自然风冷却技术在深圳市某信息机房应用研究

钱存存康侍民刘雄伟

1重庆大学城市建设与环境工程学院

2深圳市建筑科学研究院股份有限公司

自然风冷却技术在深圳市某信息机房应用研究

钱存存1，2康侍民1刘雄伟2

1重庆大学城市建设与环境工程学院

2深圳市建筑科学研究院股份有限公司

本文对该信息机房的能耗现状进行测试分析，PUE（Power Usage Effectiveness）值为1.7，其中空调系统能耗占比为40%。通过结合深圳市室外气象条件及信息机房安全温、湿度要求，分析了过渡季节采用自然风冷却技术对该信息机房进行降温的可行性，并从节能与经济的角度，进行了技术经济性分析。得出过渡季节在室外气温低于20℃时，自然风冷却技术不仅能够满足该信息机房降温要求，同时降低空调系统的年用电预计达到12000kWh，改造投资回收期在1.8年以下，社会效益和经济效益显著，在深圳地区具有良好的推广性。

信息机房 PUE自然风冷却 投资回收期 节能改造

0 引言

近年来，随着我国国民经济的快速发展和计算机网络技术的飞快进步，大批企事业单位自身对数据使用、处理及数据机密性需求大幅度提高，信息机房越来越多地出现在办公建筑中。而信息机房由于设备功率密度高，运行时间长，成为建筑最大的用能单元之一，占到建筑总用电的20%～30%左右。根据统计，信息机房的用电主要分为以下三个方面[1]：IT设备用电量占机房能耗的30%；空调系统用电占机房电耗的50%；照明及其他用电占计算机房电耗的10%。

由于信息设备的正常运行对企业运作过程中的作用十分重要，为保障信息机房室内环境安全，绝大部分信息机房信息设备与空调系统基本采取全年全天24h的运行模式，这也成为导致信息机房用电过高的关键因素。基于上述原因，本人以深圳某办公建筑为对象，分析过渡季节自然风冷技术在信息机房应用的可行性与节能效果，从而为信息机房的设计与运行提供参考。

1 原信息机房空调系统概况

1.1 原空调系统设计概况

该信息机房位于广东省深圳市某办公楼的五楼，建筑面积为60m2，层高4m，梁下高度3m，吊顶高度3m，地板高度0.5m。机房内有办公楼的主要服务器设备，设备总台数为50台，正常运行功率在15～23kW之间。

本机房空调系统采用地板送风空调系统，利用地板静压箱将处理后的空气经地板送风口送到空调区域，在吊顶处回风。空调机组采用2大2小搭配使用：大机组的单台机组额定制冷量为17kW，制冷额定功率为5.83kW，机组最大功率为16.1kW，额定能效比为2.92；小机组的单台制冷量为5kW，制冷额定功率为1.83kW，机组最大功率为2.15kW，额定能效比为2.73。两列机架中间设有7个地板送风口，空调机组上方的吊顶设有2个回风口。所有空调机均为风冷式。IT设备与空调系统均365天不间断运行。

1.2 原空调系统电耗现状

根据该信息机房2013年的用电量分项数据，空调系统年总用电量为103000kWh，分别占该机房年总用电量和该办公楼年总用电量的比例分别40%和9%，单位空调面积能耗为1800 kWh/m2。经计算得，该机房的PUE值（Power Usage Effectiveness）为1.7。（注：PUE值为评估信息机房能源效率的指标。其定义为PUE值=机房总设备用电量/IT设备总用电量，该值越接近1代表能效越高，超过2认为能效偏低）。可见，本机房空调系统的电耗十分之高。

2 自然风冷却的可行性分析

2.1 本机房的温湿度要求

机房的温湿度要求不仅对IT设备的运行状态、使用寿命及通信的流畅安全有至关重要的影响，也是影响空调系统电耗的重要因素。《电子计算机机房设计规范》（GB50174-92）[2]对机房划分为A（容错型）、B（冗余型）、C（基本型）三个级别（A级：运行中断将造成重大经济损失及公共场所秩序严重混乱；B级：运行中断将造成较大经济损失及公共场所秩序混乱；C级：不属于A级或B级的其他机房），并对各级别机房的温湿度作出规定，如表1所示。本机房属C类机房。

表1 各类机房的温湿度要求

2.2 深圳市全年室外温湿度条件

深圳市属亚热带季风性气候。根据深圳气象台数据，深圳常年平均气温22.5℃，极端气温最高38.7℃，最低0.2℃，日照2120.5h。最冷的一月平均温15.4℃（平均最高20℃，平均最低气温12℃）。深圳市典型年的室外空气干球温度低于20℃的时间约为2673h，与信息机房的安全上限温度28℃相比，温差达到8℃，完全能够作为信息机房的冷源。如在过渡季节通过合理引入自然通风对信息机房进行降温，必然可以大幅度降低空调系统开启时间，从而减少空调系统能耗。

图1 深圳市典型气象年室外气象参数（来源于深圳市气象局）

3 自然风冷却技术的理论分析

3.1 逐时送风量的计算

由于机房内无湿源，将机房内湿负荷视为0，即将热交换过程视为仅有显热交换，室外的导热量全部用来满足室内冷负荷。由于机房室内温度与临室相差在3℃内，不考虑与临室内的换热。因此室外逐时导热量只考虑北外窗的逐时导热量、日射逐时到热量。

