计算机机房空调系统的设计设计.docx

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计算机机房空调系统的设计设计

摘要

本设计的任务是对济南地区某计算机机房空调系统的设计。

建筑共四层，总建筑面积为3715m2,层高3.2m，每层工程空调面积为460m2。

设计的目的是为了维持机房内恒温恒湿的空气环境，保持一定的新风量，从而使计算机安全稳定运行，并且保证上机人员的舒适感。

在设计中简要介绍了机房专用空调的发展历史以及现状。

通过研究和对比几种中央空调系统的形式，并根据机房的本身的特点，最后系统方案定为半集中式中央空调系统。

对送风的处理选用风机盘管加独立新风机组，并且，新风机组将新风处理到室内空气状态点，直接送入室内。

关键词：

中央空调系统；风机盘管；新风系统；冷负荷

Abstract

ThetaskistodesigntheairconditioningsystemofacertaincomputerroominJinan.Thebuildinghasfourfloors,withatotalconstructionareaof3715m2and3.2metersfloorheight.Theairconditioningareaofeachlayeris460m2.Thepurposeofthisdesignistomaintaintheconstanttemperatureandhumidityoftheroomairandtokeepacertaindegreeoffreshairvolumn,sothattheoperationofcomputerissafeandstable,andthecrewfeelcomfortable.

Inthedesign,thereisabriefintroductionaboutthehistoryandstatusofair-conditioningforthecomputerroom.Throughresearchandcompareseveralformsofcentralairconditioningsystem,andaccordingtothecharacteristicsofthecomputerroomitself,finallythesemi-centralizedcentralairconditioningsystemisselectedasthesolution.Theairsupplyusesindependentfreshairandfancoilunits,andthefreshairwillbehandledtotheindoorairstatepointbythefreshairunitsanddirectlysentintotheroom.

Keywords:

Centralairconditioningsystem;Fan-coil;Freshairsystem;Coolingload

前言

21世纪以来，我国进入了一个高速发展的阶段。

科技的进步和人民生活水平的提高，使人们对学习、工作、居住、科研、休闲娱乐环境的质量要求越来越高，所以空调的应用显得越来越重要。

现在的空调已经普遍的应用在生产、生活的各个领域。

在公共、民用建筑及运输工具中都不同地安装有空调设备，设有空调系统。

然而，不同的建筑空间对空调设施有不同的要求。

对于人们的娱乐休闲、居住更偏向于舒适性空调，对于实验室、计算机机房则要用专用空调系统。

选择合适的中央空调系统不仅可以更好的满足空气调节的特殊要求，还可以节约能量避免能源的浪费。

机房专用中央空调是区别于舒适性空调的一个新领域，有着强大的潜力和应用前景。

经过对现今机房中央空调发展的了解，为了给学生跟设备营造一个合适的机房环境，所以本次毕业设计选择了计算机机房中央空调系统的设计。

该设计主要包括以下三方面内容：

（1）方案论证部分

设计方案是通过市场调研和考虑机房专用空调的实际问题提出的，具体包括：

机房专用中央空调系统形式的确定，空调系统冷源的确定，以及空调风系统、水系统的确定，这些将为下面的设计计算提供理论基础。

（2）设计算部分

这部分进行空调系统冷负荷的计算，空调系统水利计算，空调风系统、水系统的管道设计及空调设备的选型计算。

（3）绘制图纸

在系统确定的基础上，再进行相关计算，设备选型后，要绘制相关图纸。

设计图纸包括空调系统原理图，空调风系统图及水系统图。

本次毕业设计着重培养设计者的专业素质和综合运用基础理论知识，分析问题的能力，从而为学生毕业后的发展打下良好的基础。

1绪论

1.1设计背景

近年来，民用空调普及率极大提高。

以上海为例，在1978-1996年间，高层建筑增加了十几倍。

在这些新建建筑中，一般都安装大型集中式空调系统，而在大多数的改建项目中，增加或改造集中式空调系统也成了改造计划中的重要内容。

建筑空调已经成为现代社会所必需的，可显著改善人们生活环境，提高生活质量。

但是从总体上看，我国目前的经济增长模式还是粗放型的，主要表现为资源利用率较低。

空调作为耗能大户，与能源供应紧张特别是当前电力供应紧张有着密切的关系。

随着空调的迅速普及，空调用电负荷逐年猛增，至2003年底，空调能耗已占全国耗电量的30%左右。

在夏季用电高峰时段，空调用电负荷甚至高达城镇总体用电负荷的40%左右，大大增加了电网的负担。

到2020年我国空调高峰负荷节电空间约900万KW，相当于5个三峡电站的满负荷容量，相应可减少电力建设投资4000亿元以上。

降低空调系统的能耗对于减少建筑系统的能耗、缓解当前电力紧张状态、优化能源结构、提高能源利用效率等方面都有着非常重要的意义。

随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，现在人们越来越关心我们赖以生存的地球，世界上大多数国家也充分认识到了环境对我们人类发展的重要性。

