錢存存康侍民劉雄偉

1重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

2深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司

自然風(fēng)冷卻技術(shù)在深圳市某信息機(jī)房應(yīng)用研究

錢存存1，2康侍民1劉雄偉2

1重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

2深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司

本文對該信息機(jī)房的能耗現(xiàn)狀進(jìn)行測試分析，PUE（Power Usage Effectiveness）值為1.7，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗占比為40%。通過結(jié)合深圳市室外氣象條件及信息機(jī)房安全溫、濕度要求，分析了過渡季節(jié)采用自然風(fēng)冷卻技術(shù)對該信息機(jī)房進(jìn)行降溫的可行性，并從節(jié)能與經(jīng)濟(jì)的角度，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。得出過渡季節(jié)在室外氣溫低于20℃時，自然風(fēng)冷卻技術(shù)不僅能夠滿足該信息機(jī)房降溫要求，同時降低空調(diào)系統(tǒng)的年用電預(yù)計(jì)達(dá)到12000kWh，改造投資回收期在1.8年以下，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，在深圳地區(qū)具有良好的推廣性。

信息機(jī)房 PUE自然風(fēng)冷卻 投資回收期 節(jié)能改造

0 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛快進(jìn)步，大批企事業(yè)單位自身對數(shù)據(jù)使用、處理及數(shù)據(jù)機(jī)密性需求大幅度提高，信息機(jī)房越來越多地出現(xiàn)在辦公建筑中。而信息機(jī)房由于設(shè)備功率密度高，運(yùn)行時間長，成為建筑最大的用能單元之一，占到建筑總用電的20%～30%左右。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，信息機(jī)房的用電主要分為以下三個方面[1]：IT設(shè)備用電量占機(jī)房能耗的30%；空調(diào)系統(tǒng)用電占機(jī)房電耗的50%；照明及其他用電占計(jì)算機(jī)房電耗的10%。

由于信息設(shè)備的正常運(yùn)行對企業(yè)運(yùn)作過程中的作用十分重要，為保障信息機(jī)房室內(nèi)環(huán)境安全，絕大部分信息機(jī)房信息設(shè)備與空調(diào)系統(tǒng)基本采取全年全天24h的運(yùn)行模式，這也成為導(dǎo)致信息機(jī)房用電過高的關(guān)鍵因素?；谏鲜鲈?，本人以深圳某辦公建筑為對象，分析過渡季節(jié)自然風(fēng)冷技術(shù)在信息機(jī)房應(yīng)用的可行性與節(jié)能效果，從而為信息機(jī)房的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考。

1 原信息機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)概況

1.1 原空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

該信息機(jī)房位于廣東省深圳市某辦公樓的五樓，建筑面積為60m2，層高4m，梁下高度3m，吊頂高度3m，地板高度0.5m。機(jī)房內(nèi)有辦公樓的主要服務(wù)器設(shè)備，設(shè)備總臺數(shù)為50臺，正常運(yùn)行功率在15～23kW之間。

本機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)采用地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，利用地板靜壓箱將處理后的空氣經(jīng)地板送風(fēng)口送到空調(diào)區(qū)域，在吊頂處回風(fēng)?？照{(diào)機(jī)組采用2大2小搭配使用：大機(jī)組的單臺機(jī)組額定制冷量為17kW，制冷額定功率為5.83kW，機(jī)組最大功率為16.1kW，額定能效比為2.92；小機(jī)組的單臺制冷量為5kW，制冷額定功率為1.83kW，機(jī)組最大功率為2.15kW，額定能效比為2.73。兩列機(jī)架中間設(shè)有7個地板送風(fēng)口，空調(diào)機(jī)組上方的吊頂設(shè)有2個回風(fēng)口。所有空調(diào)機(jī)均為風(fēng)冷式。IT設(shè)備與空調(diào)系統(tǒng)均365天不間斷運(yùn)行。

1.2 原空調(diào)系統(tǒng)電耗現(xiàn)狀

根據(jù)該信息機(jī)房2013年的用電量分項(xiàng)數(shù)據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)年總用電量為103000kWh，分別占該機(jī)房年總用電量和該辦公樓年總用電量的比例分別40%和9%，單位空調(diào)面積能耗為1800 kWh/m2。經(jīng)計(jì)算得，該機(jī)房的PUE值（Power Usage Effectiveness）為1.7。（注：PUE值為評估信息機(jī)房能源效率的指標(biāo)。其定義為PUE值=機(jī)房總設(shè)備用電量/IT設(shè)備總用電量，該值越接近1代表能效越高，超過2認(rèn)為能效偏低）?？梢姡緳C(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的電耗十分之高。

2 自然風(fēng)冷卻的可行性分析

2.1 本機(jī)房的溫濕度要求

機(jī)房的溫濕度要求不僅對IT設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、使用壽命及通信的流暢安全有至關(guān)重要的影響，也是影響空調(diào)系統(tǒng)電耗的重要因素?！峨娮佑?jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-92）[2]對機(jī)房劃分為A（容錯型）、B（冗余型）、C（基本型）三個級別（A級：運(yùn)行中斷將造成重大經(jīng)濟(jì)損失及公共場所秩序嚴(yán)重混亂；B級：運(yùn)行中斷將造成較大經(jīng)濟(jì)損失及公共場所秩序混亂；C級：不屬于A級或B級的其他機(jī)房），并對各級別機(jī)房的溫濕度作出規(guī)定，如表1所示。本機(jī)房屬C類機(jī)房。

