机房空调设计

电子计算机(包括程控机)是由许多电子及机电设备组成的。这些设备中，使用了大量的集成电路和电子元件，对使用环境条件有各自的特定要求，否则会影响使用 寿命和可靠性。同时，也应兼顾人体的舒适要求。所以机房空调的目的是保证一定要求的温度、湿度、洁

净度等环境条件。它包括机房环境空调和机器空调 两部分。机房环境空调和机器空调可以合二为一，也可以各自独立。在实际工程上，应根据具体条件而定。

1．计算机房的环境设计条件

    (1) 温、湿度的影响  计算机系统的主机在运行过程中需要大量散热，这是因为计算机内不少器件是大规模或超大规模集成电路，这些集成度相当高，的电路器件，在 运行时局部发热量很大，如果不能及时排除、将导致机柜或机房内温度迅速提高。过高的温度将使电子元器件性能劣化，降低使用寿命；磁盘机，磁带机等由于受热 膨胀的影响，往往会出现故障；会加速绝缘材料老化、变形、脱裂，从而降低绝缘性能；促使热塑性绝缘材料和润滑油脂软化而引起故障。

    过低的 温度将使电容、电感、电阻器的参数改变，直接影响到计算机的稳定工作。如果室内空气温度变化较激烈，会使元件系统产生内应力，会引起电气参数的变化，且会 加快这些元器件的机械损伤。

    机房内过高的空气湿度，将影响电路系统的电学性能，使外围设备如磁盘、磁带等出现读写错误，造成打印机卡低等 故障。湿度高会使金属材料易于氧化腐蚀，促进非金属材料的元件或绝缘材料的绝缘强度减弱和材料的老化变形。

    过低的空气湿度会使纸带、磁带 等记录介质卷曲变形，从而造成计算机读写错误，甚至丢失数据，还会使磁盘、磁带等缩短使用寿命。湿度过低容易产生静电，静电容易吸收灰尘，如被粘在磁盘、 磁带的读、写头上，轻则会出现数据误差，重则损坏磁头。

    (2)机房内尘埃的影响  机房内空气洁净度不良，将导致一些记录设备如磁盘机、 磁带机等的磁头、磁盘、磁带的损坏，影响计算机允许的精度，以及造成短路或元器件接触不良等问题。

    (3)噪声的影响  机房内环境噪声过 大，将使机房工作人员注意力不能集中、头晕发胀、产生厌烦心理和容易疲倦，影响身心健康和降低工作效率。

    (4)主机房环境设计条件

      1) 机房温湿度。机房空调温度以保证计算机中各类元器件工作环境和冷却介质热容量要求而确定。

      机房空调湿度，除了考虑操作人员的舒适感 好，主要应符合各类设备性能和可靠性对湿度的要求。

      我国在1993年编制的电子计算机房设计规范(GB 50174—1993)中，按等级规定了电子计算机房空调设计参数，见以下表

      2)电子计算机房空气洁净度。在电子计 算机房设计规范GB 50174—1993中规定，主机房内在静态条件下，空气含尘量为每升空气中大于或等于0．5／um的尘埃粒子少于18000粒。

    (5) 计算机辅助房间环境设计条件(表6、表7)

    (6)程控交换机房环境设计条件(表8)

2．计算机房空调特点

    计 算机房空调不同于舒适性空调和常规恒温恒湿空调，主要有以下特点：

    1)热负荷强度高，设备散热量大，散湿量小。电子计算机在运行过程中， 机柜的散热量大且集中。热负荷强度在中小型计算机房一般250～400W／m2左右；大型计算机房的热负荷强度会超过400W／m2；程控交换机房的热负 荷强度约在165～222W／m2左右。

机房的散湿量较小，主要来自工作人员和渗入的室外空气。总散湿量约在8～16g／m2。

    2) 显热比高。机房得热量中，主要来自设备运行所产生的热量，显热约占总热量的95％左右，故显热比(SHR)通常高达0．85～0．95，甚至更高(舒适性 空调系统的显热比约在0．6～0．7之间)，空气处理过程接近于等湿冷却的干式降温过程。

