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数据中心机房设备发热量精确计算方法
添加时间:2018-02-19
前言:
        只要是电子设备,在工作过程中都会产生热量,在数据中心机房计算机处理信息的仪器中交流电源的能量几乎全转化成热量了,也就是说,从设备的电源消耗就可推算出热量的产生量,为了避免机房机柜设备温度升高至无法接受的程度,必须使这些热量扩散掉,否则热量的积累将会导致故障,选择适合的通风或冷却系统,首先需要知道设备的产热量和散热空间。
 
        机房显热量来源:透过外窗进人室内的太阳辐射热量、通过围护结构传人室内的热量、设备散热量、人体散热量、照明散热量、新风散热量。
 
        机房潜热量来源:工作人员人体散热量、渗透空气及新风换气散热量,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37cal。在两种情况下,其总热负荷均为102cal。
 
        计算步骤:首先收集“所需数据”列表中要求的信息。然后根据下面的数据定义进行发热量计算,并将结果填写到“发热量分类汇总”列表中。将各分类汇总项相加,得到总发热量。
 
        数据定义:IT设备总负载功率(W)—所有IT设备电源输入功率之和,电源系统额定功率—UPS系统的额定功率。如果使用了冗余系统,请勿包括冗余UPS的功率。

        根据性质不同,得热量又分为显热和潜热,而显热又包括对流热和辐射热两种成分,计算设备或其他IT设备通过数据线传输的能量可以忽略不计,因此,交流电源干线所消耗的能量基本上都会转换为热量,这样一来,IT设备的发热量就可以简单地等同于该设备的电力消耗量(均以瓦特为单位)。
 
        (1)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。
 
        (2)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: 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
 
        (3)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。
 
        (4)UPS热量的产出由此公式计算得出:  
        产热量(BTU/小时) = 负载功率(瓦特)x 无用功比例(由表1查出)x 3.41 (BTU转换常数)  注意:当UPS工作在电池放电模式或正在给电池充电时,它的产热量会增加,但这是很正常的。UPS输出的这些能量并不需要特别注意,无须计算在通风冷却系统的设计容量中。
 
        (5)工艺设备的散热量计算公式为:  
        Q=1000n1n2n3n4SN/η (W) 
        Q---------工艺设备散热总量   
        n1---------电机空量利用系数(安装系数),即最大实耗功率与安装功率之比,它反映了客定功率N的利用程度,一般为0.7~0.9 ; 
        n2---------同时使用系数,即房间内电动机同时使用的安装功率与总安装功率之比,根据工艺过程的设备使用情况而定,一般为0.5~0.8;   
        n3---------负荷系数,每小时的平均实耗功率与设计最大实耗功率之比,它反映了平均负荷达到一个新的水平最大负荷的程度,一般可取0.5左右;
        n4---------考虑排风带走热量的系数,一般可取0.5;  
        S---------蓄热系数,即电机散热的最大瞬时负荷与每小时实耗功率之比,三班班工作制取0.95,二班工作制取0.9,一班工作制取0.80;  
        N---------电动机的额定功率(安装功率);  
        η---------电动机效率(一般取85); 
        那么,现在我想请问:如果有一个洁净无排风洁净室,二班工作制,室内有两台工艺设备,同时工作,每台设备的安装功率(N)都是6KW,n1(0.7~0.9)我们取0.8,n2(0.5~0.8)我们取1(因为是同时工作),n3我们取0.5, n4我们取1(因为是无排风),S我们取0.9。那么这个洁净室工艺设备的总散热量应为: 
        Q=1000n1n2n3n4SN/η   
        Q=1000×0.8×1×0.5×1×0.9×(6×2)/85  
        Q=360×12/85
        Q=50.82 (W)
 
        (6)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a—h各项热负荷之和来确定。
 
        数据中心网络机房散热量计算案例
 
        某数据中心个面积为465平方米,额定功率为250kW,内有150个机架,最多有20位人员。在本例中,按照惯例假设该数据中心的功率负载为额定功率的30%,即75kW.在上述条件下,数据中心的总发热量为108kW,约为IT设备负载的1.5倍。
 
        在本例中,总散热量中数据中心内各项所占的百分比,请注意,由于该系统功率仅为额定功率的30%,所以对UPS和配电系统在总发热量中所占比例的估计要高于其实际值。如果系统以满负荷运转,电源系统的效率将提高,它在整个系统发热量中所占的比例将降低。如果对系统进行过度规划,那么将付出效率大幅降低的高昂代价。
 
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