表1 各類機(jī)房的溫濕度要求

2.2 深圳市全年室外溫濕度條件

深圳市屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。根據(jù)深圳氣象臺數(shù)據(jù)，深圳常年平均氣溫22.5℃，極端氣溫最高38.7℃，最低0.2℃，日照2120.5h。最冷的一月平均溫15.4℃（平均最高20℃，平均最低氣溫12℃）。深圳市典型年的室外空氣干球溫度低于20℃的時間約為2673h，與信息機(jī)房的安全上限溫度28℃相比，溫差達(dá)到8℃，完全能夠作為信息機(jī)房的冷源。如在過渡季節(jié)通過合理引入自然通風(fēng)對信息機(jī)房進(jìn)行降溫，必然可以大幅度降低空調(diào)系統(tǒng)開啟時間，從而減少空調(diào)系統(tǒng)能耗。

圖1 深圳市典型氣象年室外氣象參數(shù)（來源于深圳市氣象局）

3 自然風(fēng)冷卻技術(shù)的理論分析

3.1 逐時送風(fēng)量的計(jì)算

由于機(jī)房內(nèi)無濕源，將機(jī)房內(nèi)濕負(fù)荷視為0，即將熱交換過程視為僅有顯熱交換，室外的導(dǎo)熱量全部用來滿足室內(nèi)冷負(fù)荷。由于機(jī)房室內(nèi)溫度與臨室相差在3℃內(nèi)，不考慮與臨室內(nèi)的換熱。因此室外逐時導(dǎo)熱量只考慮北外窗的逐時導(dǎo)熱量、日射逐時到熱量。

外窗逐時導(dǎo)熱量計(jì)算式：

式中：Q1,τ為外窗的逐時導(dǎo)熱量，kJ；K為外窗的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為外窗的面積，m2；tW,τ為室外空氣逐時干球溫度，℃；tN為室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度，℃。

日射逐時導(dǎo)熱量計(jì)算式：

式中：Q2,τ為日射逐時導(dǎo)熱量，kJ；Xg為窗的有效面積系數(shù)，1；Xd為窗的地點(diǎn)修正系數(shù)，1；Cs為窗的遮擋系數(shù)，1；Cn為遮陽系數(shù)，1；F為外窗的面積，m2；Jj,τ為逐時水平面太陽輻射強(qiáng)度，W/m2。

送風(fēng)逐時耗熱量計(jì)算式：

式中：Qτ為送風(fēng)逐時導(dǎo)熱量，kJ；QIT,τ為機(jī)房設(shè)備逐時散熱量，kJ。

逐時送風(fēng)量計(jì)算式：

式中：Gτ為逐時送風(fēng)量，m3/h；c為空氣的比熱容，kJ/ (kg·℃)；ρ為空氣的密度，kg/m3；η為換熱效率，1。

通過對信息機(jī)房冷負(fù)荷分析，計(jì)算得到不同室外溫度條件下對應(yīng)的信息機(jī)房所需的新風(fēng)送風(fēng)量，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)房逐時負(fù)荷及送風(fēng)量計(jì)算參數(shù)

考慮到安全性因素，將熱交換效率η取值為0.8，可得適用自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)的時間為5266h，對應(yīng)的逐時送風(fēng)量的范圍為 1675～∞m3/h。將處于 1000～150000m3/h范圍內(nèi)的逐時送風(fēng)量按照1000m3/h分級，各級送風(fēng)量的小時數(shù)占總使用小時數(shù)的百分比及各級風(fēng)量累積頻率分別如圖2所示。

圖2 各范圍送風(fēng)量小時數(shù)占智能通風(fēng)使用小時數(shù)的百分比

3.2 風(fēng)機(jī)選型及臨界溫度的選定

各級風(fēng)量累積頻率如圖3所示。可見，風(fēng)量在12000m3/h內(nèi)，適用自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)的小時數(shù)增加較快；而風(fēng)量高于12000m3/h之后，適用自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)的小時數(shù)隨風(fēng)量增加較慢。綜合考慮改造初期投資、場地限制與噪聲影響，將風(fēng)機(jī)風(fēng)量選為10000m3/h。根tl=ts-Q/cρG，計(jì)算出臨界溫度值tl為20.9℃。即當(dāng)風(fēng)機(jī)選取10000m3/h、熱交換效率為0.8的情況下，室外溫度低于20.9℃時，自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)可以完全代替空調(diào)系統(tǒng)滿足機(jī)房冷負(fù)荷；室外溫度高于20.9℃時，空調(diào)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行。