    3)空调送风的焓差小、风量大。由于显热量大， 热湿比近似无穷大，送风相对湿度较小，故送风焓差小，风量大。

    机房空调的换气次数，电子计算机房约20～40次儿；程控交换机房约30 —60次／h。

    4)湿度要求稳定。计算机房不仅要求温度的波动幅度不得超过规定的范围，而且对温度变化的梯度有明确的要求，一般小于 500C／h，这是以计算机内电子器 件的物理特性决定的，否则将直接影响到计算机的正常运行。

    5)气流组织特殊。大中型电子计算机和程 控交换机散热量大而集中，故不仅要对机房进行空调，还需对机柜进行送风冷却。要求冷风从机柜的底部进人，吸热后的空气从顶部排出。通常冷空气通过架空的活 动地板上的风口进人计算机机柜或程控机机架，使自下而上的冷空气迅速有效地冷却设备。

    6)空气洁净度高。计算机房应保持一种洁净的空调环 境，以有利于计算机系统的安全运行和延长设备 的使用寿命。

    7)全年供冷运行。由于计算机房的热负荷强度高，当围护结构传递的冷量明显低 于机房内的发热量时，机房在冬季仍然需要空调系统进行供冷运行，这一现象在大型计算机系统比较多见。

    8)可靠性高。许多计算机系统，尤其 是大型计算机系统和程控交换机，每天连续运行24h，每年连续运行365d，因此要求计算机系统具有很高的可靠性，而且也要求其他辅助设备如空调系统等的 可靠性具有相应的水平。

3．计算机房的空调负荷

    计算机房的空调负荷来源：①围护结构传热负荷和太阳辐射热负荷；②计算机房内主机 和外部设备或程控交换机设备的散热量；⑧照明，人体和新风负荷。其中机房内设备散热量是主要的。

    设备散热量通常由生产厂家提供安装功率进 行计算或直接提供有关设备的各种散热量；当有些设备资料不全时，也可以根据该设备实际工作时的指示电流、

  电压进行计算。

    (1) 由设备安装功率计算散热量

    1)电子计算机房

    Q＝1000Pn1n2n3n4＝1000PK    (1)

式 中  P——设备安装功率(kW)；

    n1——安装系数，是设备最大实耗功率与安装功率之比，n1：0.7～0.9；

    n2 ——同时使用系数，是室内同时使用的设备

    安装功率与总安装功率之比，n2＝0.4～0.8。

    n3——负荷系数，平均实耗 功率与设计最大实

    耗功率之比，n3＝0．15—0．5；

    n4——蓄热系数；

    K——系 数，K＝n1n2n3n4。

    通常系数K可取值如下：①电子计算机主机：国内设备K＝0．4～0．5，国外设备K＝0．6～0。8；②电子 计算机外部设备：国内设备0．2—0．3，国外设备0．5；

    2)程控交换机房散热量Q(kW)

    Q＝1000Pn4   (2)

式中  P——程控交换机消耗功率(kW)；

  n4——蓄热系数，程控交换机房，n4＝1.0，机电式市话交换机n4＝0．9， 长机室、载波室取0．95。

    (2)根据指示电流电压计算散热量Q(kW)

       (3)

式中  I——电网指示电 流(A)；

     V——电网指示电压(V)；

     ——功率因素，电子计算机的 ＝0．82—0．85，程控交换机可取 =l

     K——系数，电子计算机见上述；程控交换机可取K＝1。

    (3)计算机房空调耗冷量的概算指标  在规划计算机房空调方案时，一般可以利 用概算指标对机房空调耗冷量进行估算。机房空调耗冷量指标可在下列范围内取用：①机房在单层建筑物内时，空调耗冷量为290～350W／m2；②机房在多 层建筑物内时，空调耗冷量为175～290W／m2。

