浅谈计算机机房的空调设计

浅谈计算机机房的空调设计

1.机房环境要求

根据《电子计算机机房设计规范》（GB50174-93），中大型电子计算机机房指主机房建筑面积大于或等于140平方米的电子计算机机房，本文亦以此一般条件为基础，进行下文的阐述。

电子计算机机房组成应按计算机运行特点及设备具体要求确定，一般宜由主机房、基本工作间、第一类辅助房间、第二类辅助房间、第三类辅助房间等组成。机房应按实际的组成情况，分别确定室内环境在温度、湿度、洁净度、通风、隔振、防噪声、防静电、防电磁干扰方面的要求，在我国《电子计算机机房设计规范》（GB50174-93）中，已按等级规定了机房的温湿度、含尘量、噪音等方面的参数，比较典型的计算机开机时机房内温湿度要求如下表：

基于电子计算机设备的特点，为了达到以上的环境要求，相关的空调系统设计一般具有以下的特点：

⑴设备的装设功率大，运行中的机柜散热不但量大而且集中，且无散湿量，机房内的湿量主要来自工作人员及新风引入或渗入的室外空气，热量大湿量小，热湿比近似无穷大，空气的处理近似一个等湿降温过程。这种工况下的焓差小，要消除余热必然是风量大，机房的换气次数每小时达20-60次。

⑵要求全年不间断运行。在室外温度较低时，机房总热负荷中的围护结构的热负荷和新风的热负荷为负值，使总热负荷比室外温度高时有所降低。但当设备散热量所占比重大

时，总热负荷全年变化不大，造成机房空调系统需全年制冷运行。

⑶需要送风冷却的计算机设备，进风口一般设在设备的下侧或底部，排风口设在设备的顶面，空气通过架空的活动地板上的风口进入计算机机柜，使自下而上的冷空气迅速有效的冷却计算机设备。下送风系统也便于根据机柜的发热量，调节机房各处活动地板送风口的风量。

⑷空调系统必须考虑能全年运行的高可靠性。一般在分析机房负荷特点后，对空调设备负荷进行二台以上的最佳组合，既减少一次投资费用，又能经济运行达到互为备用的目的。

⑸要求设置一定的监控、防护设备，如漏水传感器及报警装置、空调机的远程监控装置等。

2.机房空调装置的选择

2.1机房空调的类型

我们应根据机房的特点，结合机房的空调面积，考虑方便管理、节省能源，减少一次性投资等因素来确定空调装置。

工程中经常选用柜式空调装置，而柜式空调有水冷式、冷水式、风冷式三种基本类型，其中，风冷式空调装置不需外界提供冷热源，不设水管系统有利于确保机房的安全，虽然风冷式比水冷式空调机的效率低些，但与土建施工配合的安装简便，且机房内只装室内机有利于降低机房的噪声，所以，风冷式空调装置在新建的机房工程设计中常为首选方案。

此外，空调机按技术特性又可分为冷风降温机、恒温恒湿空调机及机房专用空调机三种类型，其中，机房专用空调机是根据机房以上几个主要特点而专门设计生产的空调装置，特别适用于机房显热比重大的特点，因此，在目前的中大型机房空调设计中，一般选择小焓差的风冷式机房专用空调机组。

2.2小焓差的机房专用空调机特点

湿空气的焓：由显热和潜热两部分组成。

空气的焓（kJ/kg）h=1.01t+0.001d(2500+1.84t)

1.01t为显热，0.001d(2500+1.84t)为潜热

t——空气的温度（ºC）

d——空气的含湿度（g/kg）

空调机送回风之间的焓差（kJ/kg）△h=1.01△t+0.001△d(2500+1.84△t)

△t——空调机送回风之间的平均温差（ºC）

△d——空调机送回风之间的平均含湿量之差（g/ kg）

若△h不变，△d减小则△t增加，△d增加则△t减小。

计算机房由于潜热量很小，若采用与普通舒适性空调系统相同的焓差，由于△d小使△t

增大；并且机房夏季基准温度比舒适性空调低，使得送风温度较低；当送风温度低于机房露点温度时，在机柜表面甚至机柜内部就会产生结露现象。

例如：当机房温度23ºC、相对湿度60%时，假设大气压力为1013.25hPa（760mmHg），此时的露点温度为15ºC。

因此，为防止计算机房结露，应采用小焓差的机房专用空调机组，统计资料显示：机房专用空调机△h=8.5～12.5(kJ/kg)，舒适性空调机△h=17.0～22.0(kJ/kg)，其焓差约为舒适性空调机焓差的二分之一，小焓差可减小空调送回风之间的温差，保证送风温度高于机房露点温度。

