总制冷量

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1、 計算資料中心的 總製冷量 版本 3 作者 Neil Rasmussen 第 25號白皮書 簡介 2 測量散熱量 2 典型系統示例 3 其它熱源 4 加濕 4 確定空調系統製冷容量 5 結論 6 資源 7 本文檔介紹如何估算資料中心內的 IT 設備和其他設備 （如 UPS 等）的發熱量，以確定空調系統的冷卻容量。此外，本文檔還包含一些常用的轉換係數和指導性設計 值。 目錄 摘要 白皮書現收錄於施耐德電機白皮書資料庫 由施耐德電機資料中心科研中心資料中心科研中心發表， DCSCSchneider-E 計算資料中心的總製冷量 施耐德電機 資料中心科研中心 第 25號白皮書 版本 3 2 所有電子設

2、備都會產生熱量，為了避免設備溫度升高至無法接受的程度，必須使這些熱 量擴散掉。資料中心或網路機房內的大多數 IT 設備和其他設備都是透過空氣冷卻的。 為了確定製冷系統的容量，必須瞭解封閉空間內設備的發熱量以及其他常見熱源所產生 的熱量。 熱量是一種能量，通常用焦耳、BTU、噸或卡來表示。設備發熱率的常用度量單位是 BTU/小時、噸/天、焦耳/秒（焦耳/秒等於瓦特）。並沒有令人信服的理由可以解釋為什 麼要用這些不同的度量單位表示同一個量，但是上述任何一個單位都可以用於表示電源 容量或冷卻容量。不同度量單位的混用給使用者和規則制定者造成了很多不必要的混淆。 令人欣慰的是，全球範圍內的標準化組織都傾

3、向於將所有電源容量和製冷容量的度量單 位統一為公用標準單位：瓦特 (W)。BTU 和噸這兩個古老的術語將逐漸退出歷史舞臺 1。 因此，本白皮書在討論製冷容量和電源容量時將以瓦特為單位。將瓦特作為統一標準單 位是明智的，因為在稍後的說明中可以看到，它可以簡化資料中心的設計工作。 在北美地區，電源容量和製冷容量的規格說明中往往仍使用傳統單位 BTU 和噸。因此， 為了方便讀者，下表提供了這幾個單位之間的轉換關係： 初始單位 轉換係數 結果單位 BTU/小時 0.293 瓦特 瓦特 3.41 BTU/小時 噸 3,530 瓦特 瓦特 0.000283 噸 計算設備或其他 IT 設備透過資料線傳輸的能

4、量可以忽略不計。因此，交流電源幹線所 消耗的能量基本上都會轉換為熱量。這樣一來，IT 設備的發熱量就可以簡單地等同於該 設備的電力消耗量（均以瓦特為單位）。雖然有時設備資料表中會包含以 BTU/小時為 單位的熱量值，但在確定設備的散熱量時它們並不是必需的。發熱量可以簡單地等同於 電力輸入量2。 確定整個系統的發熱量 一個系統的總發熱量等於它所有元件的發熱量之和。整個系統應包括 IT 設備及其他項， 例如 UPS、配電系統、空調裝置、照明設施和人員等。不過，可以根據簡單的標準規則 確定各項的發熱量。 UPS 和配電系統的發熱量由兩部分組成：一部分是固定的損耗值，另一部分與負載功率 成正比。對於不

5、同品牌和型號的設備，可以認為它們的這兩部分熱量損耗是一致的，因 此可以比較準確地估計它們的發熱量。照明設施和人員所產生的熱量也可以使用標準值1術語“噸 (Ton)”指冰的冷卻能力，它是 1870 年至 1930 年期間遺留下來的，當時冰箱和空調的冷卻能力是透過每天運送冰塊提供的。 2注：一個例外情況是 IP 語音 (VOIP) 路由器。在這類設備中，設備所消耗的電量最多有 30% 會傳輸到遠端終端機，因此它們的熱負荷將低於所消耗的電量。如果根據本文的假設，假定所有電量都轉換為本地的散熱 量，則將對 VOIP 路由器的散熱量做出過高的估計，不過在大多數情況下這只是一個極小的誤差。 簡介 測量散熱