各国都在采取积极有效的措施改善环境，减少污染。

这其中最为重要也是最为紧迫的问题就是能源问题，要从根本上解决能源问题，除了寻找新的能源，节能是关键的也是目前最直接有效的重要措施。

作为现代社会必须的家用和商用空调是消耗电能的大户，因此,对于不同的环境使用合适的中央空调系统对满足人们需求和节约能源起着至关重要的作用。

1.2机房空调的发展背景

前期机房空调（1960～1980年）：

前期的机房空调是为某台计算机（大、中、小型机）专门建设的，并没有统一的标准，完全是在摸索中建设的。

这时的机房空调只有降温措施，但没有精密的温度控制，也没有测试和指标，可用性极差。

中期机房空调（1980～1990年）：

由于计算机系统的产生，出现了专门为单个计算机系统设计的机房空调，有了专用的机柜（大、中、小机柜），机房空调制冷也从集中冷却到采用恒温恒湿的专用空调机。

后期机房空调（1990～2000年）：

IT设备逐渐小型化，服务器逐步成为主体，多台计算机、服务器联网，数据的存储介质水平逐渐提高，对数据进行了更严格的保护，开始广泛使用恒温恒湿的专用机房空调，可用性和可靠性均有了大幅提升。

现代机房空调（21世纪）：

IT设备进一步小型化，所有设备都进入机架，机架成为机房IT设备的主体。

随着IT设备的发展，具有现代气息的机房专用空调诞生了。

它对计算机机房起的作用尤为重要，起到改善机房环境温度、湿度，确保计算机设备正常运行。

机房专用空调是针对计算机机房和各类通信机房的特点和要求而设计的。

它除了具备普通空气调节器的功能外，还具备恒温恒湿、控制精度高、空气洁净度高、可靠性高等特点。

1.3课题来源

该课题题目是为济南市某地区的计算机机房中央空调系统设计。

完成毕业设计是工科类专业教学的重要环节之一，是对学生在校所学理论知识的全面总结和综合检验。

通过毕业设计熟悉机房中央空调系统，掌握机房的冷负荷计算、制冷系统及主要设备的选型。

培养学生的识图和制图能力，引导学生学会查找设计规范和设计手册，初步了解本专业的主要设备、附件及材料。

在设计过程中尽可能联系当前技术发展和环保要求，参照新规范进行设计，使设计达到技术、经济、运行管理的合理、可行和安全可靠。

1.4研究设计的目的

在现代的机房中，通过采用中央空调系统对空气进行调节，可以保证人们在工作学习的舒适感。

具体而言，我们研究、设计的目的是使室内达到恒温恒湿的要求既满足人们的舒适感，又可以保证计算机系统安全稳定运行。

为了满足的计算机系统的保护，机房内空气的温湿度有专门的规定。

根据我国《采暖通风与空气调节设计规范》中规定，机房空调的室内参数应达到一下水平：

表1-1机房专用空调室内设计参数

季节

温度（℃）

相对湿度（%）

风速（m/s）

夏季

21～25

45～65

≤0.3

冬季

18～22

45～65

≤0.2

1.5空调系统形式的选择

根据设计对象的特点，在此设计中采用的是中央空调系统。

选用集中式中央空调系统和分散式空调系统相比，具有更多优点：

（1）、集中式空调的效果优于分散式空调，集中式空调可做到每室均有管道式串调送回风口或风机盘管送回风口，实现夏季供冷、冬季供暖和春秋季通风换气的全年性空调效果，对于计算机机房则实行全年制冷运行。