3.机房空调的热湿负荷

目前，许多设计人员常常根据估计的机房每平方米所需的冷量，乘以机房面积即得出机房所需的总冷量来进行空调选型，这种做法是不准确的，从目前发展趋势看来，按该种方法设计的空调系统，有时距离实际需求相差甚远。因此，在设计时应了解机房安装的设备情况，分析机房的热湿负荷情况，对散热量和散湿量进行计算，才能针对机房的总负荷进行空调系统的选型。

首先，我们先分析一下机房空调的热湿负荷。机房室内的热湿负荷，通常来源于以下几个方面：

⑴机房内计算机和其它设备的散热量。

⑵建筑围护结构的传热。

⑶太阳辐射热。

⑷人体的散热量和散湿量。

⑸照明装置的散热量。

⑹补入室内新风的热量和湿量。

以上几个方面的热量和湿量的总和，即为机房内得热、得湿的空调冷负荷。对于机房中的配电盘及电线、电缆的微量散热一般进行忽略。

3.1机房围护结构的传热负荷

围护结构的传热负荷计算比较烦杂，在空调设计手册中都有详细的计算方法介绍。总体来说，围护结构的建筑传热负荷，它随季节室外气温的变化而有所增减，一年四季中它是个变数。据不完全统计，我国的中大型计算机机房，每平方米传热负荷夏季平均为正82W，冬季平均为负58W。

3.2设备散热量

设备在运转过程中，从电源部分至各种半导体器件以及带动机械运转的消耗电能，都在不断的消耗热量，大多数的设备生产厂商都可以提供出计算机设备的安装功率及散热量数据，但是，有时在设计时无法获得确切的散热量数值，这时，我们也可以采用以下公式进行估算：

已知设备的安装功率情况下，可以由下式估算设备的散热量：

散热量（kW）＝所有设备的安装功率之和（kW）×K

K——总系数，视设备集成密度取0.4～0.8。

3.3荧光灯的散热量

散热量（kW）＝照明总功率之和（kW）×n1×n2×n3

n1——安装系数，明装时取1，暗装时按不同情况取0.35～0.8；

n2——考虑整流器消耗功率的系数，整流器在机房内，n2取1.2，整流器在吊顶内，n2取1.0；

n3——蓄热系数，取0.8～0.95。

3.4人体的散热量

散热量（W）＝最大工作人数×每个男成人散热量（查下表）

散湿量（g/h）＝最大工作人数×每个男成人散湿量（查下表）

注：计算机平均散热量，女成人为男成人散热量的85％。

3.5UPS装置的散热量

已知装置功率按下式计算：

散热量（kW）＝实耗功率（kW，不能使用安装功率）×（1－η）

η——效率，一般取0.85～0.95。

3.6柴油发电机的散热量

散热量（W）＝燃料的平均消耗量（kg/kW•h）×有效功率（kW）×Qr×K

Qr——燃料热值，取12000W/kg；

K——散热系数，查下表。

3.7根据热湿负荷进行空调选择

由于机房内的设备经常是昼夜不停地运行，决定了对空调装置运转要求的高可靠。为此，在工程设计中普遍采用两套或两套以上的空调装置，便于互为备用。如果采用百分百的设备备用当然安全可靠，但一次投资明显增大，那么，如何能做到互为备用，又能节省投资，达到经济合理的运行呢？这就是要合理设计空调装置负荷量的最佳匹配。

根据以上介绍的方法，可以计算得出夏季、冬季的负荷量，如果再考虑空调装置的安全系数及计算机设备扩充的备用量为15%～20%的负荷量，最好的情况是：

⑴如果选用两台空调装置，那么一台占总负荷量的80%左右，另一台占总负荷量的35%左右。这种匹配在夏季最大负荷时开动两台运行，过渡季节及冬季可分别开动一台。此时，宜选用自身配有两套制冷送风系统的空调，当一套出现故障，另一套还能照常运行，以确保机房内的温湿度变化率不会过快过大。

⑵如果选用三台空调装置，同样在考虑安全系统及扩充的备用量后，每台空调装置的负荷量占总负荷量的40%。在夏季最大负荷时开动三台空调装置，过渡季节可开动两台，冬季甚至可以只开动一台。

可见，在空调装置的容量匹配组合中，柜式空调装置分外显示出组合灵活的优越性。

3.8新风机组的选择

对于采用专用空调机的区域，空间密闭性非常好，而机房属于人长时间停留的地方，机房人员每人每小时呼出的二氧化碳约为30L（45g），机房内二氧化碳的允许浓度为1L/m3（1.5g）因此，机房内必须单设新风机组，对机房空间补充新鲜的空气，同时，新风机必须对新风进行预处理、净化和过滤，引入新风还有利于维持机房正压，保证机房洁净度。