6、量 表 1 散熱量單位轉換表格 計算資料中心的總製冷量 施耐德電機 資料中心科研中心 第 25號白皮書 版本 3 3 進行估算。要確定整個系統的熱負荷，只需要一些很容易獲取的數值資訊，例如地板面 積（平方英尺或平方米）和電力系統的額定功率等。 空調裝置的風扇和壓縮機會產生相當多的熱量。不過這些熱量大部分會釋放到房間外部，不會給資料中心內部帶來熱量負荷。但是它會降低空調系統的效率，因而在對空調系統的功率選型時通 常需要加以考慮。 可以使用資料中心內各項的發熱量進行詳細的熱量分析，不過有一種更快的方法，即利用簡單規 則進行估算，這樣所得的結果與複雜分析的結果相差不大。這種快速估算法的優勢還在於不具

7、備 任何專業知識或未經過專業培訓的任何人都可勝任這一工作。 表表 2 為快速計算熱量負荷資料表。使用該資料表，可以迅速可靠地確定資料中心的總的熱負荷。 該資料表的使用方法見表表 2 後的計算步驟。 項目 所需資料 發熱量計算 發熱量分類匯總 IT 設備 IT 設備總負載功率 (W) 等於 IT 設備總負載功率（瓦特） _ 瓦特 帶電池的 UPS 電源系統額定功率 (W) （0.04 電源系統額定值）+（0.05 IT 設備總負載功率） _瓦特 配電系統 電源系統額定功率 (W) （0.01 電源系統額定值）+（0.02 IT 設備總負載功率） _瓦特 照明設施 地板面積（平方英尺 或平方米）

8、2.0 地板面積（平方英尺）， 或 21.53 地板面積（平方米） _瓦特 人員 資料中心最大人員數 100 最大人員數 _瓦特 合計 上述各項合計 各項發熱量合計 _瓦特 計算步驟 首先收集“所需資料”清單中要求的資訊。如有疑問，請參考下面的資料定義。然後進行 發熱量計算，並將結果填寫到“發熱量分類匯總”列表中。將各分類匯總項相加，得到總 發熱量。 資料定義 IT 設備總負載功率設備總負載功率 (W) 所有 IT 設備電源輸入功率之和。 電源系統額定功率電源系統額定功率 UPS 系統的額定功率。如果使用了冗餘系統,請勿包括冗餘 UPS 的功率。 表 2 資料中心和網路機房發熱量計算表 計算資

9、料中心的總製冷量 施耐德電機 資料中心科研中心 第 25號白皮書 版本 3 4 下文以一個典型系統為例說明如何計算發熱量。該系統為一個面積為 465 平方米（5000 平方英尺）、額定功率為 250 kW 的資料中心，內有 150 個機架，最多有 20 位人員。在 本例中，按照慣例假設該資料中心的功率負載為額定功率的 30%。有關典型利用率的討 論，請參見 第 37 號白皮書避免資料中心和網路機房基礎設施因過度規劃造成的資金 浪費。這樣，資料中心的 IT 設備總負載功率為 250 kW 的 30%，即 75 kW。在上述條件 下，資料中心的總發熱量為 108 kW，約為 IT 設備負載的 1.

10、5 倍。 在本例中，總散熱量中資料中心內各項所占的百分比如圖圖 1 所示。 值得注意的是，由於系統僅工作在最大功率的 30%，所以對 UPS 和配電系統在總發熱量 中所占比例的估計要高於其實際值。如果系統以滿負荷運轉，電源系統的效率將提高， 它在整個系統發熱量中所占的比例將降低。如果對系統進行過度規劃，那麼將付出效率 大幅降低的高昂代價。 上述分析並沒有考慮周圍環境中的熱源，例如透過視窗照射進來的陽光和從牆外傳導進 來的熱量。許多小型資料中心和網路機房沒有暴露在室外的牆或窗戶，這時不考慮上述 熱源的假設是正確的。但是，對於牆或屋頂暴露在室外的大型資料中心而言，額外的熱 量會進入資料中心，空調系

