取0.4～0.7。

常用材料导热系数如下表所示：

常用材料导热系数

材料导热系数（kcal/m2h℃）材料导热系数（kcal/m2h℃）

普通混凝土1.4～1.5石膏板0.2

轻型混凝土0.5～0.7石棉水泥板1

砂浆1.3软质纤维板0.15

熟石膏0.5玻璃纤维0.03

砖1.1镀锌钢板38

玻璃0.7铝板180

木材0.1~0.25

f.从玻璃透入的太阳辐射热

当玻璃受阳光照射时，一部分被反射、一部分被玻璃吸收，剩下透过玻璃射入机房转化为热。

被玻璃吸收的热使玻璃温度升高，其中一部分通过对流进入机房也成为热负荷。

透过玻璃进入室内的热量可按下式计算：

Q＝KFq（kcal／h）

式中，K：

太阳辐射热的透入系数；

F：

玻璃窗的面积（m2）；

q：

透过玻璃窗进入的太阳辐射热强度（kcal／m2h）。

透入系数K值取决于窗户的种类，通常取0.36～0.4。

太阳辐射热强度q随纬度、季节和时间而不同，又随太阳照射角度而变化。

具体数值请参考当地气象资料。

g.换气及室外侵入的热负荷

为了给在计算机房内工作人员不断补充新鲜空气，以及用换气来维持机房的正压，需要通过空调设备的新风口向机房送入室外的新鲜空气，这些新鲜空气也将成为热负荷。

通过门、窗缝隙和开关而侵入的室外空气量，随机房的密封程度，人的出入次数和室外的风速而改变。

这种热负荷通常都很小，如需要，可将其拆算为房间的换气量来确定热负荷。

h.其它热负荷

在机房中，除上述热负荷外，在工作中使用示被器、电烙铁、吸尘器等都将成为热负荷。

由于这些设备的功耗一般都较小，可粗略按其额定输入功率与功的热当量之积来计算。

此外机房内使用大量的传输电缆，也是发热体。

其计算如下：

Q＝860Pl（kcal／h）

式中，860：

功的热当量（kca1／h）；

P：

每米电缆的功耗（W）；l：

电缆的长度（m）。

总之，机房热负荷应由上述各项热负荷之和来确定。

空调房间的气流组织

空调房间的气流组织是空调系统的重要环节，即在相同的热负荷下，气流组织的方式不同，空调的效果就会有很大的差异。

所谓空调房间的气流组织就是根据机房特点，选择合适的送回风方式及房间内的气流分配。

5.1确定气流组织时要考虑的问题

·应使机房送回风方式和设备的通风方式与计算机或程控交换机系统的散热方式及发热量相适应。

·计算机设备在机房内的布置要考虑设备的功能，同时还要尽可能缩短信号电缆连线以减少散热量，有利于提高系统抗干扰能力。

对于中央处理机、磁盘机等发热量较大的设备。

在铺设地板时，要有足够的通风量，一般选用防静电铝合金通风板为好。

·机房内的热负荷主要来源之一是计算机设备。

由于计算机系统的功能、速度和容量的大幅度提高而体积却相应减小，这样就使机房单位面积热负荷增大，因此更需要机房气流组织分配均匀。

机房内热源应尽量能均匀分布，使机房内各点的温度梯度尽可能小，机房内各送风口的送风速度尽可能均匀，不能出现送风死区。

机房内的热源应尽量能均匀分布。

·计算机房的空调可采用很多种方式，究竟采用何种方式为宜，还应考虑机房的结构要素。

特别是在原有建筑物中改建的计算机房，结构要素对空调方式的影响更为突出。

·计算机房的空调除了解决计算机设备的散热要求外，还要满足人对工作环境的要求。

计算机房操作人员的舒适程度对于提高工作效率，防止事故发生都是非常重要的。

所以在确定空调气流组织方式时，还应从人的舒适方面去权衡。

特别需要值得注意的是要给操作人员提供足够的新风，并且不要让冷空气直接吹向操作人员经常工作的地方，一般送在操作人员附近，选用旋流活动风口送风较为合理。

5.2空调方式

机房气流组织主要用下述送回风方式来实现：

室内直吹式

室内直吹式就是把舒适型普通立柜式空调机安装在机房内，通常又称为上侧送风下侧回风式，从上侧送出的空气先与室内空气相混合，再进入计算机柜。

显然，从空调机上侧送出的空气温度低于室内空气温度。

这种送风方式适用于微机房，也就是机房狭小、计算机设备台数少、设备发热量小的微型计算机房，如30m2左右的微机房。

采用这种送风形式，其空气流很可能被机房内的设备阻挡，会出现小区域的涡流、特别是在空气流经的室内工作区会有吹风感。

因此在布置设备时防止设备间空气短路、在空气流路上，设备应先低后高排列，发热量大的设备优先得到足够的冷风。

室内直吹式送风方式采用这种空调方式，只能满足机房内温度要求，而对机房内的湿度和空气洁净度及机房换气次数均不能达到国家规定的机房设计标准要求。

正确地采用上送风侧回风的机房专用空调机用于微型计算机房，使之机房内达到国家规定的机房设计标准要求，即温度、湿度、洁净度和送风速度及换气次数的要求。

采用地板上空调送风方式。

b.地板下空调方式

经空调机调整了的温湿度空气，通过计算机柜下部送进计算机柜内，而经机房上部返回空调机的送风形式，也称为下送上回式。

由于下送上回式的冷风是通过保持正压的活动地板下的静压风库送入计算机设备和机房的，并且可以给发热量大的设备单独送风，因此，空调效率高，使机房内温度分布均匀，一般计算机房均采用这种送风形式。

在施工时应对地表面进行防尘涂料处理。

为了防止地面上产生结露，必须在地面上或在机房下层顶棚上进行隔热措施处理。

送风温度一般取16一19℃。

c.上送下回式

上送下回式就是把空调机调整了温度和湿度的空气，经过吊顶送进计算机柜。

而后再通过活动地板下返回空调机下部回风口。

这种送风形式适用于计算机柜本身散热方式是从机柜顶部送风，机柜下部或侧下部排风的计算机系统，称为上送下回空调方式。

d.混合式空调方式混合式就是根据设备和操作人员对空调的不同要求而采用的综合送风形式。

其中计算机设备所需要的冷风是经活动地板下送入设备的，而人的舒适则是通过另一系统来实现的。

因此，设备和人都可以得到比较满意的空气调节。

这是一种比较理想的空调方式。

不过，由于混合式空调造价高、气流组织复杂，应用较少采用混合式空调方式。

5.3气流速度

计算机房一般净高在2.5m～3m之间，工作区气流速度控制在0.2～0.3m／s，建议各类送风口的送风速度按下列数值选取：

·上送下回百叶侧风口流速2～3m／s

·散流器喉部流速2～4m／s

·孔板孔口流速2～4m／s

·向孔板上静压箱内送风口流速4～5m／s

·活动地板向室内送风的可调风口流速2～5m／s

回风口流速、在房间下部可取l～2m／s，

在房间顶部可取3～4m／s。