计算机机房空调系统的新风量，可由以下三项中取其中最大的一项：

⑴按机房人员取40m3/h•p；

⑵按机房维持室内正压所需的风量，查下表：

⑶取机房空调总风量的5%。

4.气流组织比较

机房专用空调的送回风通常有两种布置方式，一种是上送下回气流组织，另一种是下送上回气流组织，较少用到侧送下回。气流组织的选用和机房空调送风量有关，也关系到

机房内的机柜冷却效果。

上送下回的气流组织，送风经顶棚上的空调风口往下送冷空气，通过设备自带的风机进入设备，工作区空气流速小且均匀，人有良好的舒适感，但大多数机柜的进风口设在机柜的底下侧，排风口设在机柜的顶上，顶棚风口送下的冷空气与机柜顶上排出的热空气逆向混合，导致进入机柜的空气温度偏高，机柜内往往得不到良好的冷却效果。

下送上回的气流组织，地板下空间常被空调用作送风的通道。空气经过地板上的风口进入机房机柜，把机房空调与机柜的设备冷却合二为一，送出的低温空气只在瞬间与机房内的热空气混合即进入机柜，有效地提高了机柜的冷却效果，同时也减少了送入的洁净空气与机房内含有悬浮尘埃空气相混合的污染，提高了机柜内的空气洁净度，机柜内的热空气通过机房顶棚上的风口送到空调装置重新循环。

因此，中大型的计算机机房内采用机房专用空调，一般均采用下送上回的气流组织形式，除了机柜冷却效果好之外，活动地板下和顶棚内可兼做送风静压箱和回风静压箱，机房内设备更新或增减时，还可以方便地根据需要调动地板送风口的位置及数量。

5.送风面积和风量计算

5.1送风面积

机房空调采用下送上回的气流组织时，常用活动地板上已配套装设的风口，作为地板下的送风气流进入机房和机柜的送风口。误区是，实际上进入机房和机柜的空气，并不完全单一的通过地板送风口，有相当大的一部分风通过拼搭的活动地板缝隙和为接管线而开口并未堵严的活动地板孔开口进入。

机房的活动地板，是用规格一致的许多块地板相互紧靠拼搭并用支撑架空而构成，常用的机房全钢抗静电地板通常采用将钢边搭在活动地板支撑架上的方式铺设，在地板的多次翻起过程中，经常会出现地板边变得不太平整，另外，如果地板铺设过程中找平和支架调整的施工不到位，都会出现比较大的漏风现象。如果拼搭缝隙宽度平均按1.5mm计算，则每平方米机房，平均约有4～6m3/h的空气从地板下渗向机房空间，比例并不小。当然，如果选用平整度更好的复合地板、硫酸钙地板、铝合金地板等，并采用垫有软垫的支架，地板缝隙的这部分出风量也可以大大减少。

机房内也有一定数量的开孔活动地板，用它作为计算机设备与活动地板下管线连接的通道，但一般管线穿后在开孔处的会留下或大或小的缝隙，空气从开孔地板的敞口处，不断的进入机房。

因此，活动地板的缝隙和地板接线开孔穿线后余下的面积，都可以看作机房空调送风风口面积的一部分。在实地的测量数据中，从这两部分送入的空气占到了实际总开孔面积的50%以上。

5.2机柜冷却送风量

对于中大型的计算机机房，一般应分别计算机房空调送风量及机柜所需的冷却风量。

机房空调总送风量在机房空调参数确定以后，可以查得机房空调总送风量。

机柜的冷却风量，一般应由设备生产厂商提供，当缺乏数据时，也可以根据机柜的散热量及送风温差求得，总的原则是：对于机柜冷却的送风口面积，必须按大于或等于机柜冷却所需的风量来计算，以防止进入机柜的冷却风量不足。

机柜所需的送风量（kg/s）＝机柜散热量（W）/[C×（机柜排风温度－地板出风温度）]

式中：C——干空气定压比热，1.01kJ/kg•℃；

机柜出口排风温度——锗管元件取不大于26℃，集成电路宜取28～30℃；

地板出风口温度——金属地板宜取17～20℃，木质地板宜取16～19℃；

机柜出口排风温度与地板出风口温度的差值，不允许大于15℃。

6.空调系统设计的基本要求和要点总结

6.1保证运行的可靠性

机房内的计算机设备不间断地长时间稳定工作的特点，决定了对空调系统运行的高可靠性的要求。为此，往往对机房空调系统设置两套设备，以便于互为备用。有的对空调设备负荷采取百分之百的备用，这虽然安全可靠，但投资较大。为维持机房的基本工作环境条件，可按夏冬季机房空调负荷的特点，对空调设备的负荷进行最佳组合，既能包括有备用的能量，又能减少一次投资，实现经常运行的节能。