（2）、集中式空调能保证向房间输送新风，使房间始终保持空气清新、卫生；分散式空调难以确保空调房间空气的新鲜度。

　　（3）、集中式串凋投资低于局部空调。

　　（4）、集中式空调运行管理灵活方便，且运行费用低于分散式空调。

集中式空调制冷站可直接控制制冷机的开停时间和冷量大小，并根据气候变化进行调整，以节约运行电费。

而分散式空调运行电费一般大于中央空调，而且难以进行各分散房间的统一控制。

　　（5）、集中式空调故障少，好维修，无论是空调机组和送回风道系统，还是房间风机盘管和新风系统，均不易发生故障，而且制冷设备设在制冷站内，便于维修。

分散式空调的分体空调遍布在建筑物各处，制冷压缩机不仅数量多而且多数悬挂于外墙上，出了故障维修难度较大。

鉴于以上特点，对于本次设计，我们选用集中式中央空调系统对室内空气进行调节。

因为各机房大小不一，所需冷负荷不同，对空气调节的需求不一样，且要求各室空气互不串通。

另外，还有教师休息室、讨论室等房间的空气调节。

因此，选用风机盘管加独立新风系统对每个房间进行单独调节。

选用风机盘管系统具有以下优点：

（1）、风机盘管体积小；机体设计轻巧。

排水管及线路安装简便，左右接管及回风方式可随时变换，以配合现场情况。

机组能安装于任何空间场所。

（2）、风机盘管采用优质镀锌板机壳，冷凝水盘采用模压工艺一体成型，无焊缝、焊点、符合防火规范的保温材料整体连接于水盘。

（3）、风机盘管噪音低；合理的风机与气流结构设计,优质的吸音保温材料,使机组噪音低于国家标准1-3dB（A）。

（4）、风机盘管能耗低；风机与换热器合理匹配,三档可调风量,使风机用电最省。

（5）、风机盘管效率高；先进的胀管工艺,保证了换热器铜管和铝箔的紧密接触,传热性能好。

尽管风机盘管系统具有以上诸多优点，但在某些方面仍存在缺陷：

对机组制作有较高的要求，否则在建筑物大量使用时会带来维护方面的困难。

风机盘管机组在循环空气入口处应接安装可清洗或可更换的过滤器。

1.6设计方案

空气调调系统的划分应考虑运转和调节的灵活与经济性。

多层建筑系统的划分应根据各层平面布置和机房的位置等条件设定，尽量做到风管布置合理，系统运转灵活而经济，空气调节系统不宜过大，以便于调节和减少噪声。

国外的设计中，在周边采用风机盘管时，新风的补偿常由内区系统提供，其优点是：

各房间可独立调节室温，机房没人时可方便关掉机组，不影响其他机房，从而比其他系统节省运行费用。

因风机多档变速，在冷量上能由使用者直接进行一定的调节。

空气调节系统一般均由空气处理设备和空气输送管道以及空气分配装置所组成。

故采用风机盘管加独立新风系统以满足设计要求。

由于计算机机房的中央空调系统是全年制冷运行，所以只用计算夏季攻制冷工况。

满足夏季的制冷工况，就可以满足冬季的要求。

2负荷计算

2.1设计参数

2.1.1室外设计参数

表2-1济南市室外气象参数

夏季

大气压力

99.73kPa

冬季

大气压力

101.85kPa

空气调节温度

34.8℃

空气调节温度

-7.7℃

空调日平均气温

31.2℃

最低气温

-14.2℃

空调计算室外湿球温度

27℃

冬季室外计算温度

-3.6℃

室外平均风速

2.8m/s

室外平均风速

2.7m/s

地理位置

北纬36°40′，海拔5-1108米

2.1.2室内计算参数

表2-2机房室内设计参数

季节

室内温度

相对湿度

风速

送风温差

新风量

噪声标准

夏季

23℃

55%

≤0.3m/s

7℃

40m³/h

<45dB

冬季

20℃

50%

≤0.2m/s

7℃

40m³/h

<45dB

2.2空调冷负荷计算

空调房间的冷、湿负荷是确定空调系统送风量和选取空调设备的基本依据。

在室内外热、湿扰量的作用下，某一时刻进入房间的总热量和湿量叫做该时刻的得热量和得湿量。

冷负荷的含义是维持一定的室内热湿环境所需的在单位时间内从室内除去的热量，包括显热量和潜热量两部分。

湿负荷的含义是维持室内恒定的相对湿度所需除去的湿量。

2.2.1墙体和屋面传热得热引起的冷负荷

Qc=KF[（tl,τ+td）KαKρ-tN]（W）（2-1）

式中K——墙体或屋面的传热系数，W/（m2·℃）,见《暖通空调常用数据手册》表4.1-20；

F——墙体或屋面的传热面积，m2;

tN——室内空气温度，℃；

tl,τ——墙体或屋面冷负荷计算温度，℃，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-39和表4.1-38；

td——冷负荷计算温度地点修正系数，℃，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-39和表4.1-4；