圖3 各風(fēng)量范圍小時數(shù)占全年小時數(shù)累積百分比

4 自然風(fēng)冷卻的節(jié)能效果

4.1 過渡季節(jié)自然風(fēng)冷卻的供冷量

深圳市室外空氣干球溫度低于20.9℃的時間約為3049h，且這3049h的平均溫度為16.2℃。按照送風(fēng)量為10000m3/h，熱交換效率為80%，室外平均干球溫度為16.2℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃計(jì)算，過渡季節(jié)采用自然通風(fēng)的總供冷量約為Q=cρGηn(tN-tW,τ)=1.29×1000× 10000×80%×3049×(26-20.9)=85657kJ。

4.2 機(jī)房年空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電量

按照2013年該辦公樓的機(jī)房空調(diào)用電數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實(shí)測的溫濕度數(shù)據(jù)，計(jì)算得出原空調(diào)系統(tǒng)的COP值為2.84，其中，COP=空調(diào)系統(tǒng)總制冷量/空調(diào)系統(tǒng)總用電量。則當(dāng)制冷量為85657kJ時，折算出原空調(diào)系統(tǒng)制冷電量P空調(diào)系統(tǒng)=空調(diào)系統(tǒng)總制冷量/COP=85657kJ /2.84=30161kWh。而智能通風(fēng)系統(tǒng)用電設(shè)備的額定功率約為6kW，則3049h運(yùn)行用電量約為P自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)= nP額定=3049h×6kW=18294kWh。因此，使用自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)每年可節(jié)約電量 ΔP=P空調(diào)系統(tǒng)-P自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)= 30161kWh-18294kWh=11867kWh。則年節(jié)電率為。

4.3 靜態(tài)回收期

初步預(yù)計(jì)本機(jī)房設(shè)計(jì)的自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)的總價(jià)格為20720元，其中設(shè)備費(fèi)為10920元，施工費(fèi)為1500元，施工現(xiàn)場保護(hù)費(fèi)為200元。按照深圳市商業(yè)用電價(jià)格1元/度計(jì)算，靜態(tài)回收期。

5 結(jié)論分析

根據(jù)信息機(jī)房的用能特點(diǎn)及機(jī)房環(huán)境溫濕度要求，對深圳市某辦公建筑信息機(jī)房采用自然風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，得出結(jié)論如下：

1）該信息機(jī)房由于IT設(shè)備散熱量大，而為保障IT設(shè)備的正常運(yùn)行及流暢使用，空調(diào)系統(tǒng)需全年不間斷運(yùn)行，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的耗電量大。而根據(jù)深圳市氣象參數(shù)，典型年低于20.9℃的時間為3049h，可充分利用室外空氣作為冷源對機(jī)房設(shè)備進(jìn)行降溫?？尚行苑治鲆豺?yàn)證了自然風(fēng)冷卻技術(shù)對機(jī)房節(jié)能的技術(shù)性，并可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2）采用自然風(fēng)冷卻技術(shù)代替空調(diào)系統(tǒng)在對機(jī)房設(shè)備進(jìn)行降溫，機(jī)房節(jié)電量為11867kWh，年節(jié)電率為11.5%，年機(jī)房可節(jié)電投資回收期在1.8年以下。節(jié)能效果十分顯著。

3）對于深圳地區(qū)的C類信息機(jī)房，過渡季節(jié)采用自然通風(fēng)技術(shù)提供冷量的技術(shù)措施，不僅能夠有效地保障信息機(jī)房的環(huán)境要求，而且能夠大幅度降低信息機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗，自然風(fēng)冷卻技術(shù)對于深圳地區(qū)信息機(jī)房的設(shè)計(jì)與運(yùn)營具有重大的推廣價(jià)值。

[1]康力改,王景剛.廊坊IDC機(jī)房空調(diào)節(jié)能改造可行性分析[J].建筑科學(xué),2010,26(10):78-82

[2]電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50174-2008).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008

Applie d Na tura l Cooling in Inform a tion Room of a n Offic e Building in She nzhe n

QIAN Cun-cun1,2,KANG Shi-min1,LIU Xiong-wei2
1 School of Urban Construction&Environmental Engineering,Chongqing University
2 Shenzhen Institute of Building Research

The present situation of energy consume in information room was tested and the value of PUE(Power Usage Effectiveness)was 1.7,in which the proportion of air conditioner was 40%.According to the outside weather conditions and temperature and humidity demands of information room,the feasibility of cooling the information room using natural cooling in transitional seasons was analyzed.The use of natural cooling not only can content temperature and humidity demands,but also decreasing the anural power usage of air conditioner to 12000 kWh when the outside temperature was lower than 20℃.What’s more,the capital pay-off time was shorter than 1.8 years.With great social benefits and economic benefits,natural cooling should be widely extended in Shenzhen.

information room,PUE,natural cooling,capital pay-off time,energy saving reconstruction

1003-0344（2015）02-093-4

2014-2-27

錢存存（1992～），女，碩士研究生；重慶市沙坪壩區(qū)沙正街174號重慶大學(xué)B區(qū)城環(huán)學(xué)院（400044）；E-mail:cuncun0803@126.com

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012A010800021）