基本介紹
- 中文名：機房空調
- 外文名：air conditioner in machine room
- 特點：高精度
- 別稱：機房精密空調
作用,特點,組成,選型設計,使用場合,區別,製冷量計算方法,方法一,方法二,
作用
在計算機機房中的設備是由大量的微電子、精密機械設備等組成，而這些設備使用了大量的易受溫度、濕度影響的電子元器件、機械構件及材料。
溫度對計算機機房設備的電子元器件、絕緣材料以及記錄介質都有較大的影響;如對半導體元器件而言，室溫在規定範圍內每增加10℃，其可靠性就會降低約25%;而對電容器，溫度每增加10℃，其使用時間將下降50%;絕緣材料對溫度同樣敏感，溫度過高，印刷電路板的結構強度會變弱，溫度過低，絕緣材料會變脆，同樣會使結構強度變弱;對記錄介質而言，溫度過高或過低都會導致數據的丟失或存取故障。
濕度對計算機設備的影響也同樣明顯，當相對濕度較高時，水蒸汽在電子元器件或電介質材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現形成通路;當相對濕度過低時;容易產生較高的靜電電壓，試驗表明：在計算機機房中，如相對濕度為30%，靜電電壓可達5000V，相對濕度為20%，靜電電壓可達10000V，相對濕度為5%時，靜電電壓可達20000V，而高達上萬伏的靜電電壓對計算機設備的影響是顯而易見的。機房精密空調是針對現代電子設備機房設計的專用空調，它的工作精度和可靠性都要比普通空調高得多。要提高這些機房設備使用的穩定及可靠性，需將環境的溫度濕度嚴格控制在特定範圍。機房精密空調可將機房溫度及相對濕度控制於正負1攝氏度，從而大大提高了設備的壽命及可靠性。
溫度對計算機機房設備的電子元器件、絕緣材料以及記錄介質都有較大的影響;如對半導體元器件而言，室溫在規定範圍內每增加10℃，其可靠性就會降低約25%;而對電容器，溫度每增加10℃，其使用時間將下降50%;絕緣材料對溫度同樣敏感，溫度過高，印刷電路板的結構強度會變弱，溫度過低，絕緣材料會變脆，同樣會使結構強度變弱;對記錄介質而言，溫度過高或過低都會導致數據的丟失或存取故障。
濕度對計算機設備的影響也同樣明顯，當相對濕度較高時，水蒸汽在電子元器件或電介質材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現形成通路;當相對濕度過低時;容易產生較高的靜電電壓，試驗表明：在計算機機房中，如相對濕度為30%，靜電電壓可達5000V，相對濕度為20%，靜電電壓可達10000V，相對濕度為5%時，靜電電壓可達20000V，而高達上萬伏的靜電電壓對計算機設備的影響是顯而易見的。機房精密空調是針對現代電子設備機房設計的專用空調，它的工作精度和可靠性都要比普通空調高得多。要提高這些機房設備使用的穩定及可靠性，需將環境的溫度濕度嚴格控制在特定範圍。機房精密空調可將機房溫度及相對濕度控制於正負1攝氏度，從而大大提高了設備的壽命及可靠性。
特點
機房空調應具有的功能獨立的製冷系統獨立的加熱系統獨立的加濕系統
獨立的除濕系統
高要求機房空氣過濾系統
監控功能
MTBF(平均無故障時間)>10萬小時
具體特點：
1、 全年製冷
由於機房的發熱量很大，發熱量過高會導致一系列問題。有的IDC機房發熱量更是達到300w/㎡以上,所以全年都是製冷。
這裡需要提到的一點是機房空調也有加熱器，只不過是在除濕的時候啟動的。應為除濕時出風溫度要相對較低，避免房間溫度降低得太快（機房要求溫度變化每10分鐘不超過1℃，濕度每小時不超過5%）。
2、高顯熱比
顯熱比是顯冷量與總冷量的比值。空調的總冷量是顯冷量和潛冷量之和，其中顯熱製冷是用來降溫的，而潛冷是用來除濕的。機房的熱量主要是顯熱，所以機房空調的顯熱比較高，一般在0.9以上（普通舒適型空調只有0.6左右）。 大風量、小焓差是機房空調與其他空調的本質區別。採用大風量，可以使出風溫度不至於太低，並加大機房的換氣次數，這對伺服器和計算機的運算都是有利的。機房的短時間內溫度變化太大會造成伺服器運算錯誤，機房濕度太低會造成靜電（濕度在20%的時候靜電可以達到1萬伏）。
3、高能效比
能效比（COP）即使能量與熱量之間的轉換比率，1單位的能量，轉換為3單位的熱量，COP=3。由於大部分機房空調採用渦旋式壓縮機（最小的功率也有2.75KW），COP最大可以達到5.6。整機的能效比達到3.0以上。
4、高精度設計
機房空調不僅對溫度可以調節，也可以對濕度可以調節，並且精度都是很高的。計算機特別是伺服器對溫度和濕度都有特別高的要求，如果變化太大，計算機的計算就可能出現差錯，對服務商是是很不利的特別是銀行和通訊行業。機房空調要求一般在溫度精度達±2℃，濕度精度±5%，高精度機房空調可以溫度精度達到±0.5℃，濕度精度達到±2% 。