    具体数值可根据机房的建筑布置(单层或多层)，以及机房内计算机设备数量的多少采用 上限或下限。

4．计算机房专用空调机

    (1)计算机房专用空调机特点  计算机房专用空调机是专门为电子计算机房空调和程控自动交 换机房空调设计的。这种空调机的特点是：

    1)空调空气处理的焓差小，风量大。与相同制冷量的空调机相比，计算机专用空调机的循环风量约大 一倍，相应的处理焓差只有一半，国产水冷式机房专用

空调机的处理焓差为8．5～9．7kJ／kg；冷风比为2．8～3．2W／(m3／h)。下表 列出一些机房专用水冷式空调机组主要性能指标。

    国产风冷式机房专用空调机处理空气的焓差为8～9kJ／kg。冷风比在 2．5～3．0W／(m3／h)之间。下表列出一些风冷式机房专用空调机组主要性能指标。

    2)机房的得热量中，显热量比例大，可达95％ 左右，空调机组空气处理过程较接近于干式冷却过程。

    3)大型的机房空调机，一般为空调机下送风、顶部回风方式。小型号的空调机也有下回 风、顶上或顶侧

送风；

    4)过滤器过滤效率高。

    计算机房专用空调机标准配置的空气过滤器，为中效过滤器。在空调机 结构上预留亚高效或高效过滤器的安装位置或预留了安装附件。一般情况下，A级洁净要求，使用高效或亚高效过滤器；B级洁净要求使用亚高效或高中效过滤 器；C级洁净要求也应使用中效

  过滤器；

    5)可靠性较高。机房空调系统要求工作可靠，专用空调机在机械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，控制器自动对机组的运行状态进行诊断，及时对已经出现或将要 出现的故障发出警报，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。

    6)控制严密。国外制造厂家对专用机组的控制系统，都采用了 装备微型电子计算机的控制器。控制器的功能相当完善，不仅能够对室内、外的环境进行监视，自动调节室内的温湿度，而且具有自诊断功能，对机房中漏水、出现 烟雾及发生火灾等情况进行监视和报警，同时，控制器还具有通讯功能以便进行联机和实现多 机协调运行，以及远程监控等。

    7)全年供冷。在 冬季进行供冷运行，需要解决好稳定冷凝压力及其它一些相应的问题。多数的专用空调机，可以在室外气温降至一15 0C时仍然能够完全运行。

    (2) 机房专用空调机的基本类型

    1)双回路柜式机组。这是典型的大型机房专用空调机，各生产厂家对这种专用机组的结构布局大致相同。标准机组制 冷系统采用双回路设置。两个回路可以独立运行，互不干扰，即使其中一个回路发生故障不能正常运行，另一个回路可以照常运行，可以承担机组额定制冷量的一半 负荷。由于空调系统在设计时已经考虑了一定的余量，所以，不会对设备正常运行产生影响，从而提高了空调系统的可靠性。机组的蒸发器盘管采用人字形结构，可 减小蒸发器所占的空间高度，以及适应机房专用空调机大风量、小焓差的高显热比的负荷特点。直接蒸发盘管的两个制冷回路的制冷剂管路在蒸发器中交叉布置，这 样既可使回路之间互不干扰，又使在机组处于部分负荷运行状态时，每个回路都可以尽量利用蒸发器的换热面积，从而有利于提高机组运行的热效率和部分负荷时的 制冷量。

    机组的冷凝方式有空气、水、乙二醇溶液作为冷却介质。标准机组还有风机盘管型，利用对接的冷冻水系统运行，本身设有制冷系统，冷 量由其他冷水机组提供。

    国外有些产品(例如美国LIEBERT公司)在风冷式机组上加置一个余热回收系统，可利用机组冷凝过程中释放的热 量，提供热水给一些需要低温热源的场合使用，例如，在冬季运行时，机组可向需要采暖的房间供热。

    2)单回路柜式机组

    单回 路柜式机组适用于大、中型机房系统，其特点 是结构紧凑、占地面积小，可以靠墙角安装。机组额定制冷量在5.5～16kW。冷凝方式有整体空冷式、分体 室内空冷式、分体室外空冷式、整体水冷式、分体水或乙二醇溶液冷却式、整体自然冷却式，利用冷凝水供冷的风机盘管式等。

    3)模块式机组。 此机组采用单元组合方法构成整机。系列的整机可以由1～10个模块并联组成，可适用于大规模的空调系统。因为模块数量可以任意增加或减少，所以用户可以根 据机房内制冷量的增加或减小来改变空调系统的总容量。当用户机房设备需要扩容