Kα——外表面放热系数修正值，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-23；

Kρ——外表面修正系数修正值：

计算墙体时；中色，Kρ=0.97，浅色，Kρ=0.94，计算屋面时；中色，Kρ=0.94，浅色，Kρ=0.88。

2.2.2玻璃窗传热得热引起的冷负荷

Qc=KF[（tl,τ+td）Kα*Kρ*-tN]（W）（2-2）

式中K——窗的传热系数，W/（m2·℃）,见表4.1-25和表4.1-26；

F——窗的传热面积，m2;

tN——室内空气温度，℃；

tl,τ——窗冷负荷计算温度，℃，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-32；

td——窗的冷负荷计算温度地点修正系数，℃，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-33；

Kα*——不同类型窗框的玻璃窗传热系数修正值，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-27；

Kρ*——有内遮阳设施玻璃窗传热系数修正值：

单层窗Kρ*=0.75，双层窗K

ρ*=0.85。

2.2.3窗日射得热引起的冷负荷

无外遮阳

Qc=FCsCnKJ,maxCCL（W）（2-3）

式中KJ,max——不同纬度带各朝向7月份日射得热因数的最大值，W/m2,由《暖通空调常用数据手册》表4.1-31确定；

F——玻璃窗的有效面积，m2，是窗的面积乘以有效面积系数Ca,Ca见《暖通空调常用数据手册》表4.1-30；

Cs、Cn——玻璃窗遮挡系数和窗内遮阳设施的遮阳系数，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-28和表4.1-29；

CCL——玻璃窗冷负荷系数，以北纬27°30′为界划分为南、北两区，由《暖通空调常用数据手册》表4.1-41和表4.1-44确定。

2.2.4设备得热量

照明得热量

白炽灯Qτ=N（W）（2-4）

荧光灯Qτ=n1n2N（W）（2-5）

式中N——照明灯具所需功率；（W）；

n1——镇流器消耗功率，明装荧光灯、镇流器在室内时n1=1.2；暗装荧光灯，镇流器在顶棚内时n1=1.0；

n2——灯罩隔热系数，当荧光灯罩上部有小孔，可自然通风散热至顶棚时，n2=0.56～0.6；荧光灯罩无通风孔时，视顶棚内通风情况n2=0.6～0.8。

人体得热量

Q=qn1n2（W）（2-6）

式中q——不同室温和劳动性质时成年男子的全热散热量，W/人，见表4.1-45；

n1——室内人数；

n2——群集系数，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-48。

电子设备散热得热量

Q=1000n1n2n3N（W）（2-7）

式中q——计算机的功率,kW；

n1——利用系数，一般取0.70.9；

n2——同时使用系数，一般取0.50.8

n3——负荷系数，一般取0.5，计算机取1。

2.2.5照明，人体设备引起的冷负荷

照明冷负荷

Qc=QτCCL（2-8）

式中Qτ——照明得热量，W；

CCL——照明冷负荷系数，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-49。

人体和设备冷负荷

Qc=QsCCL+Qτ（2-9）

式中Qs——人体或设备显热得热量，W；

Qτ——人体或设备潜热得热量，W；

CCL——人体或设备的冷负荷系数，见《暖通空调常用数据手册》表4.1-50、表4.1-51、表4.1-52确定。

2.2.6建筑围护结构传热系数的确定

外墙：

水泥砂喷浆抹灰，砖墙，有防潮层，保温层总厚度520mm。

查《暖通空调常用数据手册》表4.1-20，外墙、屋顶热工指标。

屋顶：

沥清蛭石板，厚100mm。

查《暖通空调常用数据手册》表4.1-20，外墙、屋顶热工指标。

外窗：

双层钢窗普通透明玻璃，内有深黄色布窗帘。

查《暖通空调常用数据手册》表4.1-26，双层玻璃窗传热系数。

得传热系数列表如下：

表2-3围护结构的传热系数

类型

外墙

内墙

外窗

屋面

地面

K[W/（m2.k）]