5、高可靠性
一個機房最注重的就是可靠性。全年8760小時要無故障運行，就需要機房空調可靠的零部件和優秀的控制系統。一般機房多是N+1備份，一台空調出了問題，其他空調就可以馬上接管整個系統。
組成
機房空調主要由六部分組成：
1、控制監測系統
控制系統通過控制器顯示空氣的溫、濕度，空調機組的工作狀態，分析各感測器反饋回來的信號，對機組各功能項發出工作指令，達到控制空氣溫、濕度的目的。
2、通風系統
機組內的各項功能(製冷、除濕、加熱、加濕等)對機房內空氣進行處理時，均需要空氣流動來完成熱、濕的交換，機房內氣體還需保持一定流速，防止塵埃沉積，並及時將懸浮於空氣中的塵埃濾除掉。
3、製冷循環及除濕系統
採用蒸發壓縮式製冷循環系統，它是利用製冷劑蒸發時吸收汽化潛熱來製冷的，製冷劑是空調製冷系統中實現製冷循環的工作介質，它的臨界溫度會隨著壓力的增加而升高，利用這個特點，先將製冷劑氣體利用壓縮機作功壓縮成高溫高壓氣體，再送到冷凝器里，在高壓下冷卻，氣體會在較高的溫度下散熱冷凝成液體，高壓的製冷劑液體通過一個節流裝置，使壓力迅速下降後到達蒸發器內在較低的壓力溫度下沸騰。
構成基本的製冷系統主要有四大部件，壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥。
除濕系統一般利用其本身的製冷循環系統，採用在相同製冷量情況下減。
4、加濕系統
通過電極加濕罐或紅外加濕燈管等設備，通過對水加熱形成水蒸氣的方式來實現。
5、加熱系統
加熱做為熱量補償，大多採用電熱管形式。
6、水冷機組水(乙二醇)循環系統
水冷機組的冷凝器設在機組內部，循環水通過熱交換器，將製冷劑汽體冷卻凝結成液體，因水的比熱容很大，所以冷凝熱交換器體積不大，可根據不同的回水溫度調節壓力控制三通閥(或電動控制閥控制通過熱交換器的水量來控制冷凝壓力。循環水的動力是由水泵提供的，被加熱後的水，有幾種冷卻方式較常用的是乾冷器冷卻，即將水送到密閉的乾冷器盤管內，靠風機冷卻後返回，乾冷器工作穩定、可靠性高，但需要有--個較大體積的冷卻盤管和風機。還有一種是開放的冷卻方式，即將水送到冷卻水塔噴淋「靠水份本身蒸發散熱後返回，這種方式需不斷向系統內補充水，並要求對水進行軟化，空氣中的塵土等雜物也會進入系統中，嚴重時會堵塞管路，影響傳熱效果，因此還需定期除污。
選型設計
在對自控新風冷氣機設備進行選型過程中，機房的熱負荷和換氣次數是最為重要的參數依據，因為這兩項參數決定了機房的溫濕度能否得到恆定以及機房的潔淨度能否得到滿足。所以我們在機房專用空調設備選型時先選定這兩項數據，然後再對選定的新風設備型號進行其它次要數據項的驗證。根據機房熱負荷及換氣次數的計算，可以對機房專用空調設備的設備型號進行選定。
混合製冷
混合製冷方式是傳統機房常用的方式(俗稱冰櫃式製冷方式)，傳統的機房空調很少考慮機櫃內部的溫度，它僅僅能保證機房內溫度符合要求。傳統混合製冷方式布局以整個房間作為冷卻對象，造成冷、熱氣流混流運行，即前面的機櫃排出的熱風很容易進入後排機櫃的進風口，由於冷、熱風氣流混合，從而造成精密空調製冷及機櫃熱交換效率降低。
垂直送風
垂直送風方式一般指下送（上送）風上回（側回）風方式，一般是通過送風管道或地板靜壓箱開口方式送風，垂直送風方式空調的可減少冷熱氣流混流，大大提高空調效率，降低工程造價，這種方式是機房經濟實用的送風方式。
水平送風
水平送風方式一般指靠近機櫃，沿機櫃面均勻水平送出冷風，把冷氣均勻地送入機櫃內，採用這種送風形式可大大縮短熱交換距離，提高空調效率，這是機櫃較理想的送風方式。
使用場合
計算機房、電信機房、伺服器機房、實驗室、電力試驗室、精密儀器室、銀行、醫院磁共振室、手術室、恆溫恆濕車間等對環境要求較高的場合。
區別
項目 | 機房空調 | 舒適性空調 |
服務對象 | 計算機 | 人 |
恆溫恆濕 | 有 | 無 |
顯熱比 | 0.9-1.0 | 0.6-0.7 |
能效比 | >3.0 | >2.6 |
空氣過濾 | 中高效 | 低效 |
換氣次數 | 30次/h | 5-15次/h |
風速 | 高 | 低 |
運行費用 | 低 | 高 |
自動監控 | 有 | 無 |
自動管理 | 有 | 無 |
使用壽命 | 10年以上 | 3-5年 |
計算機機房對溫度、濕度及潔淨度均有較嚴格的要求，因此，計算機機房專用空調在設計上與傳統的舒適性空調有著很大區別，表現在以下幾個方面：
普通空調用於機房造成的故障結果
1.普通空調無法保持機房溫度恆定-會造成電子元氣件的壽命大大降低。
2.無法保持機房溫度均勻，局部環境容易過熱–導致機房電子設備突然關機。