或升级变化时，可以很方便地在现场对空调机组制冷能力进行重新调整。

    因 为模块的体积和重量均比整机小得多，所以运输和安装就位比较容易。

    4)顶置式机组。它安装在天花板上，不占用地面空间，尤其适用于空间较 小的办公室使用。机组有整体式和分体式结构，冷凝方式在空冷、水冷或乙二醇溶液冷却和直接使用冷冻水的风机盘管式。其中空冷式有三种冷却方式：无风道整体 空冷式是利用天花板和楼 板之间的空间作为冷凝用空气的通道；外接风道整体冷凝式是利用专用风道输送冷凝用空气；分体式是把压缩机和冷凝器组成的室外机组安装在室外。

    (3) 控制系统。它的性能标注着空调系统的技术经济性能。不少机房专用空调机生产厂家专门开发一系列的控制器作为空调系统的组成部分，普遍采用微机控制器，也有 把模糊控制技术应用于机房专用空调系统中。

    机组控制器可以独立控制机组运行，也可以和网络控制器联接，机组的运行可以利用网络控制器进行 集中控制。

    1)机组控制器可以显示机房内温度、湿度、气流速度和洁净度，还可以显示各主要部件的运行时间和报警记录，并自动地按照预先设 置的程序控制机组的起动和停机。

    控制器还有自诊断功能，可以自动或手动地对机组以及控制器本身各部分的状态进行诊断，对出现异常现象的部 件或出现故障的类型和发生的部位作出判断。

    2)一些大型计算机系统用户的机房规模比较大，或者机房布置较分散，可以利用网络管理系统把多 台 设备的控制器与网络控制器联接、实现集中管理分散运行，从而减少操作人员的工作量，有利于及时发现和处理故障，提高空调系统运行安全性和可靠性。

    网 络控制器也可与建筑设备管理系统(BMS)联接。

    3)PC网络控制系统。此系统采用配备机组控制器接口的微型计算机(PC机)，取代网络 控制器。系统中的PC控制机的功能，与网络控制器基本相同，PC机采用25行80字符的大屏幕显示器，除了显示数据外，还可以显示曲线图形。PC机可以数 据储存和打印。

    PC网络控制系统一般用于规模较大的空调系统。

    4)机房空调机。要求机房空调机满足工艺要求，对空气进行 加热、冷却、加湿、过滤，消声等处理。空调机有立式(柜式)、卧式和机房专用空调机。冷却方式可以有风冷和水冷等方式。部分机房专用空调机型号和生产厂家 见表11。

5．机房空调的气流组织

    机房空调常采用上送下回或下送上回的送回风方式。

    (1)上送下 回  如图5所示，送风口设在房间顶棚上或房间侧墙上，向室内垂直向下送风或横向迭风方式，称为上送下回气流组织型式。此种方式在舒适性空调中应用极为普 遍，但在计算机房特别是大中型计算机房用得不多。这是因为计算机或程控交换机柜，由于要带走机柜内热量，通常采用机柜下进风，机柜上出风的方式。如果风口 布置不当，顶棚风口下送的冷空气与机柜顶上排出的热空气，在房间上部混合，从而导致进入机柜的空气温度较高，影响了机柜内部的冷却效果。要改变这种情况， 势必要降低送风温度(<16 0C )，以保持室内较低的空调温度，这将增加空调能耗和影响室内舒适程度。

侧送气流送风，如果机柜布置不 当，将会产生气流阻挡，使工作区不能处在回流区，从而也会影响机柜冷却效果和室内温湿度的均匀。

    上送下回的气流组织方式，一般仅适用在小 型计算机房或微型计算机机房。

    (2)下送上回  如图6所示，空调冷风送人计算机房架空地板，以此作为送风静压箱，然后经过设置在架空地 板上的风口，分别送人室内和机柜，被加热后的热空气，从机柜上部排出，再经顶棚回风口排出。这种气流组织的优点是：

    1)空调送风气流流程 与机柜冷风吸热后的气流流型一致，从而避免了冷热气流在室内混合，影响工作区的环境温度。

    2)机柜冷却效果好，可以用较少的风量达到机柜 冷却的目的。

    3)进入室内工作区和机柜内的气流洁净度好。

    4)活动地板送风口可以采用带有调节阀门的方形、矩形或圆形风 口，或者采用旋流风口，可增加气流速度的衰减程度，从而减少对工作人员的吹冷风感觉。此种送回风方式，常用在中大型的计算机房和程控交换机房。