外窗逐时导热量计算式：

式中：Q1,τ为外窗的逐时导热量，kJ；K为外窗的传热系数，W/(m2·℃)；F为外窗的面积，m2；tW,τ为室外空气逐时干球温度，℃；tN为室内空气设计温度，℃。

日射逐时导热量计算式：

式中：Q2,τ为日射逐时导热量，kJ；Xg为窗的有效面积系数，1；Xd为窗的地点修正系数，1；Cs为窗的遮挡系数，1；Cn为遮阳系数，1；F为外窗的面积，m2；Jj,τ为逐时水平面太阳辐射强度，W/m2。

送风逐时耗热量计算式：

式中：Qτ为送风逐时导热量，kJ；QIT,τ为机房设备逐时散热量，kJ。

逐时送风量计算式：

式中：Gτ为逐时送风量，m3/h；c为空气的比热容，kJ/ (kg·℃)；ρ为空气的密度，kg/m3；η为换热效率，1。

通过对信息机房冷负荷分析，计算得到不同室外温度条件下对应的信息机房所需的新风送风量，计算参数如表2所示。

表2 机房逐时负荷及送风量计算参数

考虑到安全性因素，将热交换效率η取值为0.8，可得适用自然风冷却系统的时间为5266h，对应的逐时送风量的范围为 1675～∞m3/h。将处于 1000～150000m3/h范围内的逐时送风量按照1000m3/h分级，各级送风量的小时数占总使用小时数的百分比及各级风量累积频率分别如图2所示。

图2 各范围送风量小时数占智能通风使用小时数的百分比

3.2 风机选型及临界温度的选定

各级风量累积频率如图3所示。可见，风量在12000m3/h内，适用自然风冷却系统的小时数增加较快；而风量高于12000m3/h之后，适用自然风冷却系统的小时数随风量增加较慢。综合考虑改造初期投资、场地限制与噪声影响，将风机风量选为10000m3/h。根tl=ts-Q/cρG，计算出临界温度值tl为20.9℃。即当风机选取10000m3/h、热交换效率为0.8的情况下，室外温度低于20.9℃时，自然风冷却系统可以完全代替空调系统满足机房冷负荷；室外温度高于20.9℃时，空调系统单独运行。

图3 各风量范围小时数占全年小时数累积百分比

4 自然风冷却的节能效果

4.1 过渡季节自然风冷却的供冷量

深圳市室外空气干球温度低于20.9℃的时间约为3049h，且这3049h的平均温度为16.2℃。按照送风量为10000m3/h，热交换效率为80%，室外平均干球温度为16.2℃，室内设计温度为26℃计算，过渡季节采用自然通风的总供冷量约为Q=cρGηn(tN-tW,τ)=1.29×1000× 10000×80%×3049×(26-20.9)=85657kJ。

4.2 机房年空调系统节电量

按照2013年该办公楼的机房空调用电数据及现场实测的温湿度数据，计算得出原空调系统的COP值为2.84，其中，COP=空调系统总制冷量/空调系统总用电量。则当制冷量为85657kJ时，折算出原空调系统制冷电量P空调系统=空调系统总制冷量/COP=85657kJ /2.84=30161kWh。而智能通风系统用电设备的额定功率约为6kW，则3049h运行用电量约为P自然风冷却系统= nP额定=3049h×6kW=18294kWh。因此，使用自然风冷却系统每年可节约电量 ΔP=P空调系统-P自然风冷却系统= 30161kWh-18294kWh=11867kWh。则年节电率为。

4.3 静态回收期

初步预计本机房设计的自然风冷却系统的总价格为20720元，其中设备费为10920元，施工费为1500元，施工现场保护费为200元。按照深圳市商业用电价格1元/度计算，静态回收期。

5 结论分析

根据信息机房的用能特点及机房环境温湿度要求，对深圳市某办公建筑信息机房采用自然风冷却系统进行节能改造，得出结论如下：

1）该信息机房由于IT设备散热量大，而为保障IT设备的正常运行及流畅使用，空调系统需全年不间断运行，导致空调系统的耗电量大。而根据深圳市气象参数，典型年低于20.9℃的时间为3049h，可充分利用室外空气作为冷源对机房设备进行降温。可行性分析也验证了自然风冷却技术对机房节能的技术性，并可带来可观的经济效益。

2）采用自然风冷却技术代替空调系统在对机房设备进行降温，机房节电量为11867kWh，年节电率为11.5%，年机房可节电投资回收期在1.8年以下。节能效果十分显著。

3）对于深圳地区的C类信息机房，过渡季节采用自然通风技术提供冷量的技术措施，不仅能够有效地保障信息机房的环境要求，而且能够大幅度降低信息机房空调系统能耗，自然风冷却技术对于深圳地区信息机房的设计与运营具有重大的推广价值。

[1]康力改,王景刚.廊坊IDC机房空调节能改造可行性分析[J].建筑科学,2010,26(10):78-82

[2]电子计算机机房设计规范(GB50174-2008).北京:中国建筑工业出版社,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

钱存存（1992～），女，硕士研究生；重庆市沙坪坝区沙正街174号重庆大学B区城环学院（400044）；E-mail:cuncun0803@126.com

广东省科技计划项目（2012A010800021）