3.無法控制機房濕度，機房濕度過高-會產生冷凝水，導致微電路局部短路。
4.無法控制機房濕度，機房濕度過低-會產生有破壞性的靜電，導致設備運行失常。
5.風量不足和過濾器效果差，機房潔淨度不夠–灰塵的聚集造成電子設備散熱困難，容易過熱和腐蝕。
6.普通空調設計選材可靠性差–空調維護量大，壽命短。
機房空調對於機房的作用
1、保持溫度恆定(溫度波動控制在24±1～2oC之內)。
2、保持濕度恆定(相對濕度波動控制在50%±5%RH之內)。
3、空氣潔淨度0.5微米/升
普通空調用於機房造成的故障結果
1.普通空調無法保持機房溫度恆定-會造成電子元氣件的壽命大大降低。
2.無法保持機房溫度均勻，局部環境容易過熱–導致機房電子設備突然關機。
3.無法控制機房濕度，機房濕度過高-會產生冷凝水，導致微電路局部短路。
4.無法控制機房濕度，機房濕度過低-會產生有破壞性的靜電，導致設備運行失常。
5.風量不足和過濾器效果差，機房潔淨度不夠–灰塵的聚集造成電子設備散熱困難，容易過熱和腐蝕。
6.普通空調設計選材可靠性差–空調維護量大，壽命短。
機房空調對於機房的作用
1、保持溫度恆定(溫度波動控制在24±1～2oC之內)。
2、保持濕度恆定(相對濕度波動控制在50%±5%RH之內)。
3、空氣潔淨度0.5微米/升
4、換氣次數/小時>30。即在給定的機房內，空調的風量和機房容積的比值大於30。
5、機房正壓>10Pa。
6、機房空調設備具備遠程監控及來電自啟動功能。
對於機房來講，要保證機房的環境穩定可靠，需要機房專用空調來實現，使用普通空調機組僅僅是減少了初投資，但無法保證機房要求的溫濕度環境，總的費用也高於機房專用空調；只有機房精密空調才能解決機房可靠地運行。
5、機房正壓>10Pa。
6、機房空調設備具備遠程監控及來電自啟動功能。
對於機房來講，要保證機房的環境穩定可靠，需要機房專用空調來實現，使用普通空調機組僅僅是減少了初投資，但無法保證機房要求的溫濕度環境，總的費用也高於機房專用空調；只有機房精密空調才能解決機房可靠地運行。
製冷量計算方法
方法一
機房熱負荷計算，各系統累加法
（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：同時使用係數
η2：利用係數
η3：負荷工作均勻係數
通常，η1、η2、η3取0.6～0.8之間，考慮製冷量的冗餘，通常η1×η2×η3取值為0.8。
（2）機房照明熱負荷：
Q2=(C×S)/1000（KW）
C：根據國家標準《計算站場地技術要求》要求，機房照度應大於2001x，其功耗大約為20W/
。以後的計算中，照明功耗將以20W/m2為依據計算。
S：機房面積
（3）建築維護結構熱負荷
Q3=K×S/1000（KW）
K：建築維護結構熱負荷係數（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複雜，我們以空調本身的設備餘量來平衡，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。由於上述（3）（4）（5）計算複雜，通常是採用工程查表予以確定。但是因為數據中心的規劃與設計階段，非常難以確定，所以實際在數據中心中通常採用設計估算與事後調整法。
（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：同時使用係數
η2：利用係數
η3：負荷工作均勻係數
通常，η1、η2、η3取0.6～0.8之間，考慮製冷量的冗餘，通常η1×η2×η3取值為0.8。
（2）機房照明熱負荷：
Q2=(C×S)/1000（KW）
C：根據國家標準《計算站場地技術要求》要求，機房照度應大於2001x，其功耗大約為20W/
S：機房面積
（3）建築維護結構熱負荷
Q3=K×S/1000（KW）
K：建築維護結構熱負荷係數（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複雜，我們以空調本身的設備餘量來平衡，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。由於上述（3）（4）（5）計算複雜，通常是採用工程查表予以確定。但是因為數據中心的規劃與設計階段，非常難以確定，所以實際在數據中心中通常採用設計估算與事後調整法。
方法二
機房熱負荷計算方法二：設計估算與事後調整法
數據中心機房主要的熱負荷來源於設備的發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、建築維護結構負荷、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。