11、統必須將這些熱量帶走。 如果資料機房位於有空調設備的封閉空間內，則其他熱源造成的影響可忽略不計。如果 資料中心有較大面積的牆或屋頂暴露在室外，則需要請暖通空調專家估算出最大熱量負 荷，然後將該值添加到前一部分中確定的整個系統的發熱量中。 典型系統示例 其它熱源 加濕 圖 1 典型資料中心總發熱量的 組成 照明 10%配電 4%人員 2%UP 13%IT 負載 71%避免資料中心和網路機房基 礎設施因過度規劃造成 的資金浪費 資源連結 第 37號白皮書 計算資料中心的總製冷量 施耐德電機 資料中心科研中心 第 25號白皮書 版本 3 5 資料中心空調除了熱交換外，還應能控制房間相對濕度。在理想情

12、況下，達到所需相對 濕度時，系統將在水分含量穩定的空氣中工作，這時不需要持續進行加濕。但不幸的是， 在大多數空調系統中，其空氣製冷功能會造成水蒸氣大量凝結，從而使空氣相對濕度不 夠。因此，需要進行補償性的加濕以維持所需的濕度。 補償性加濕會給空調系統帶來額外的熱量負荷，實際上降低了空調系統的製冷容量，在 設計容量時需要考慮到這一點。 對於小型資料機房或較大的配線櫃而言，空調系統透過管道隔離了送風與回風，不會造 成冷凝，因此不需要持續進行補償性加濕。這樣空調的製冷能力可以得到充分利用，從 而使製冷效率達到最高。 對於氣流大量混合的大型資料中心而言，空調系統必須提供溫度較低的空氣，以抵消設 備釋放

13、的熱空氣回流所造成的影響。這將導致空氣相對濕度顯著降低，因而需要進行補 償性加濕。這使空調系統的性能和製冷能力受到較大影響。因此，在確定空調系統的製 冷容量時，必須加大 30%。 總之，在估計電腦機房空調系統的製冷容量時，需酌情增加：如果是透過管道隔離回風 的小型系統，則無需增加；如果是室內空氣混合程度很高的系統，則需增加 30%。有關 加濕方面的更多資訊，請參見第 58 號白皮書資料中心和網路機房的加濕策略。 在明確冷卻需求之後，就可以確定空調系統的製冷容量了。如前文所述，在此過程中需 要考慮下列因素： 設備（包括電源設備）的熱負荷 建築物的傳導熱負荷 考慮加濕所需而過度規劃的熱負荷 支援冗

14、餘所需而過度規劃的熱負荷 未來所需而過度規劃的熱負荷 所有這些因素的熱負荷之和 (W) 即為總的熱負荷。 確定空調系統製 冷容量 資料中心和網路機房的加濕 策略 資源連結 第 58號白皮書 計算資料中心的總製冷量 施耐德電機 資料中心科研中心 第 25號白皮書 版本 3 6 在確定 IT 系統的冷卻需求時，可採用一個簡化的過程，未經專門培訓的任何人均可勝 任。採用統一的瓦特單位表示電源容量和製冷容量，有助於簡化此過程。一般情況下， 電腦房空調系統的額定功率必須是預期的 IT 額定負載及冗餘負載之和的 1.3 倍。對於面 積在 372 平方米（4000 平方英尺）以下的小型網路機房，這一方法都是

15、適用的。 對於規模更大的資料中心，在選擇空調系統時通常還要考慮冷卻需求之外的其他因素。 一般而言，牆和屋頂之類的其他熱源和空氣回流等造成的影響不容忽視，必須針對具體 情況加以考慮。 通風管道或高架地板的設計對整體系統性能有較大的效果，也會顯著影響資料中心內的 溫度均勻。採用簡單、標準化和模組化的空氣分配系統結構，以及本文介紹的簡單的熱 量負荷估算方法，可以大大減少資料中心設計過程中的工程設計需求。 結論 Neil RasmussenNeil Rasmussen 是施耐德電機旗下 IT 事業部APC 的高級創新副總裁。他負 責為全球最大的用於關鍵網路設備（電源、製冷和機櫃等基礎設施）科技方面 的研發預算提供決策指導