1.26

1.26

3.14

0.76

1.8

2.2.7各房间人数和设备的分配

表2-4各房间人数和设备的分配

名称

房号

101

102

103

104

105

106

107

108

荧光灯

9

9

9

9

9

4

4

4

人数

50

40

40

50

40

15

20

15

电脑（台）

50

40

40

50

40

15

0

15

1　选用的电脑为联想家悦535功率为180W；

2　房间尾号相同的房间，电脑数量跟人数对应相等。

2.3新风负荷计算

2.3.1规范对计算机房新风量的规定

计算机房新风量一般认为，应按以下三条中的最大值计算：

1）机房总送风量的5%；

2）每人≥40m³/h；

3）维持机房正压所需的新风量（主机房对走廊或其它房间之间的正压≥4.9Pa、对室外的正压≥9.8Pa）。

第一条新风量为总送风量的5%不够合理，因机房的总热负荷与机房面积之间并不成正比。

有的机房面积虽然不大，由于功率密度高，机房总热负荷大，空调机的总送风量大，按此条要求确定的新风量往往过大，造成处理新风所需的空调负荷大；例如有一个140m²的机房，总热负荷达到360KW，总送风量约10万m³/h，若按5%计算新风量为5000m3/h。

计算机房送入新风的目的是满足人的需求和维持机房所需的正压值；在空调设计手册（电子部第十设计院主编）第一版中关于乱流洁净室的新风量，认为应不小于总送风量的10%；而在第二版中说明：

此条规定理由似不充分，《采暖通风与空气调节设计规范》中亦无此项规定，因此应按1）补充室内排风和保持室内正压值；和2）保证室内每人新风量不小于40m

³/h，两项中的较大值确定新风量。

计算机房可看成对洁净度要求较低（英制50万级）的乱流洁净室，机房无排风，应以维持机房所需的正压值和室内每人不小于40m³/h计算机房新风量较适宜。

第三条维持机房正压所需新风量很难计算。

要维持机房对走廊（或其它房间）的正压≥4.9Pa，则通过机房门窗等缝隙的出风速度≥2.8m/s，新风量应为缝隙总面积与出风速度的乘积；由于缝隙总面积很难计算，因此维持机房正压所需的新风量亦无法计算。

2.3.2计算机房新风量的确定

计算机房应确定一个适宜的新风量，新风量过小或过大不能满足机房温、湿度和洁净度的要求。

应该按维持机房所需正压值和每人≥40m³/h两项中的较大值计算新风量。

由于维持机房正压所需新风量难以计算，根据经验及参照洁净室的设计，可按1-2次换气/h来计算新风量。

若机房四周围护结构的密封性较好，可采用≥1次换气/h来计算新风量；若密封性较差，可适当提高换气次数并采取密封措施。

最有效并且节能的办法是对四周围护结构采取密封措施，特别应注意活动地板下和吊顶内的密封，所有穿过机房围护结构的管线敷设后均应将孔洞封堵严密防止漏风。

2.3.3新风量的计算

1）机房总送风量的5%；

G1=G×5%=5879×0.05=293m³/h（2-10）

2）每人≥40m³/h

G2≥50×40=2000m³/h（2-11）

3）维持机房正压所需的新风量

换次系数n=L/V≥2

即：

G3=L≥2V=2×10×7.2×3.2=460.8m³/h

比较1）、2）、3）可得按每人40m³/h送入新风量。

由每人40m³/h的新风量可知，501房间所需总新风量：

Gw=50×40=2000m³/h（2-12）

2、各房间新风负荷计算

新风量G=40×N；新风负荷Q=G×（iW-iN）。

表2-5各房间新风量及新风负荷统计

名称

名称

房号

501

502

503

504

505

506

507

508

新风量

（m³/h）

2000

1600

1600

2000

1600

600

800

600

新风负荷（kW）

24.733

19.787

19.787

24.733

19.787

7.42

9.893

7.42

表2-6室内冷负荷计算

101南外墙冷负荷计算

计算时刻τ

参数

时间

8:

00

9:

00

10:

00

11:

00

12:

00

14:

00

15:

00

tl,τ

35.2

35.1

34.9

34.8

34.6

34.4

34.0

K

1.02

F

19.04

td

1.6

tN

23

Kα

1

kρ

0.94

△t

11.6

11.5

11.3

11.2

11.0

10.8

10.5

Qc1（南墙）

225.1

223.3

219.6

217.8

214.2

210.5

203.2

计算时刻τ

参数

时间

16:

00

17:

00

18:

00

19:

00

20:

00

21:

00

22:

00

tl,τ

33.9

33.8

33.8

33.9

34.0

34.1

34.3

K

1.02

F

19.04

td

1.6

tN

23

Kα

1

kρ

0.94

△t

10.4

10.3