6.2留有备用的空调负荷量

空调机具有足够的能有效地消除计算机设备散热、机房得热等所需的冷量外，还宜留有15～20%的备用冷量，关于这一数据，在《电子计算机机房设计规范》（GB50174-93）亦有相同的数据支持。但是，为适应具体的机房项目中设备的扩充或换型，备用冷量的余量最好能与机房设备的更新或扩容计划相适应。

此外，机房预留空调负荷的容量，不应单指空调装置和备用装置，还应包括预留的空间位置（包括室内机位置和适当的可放置室外机的场所）、水路支持、空调机需备用供电电源的电力负荷等等，总之，“预留”要有一个总体协调发展的考虑。

6.3根据气流组织形式，防止送风断面堵塞

机房空调的气流组织必须能使计算机设备获得较好的冷却效果，又能使机房工作人员感到舒适卫生，并且有利于提高机房内良好的空气洁净度。

采用下送上回的气流组织形式时，机房地板下作为空调送风静压箱，同时敷设了大量的线缆，如果线缆的排列和走向非常随意的话，很有可能会堵塞架空地板下的送风有效面积，有时会造成严重的风阻。因此，首先应根据设备容量确定地板下的空间净高尺寸，一般不宜小于350mm，其次，还要与设备厂商、电气等专业充分协调，合理布置线缆排列及走向，防止局部送风断面堵塞，使冷空气有良好的路径直接进入机柜内部的发热区。

6.4控制送风口风速，防止短路

离送风出口附近的不远处设有的地板送风风口，很有可能会变为实际上的吸风口，造成气流短路。因此，对于气流短路问题，应在保证地板盖板平整不变形的情况下，合理布置设置风口位置来解决这一问题。一般要求地板风口至静压箱口的距离最小为2m。

6.5确保一定量的新风

机房空调无论采用什么形式的空调系统，都必须确保机房内补充一定量的新风。这是在机房工作的人员的健康需要，也是维持机房内洁净度和保持机房正压的需要。

6.6采取对空气的过滤、净化

机房的空气管路中，一般应设有初效及中效两级空气过滤器。对于机房场地周围大气中存在有一定浓度的腐蚀性气体时，则应考虑在新风进入的管路或设备内装设经过特殊处理的活性炭或新型化学复合吸附净化器等装置。

6.7做好防火、防水、防冻等安全措施

空调系统采用的设备材料必须是防水性能好的难燃或不燃材料。空调的水路系统要考虑有漏水后水的排出出路，或者当排水不畅时有可能导致溢流而要设置的安全措施。室内及室外的露明管道，应做好防寒保温措施。

6.8系统的防火措施

⑴当机房内设有消防自动灭火系统时，应专门设置独立的机械排风事故通风系统。

⑵在进出机房的空调送回风管上，必须装设防火阀，并将防火阀与空调送回风通风机联锁，当防火阀关闭时，应立即停止通风机的运转。

6.9通过装饰手段节约能耗

主机房四周不宜设外窗，这样能大大减少太阳对机房的传导及辐射热量和室外空气的渗透量，这样不但减少了机房空调负荷量，而且在短时间内基本上也不受室外气象的变化而需增减机房空调的负荷量，对机房的密闭防尘，也有很显著的效果。

此外，为了防止温度和湿度未控制好时产生的结露现象，地板下和顶棚内须采取防火、

保温等措施，具体是在楼板面上粘贴保温材料，所选用的保温材料应具有优良的保湿隔湿性能，且在燃烧时不产生对人体有毒害作用的气体。同时，送风温度应根据焓－湿图以保证不结露为目的进行设定，通常取17℃以上。

7.机房专用空调机的弱点及应对

立柜式机房专用空调机组的余压普遍不高，且架空地板下通常分布有地板支架和各种类型的管、桥架，造成空气沿地板长度方向流动过程中的压力损失，如果送风沿途的距离较长，送风的始、终端压差较大，将不利于地板下保持均匀的静压值，因此，要适当的控制地板下送风的距离。如果空调机房设在计算机机房长度方向的一端且距离较长时，可在机房的活动地板下敷设一条适当长度的风管，在风管两侧的适当间距及端头开设送风风口，以利于把空气较均匀地分布在活动地板下的空间，在一定的全压值下，使动压与静压值两者接近。

尽管机房专用空调应用下送风空调有许多优点，但设计与使用不当也容易出现一些问题，因此，实际工程应用时，还应当根据具体情况对容易出现的问题在设计、施工及运行、管理各个阶段提早准备，防患与未然。