採用“功率及面積法”計算機房熱負荷。
Qt=Q1+Q2
其中，Qt總製冷量（KW）
Q1室內設備負荷（=設備功率×1.0）
Q2環境熱負荷（=0.12～0.18KW/m2×機房面積），南方地區可選0.18，而北方地區通常選擇0.12
數據中心機房主要的熱負荷來源於設備的發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、建築維護結構負荷、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。
採用“功率及面積法”計算機房熱負荷。
Qt=Q1+Q2
其中，Qt總製冷量（KW）
Q1室內設備負荷（=設備功率×1.0）
Q2環境熱負荷（=0.12～0.18KW/m2×機房面積），南方地區可選0.18，而北方地區通常選擇0.12
方法二是對複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於實際熱量的情況，因為機房專用空調自動控制溫度並決定運行時間，所以多餘的配置可以作為冗餘配置，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。
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，並且固定不變。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/機櫃。也就是說平均每個機櫃為4kW的熱負荷。
數據中心的機櫃數量為：100kW/4kW=25台機櫃
按國家標準GB50174-2008《電子信息系統機房設計規範》有關機櫃占地面積計算方法，當電子信息設備尚未選形時，可按下式計算：
A=FN
式中 F——單台設備占用面積，可取3.5~4.5（m/台）
N——計算機主機房內所有設備的總台數。
取每個機櫃的占地面積為中間值4m/台，那么數據中心的面積為：
25台機櫃×4m/台=100m2
假定環境熱負荷係數取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，採用地板下送風，機櫃按冷熱通道布置。
機房專用空調選擇：機房空調通常分為DX（直接製冷）與非直接製冷（包括各類水製冷系統等），先討論直接製冷系統的機房空調。不同廠家有不同型號的機房專用空調，以某品牌的機房空調為例，應配置的機房空調為：
兩台某系列機房空調，在24℃相對濕度50%工況下，每台製冷量為60.6kW，兩台空調的總製冷量為121.2kW，略大於115kW的計算熱負荷。
根據國家標準GB50174-2008《電子信息系統機房設計規範》的數據中心空調配置建議，數據中心通常建議採用N+M（M=1，2，…）配置形式，提供工作可靠性與安全性。
假設本數據中心採用N+1方式配置，即為2+1方式配置3台該系列的機房空調，實現兩用一備工作。
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，並且固定不變。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/機櫃。也就是說平均每個機櫃為4kW的熱負荷。
數據中心的機櫃數量為：100kW/4kW=25台機櫃
按國家標準GB50174-2008《電子信息系統機房設計規範》有關機櫃占地面積計算方法，當電子信息設備尚未選形時，可按下式計算：
A=FN
式中 F——單台設備占用面積，可取3.5~4.5（m/台）
N——計算機主機房內所有設備的總台數。
取每個機櫃的占地面積為中間值4m/台，那么數據中心的面積為：
25台機櫃×4m/台=100m2
假定環境熱負荷係數取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，採用地板下送風，機櫃按冷熱通道布置。
機房專用空調選擇：機房空調通常分為DX（直接製冷）與非直接製冷（包括各類水製冷系統等），先討論直接製冷系統的機房空調。不同廠家有不同型號的機房專用空調，以某品牌的機房空調為例，應配置的機房空調為：
兩台某系列機房空調，在24℃相對濕度50%工況下，每台製冷量為60.6kW，兩台空調的總製冷量為121.2kW，略大於115kW的計算熱負荷。
根據國家標準GB50174-2008《電子信息系統機房設計規範》的數據中心空調配置建議，數據中心通常建議採用N+M（M=1，2，…）配置形式，提供工作可靠性與安全性。
假設本數據中心採用N+1方式配置，即為2+1方式配置3台該系列的機房空調，實現兩用一備工作。
