в чем измеряется тепловыделение оборудования
Как посчитать тепловыделение оборудования от мощности
Необходимо знать каждому.
Как выбрать сплит систему — в наше время очень острый вопрос и далеко не каждая организация может похвастаться специалистами по подбору климатических систем и систем кондиционирования, с бытовыми настенными сплит системами дело обстоит так же. Полагаясь на свои предпочтения либо советы друзей и неквалифицированных менеджеров слушая и говоря: «Да там кухня 8 квадратов, хрущевка обычная, у моего друга Семерка стоит — всю квартиру охлаждает без проблем», вы можете купить сплит систему и останетесь очень не довольны результатами ее производительности, энергопотребления и долговечности, обращайтесь к специалистам по расчету теплопритоков и точному подбору сплит систем и кондиционеров на ваши нужды и условия.
Расчёт тепловыделения
Укомплектовав помещение необходимым оборудованием, следует провести расчёт тепловыделения по потребляемой мощности. Тепловую мощность измеряют в БТЕ (Британская термическая единица). 1 Вт составляет 3.412 БТЕ/час. К примеру, тепловыделение компьютера для кондиционирования мощностью 400 Вт будет равно 1364,8 БТЕ/час.
Посчитать суммарное тепловыделение серверного оборудования можно несколькими способами. Первый — сложение показателей тепловыделения каждого прибора — является не самым точным.
При втором варианте подсчётов во внимание берут не только количество тепла, выделяемого оборудованием, но и количество персонала, находящегося в серверной, и количество тепла, проходящего через стены, потолок. Чтобы узнать, сколько тепловой энергии пропускают ограждающие строительные конструкции, требуется воспользоваться формулой Q = S х h х q / 1000, в которой:
В серверной обязательно должна быть налажена вентиляция. Поскольку в ней отсутствуют окна, организовать эффективный естественный приток воздуха невозможно. Помещение приходится оснащать климатическими системами. Именно они выделяют в атмосферу значительные объёмы тепла, вырабатываемого компрессорами и вентиляторами. Чтобы уменьшить тепловую нагрузку на помещение, нужно обеспечить отвод этого тепла наружу.
Кондиционер в комнате должен не только хорошо охлаждать воздушные потоки, но и увлажнять их. В серверной влажность должна находиться в диапазоне 30−50% и меняться со скоростью 6% в час. Конденсация влаги не допускается.
В небольших комнатах и серверных шкафах во время работы кондиционера не происходит смешивание холодного и горячего воздуха, поэтому влага не конденсируется.
Чтобы преодолеть рециркуляцию обратного воздуха из прибора в крупных помещениях, система кондиционирования должна быть настроена на подачу воздуха более низкой температуры. Если холодный поток попадаёт напрямую в кондиционер, влажность в атмосфере резко снизится, потребуется организовать дополнительное увлажнение.
Выбрать мощность сплит системы по маркировке.
Категория пожароопасности
Сосредоточение большого числа аппаратуры в комнате увеличивает риск возникновения короткого замыкания, которое может спровоцировать пожар. Чтобы предотвратить эту ситуацию, необходимо правильно рассчитать категорию пожароопасности помещения. При расчётах следует учитывать особенности материалов, используемых в комнате, её площадь, высоту потолка, состояние вентиляционной системы и наличие полок, стеллажей.
На основании этих факторов выделяют несколько разновидностей помещений. Они имеют разную степень пожароопасности.
Повышенная взрывопожароопасность (категория А) присваивается помещениям, где находятся горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки менее 28 градусов. Из-за большой концентрации таких веществ могут образовываться взрывоопасные смеси. При их возгорании расчётное избыточное давление взрыва поднимается выше 5 кПа.
В категорию Б попадают комнаты с горючими волокнами и жидкостями, температура воспламенения которых превышает 28 градусов. Их использование приводит к образованию взрывоопасных паров и пылевоздушных смесей. Если такие смеси загорятся, давление взрыва превысит 5 кПа.
К группе В относят помещения, в которых имеются горючие и трудногорючие жидкости, твёрдые воспламеняющиеся составы. При взаимодействии друг с другом, при соединении с водой или кислородом такие вещества не взрываются, а только горят.
Эта категория делится на 4 подгруппы. Для каждой из них определён диапазон удельной пожарной нагрузки:
В комнатах группы В может быть несколько участков, на которых пожарная нагрузка не превышает установленных значений. Подгруппа В4 предусматривает, что расстояние между этими участками не должно превосходить предельно-допустимых значений.
Как детально рассчитать мощность сплит системы для своей комнаты или помещения.
Внешние теплопритоки.
Расчет проникающей солнечной радиации через оконный проем с учетом расположения сооружения относительно сторон света.
где qокн — удельная тепловая мощность от солнечной радиации в зависимости от ориентации окна Вт/м2
Ориентация окна | Северо Восток | Восток | Юго Восток | Юг | Юго Запад | Запад | Северо Запад | Север |
q, Вт/м2 | 190 | 250 | 240 | 240 | 350 | 470 | 370 | 0 |
Fокн — площадь остекления окна, м2
k — коэффициент солнцезащитных элемент
Теплоприктоки от нагрева защитного сооружения:
qзс — удельная тепловая мощность теплопередачи защитного сооружения, Вт/м2
Fзс — площадь защитного сооружения, м2
Для постоянно открытой двери теплоприток принимают за 300 Вт
Защитное сооружение | q, Вт/м2 |
Внешняя стена легкой конструкции (север) | 30 |
Внешняя стена легкой конструкции | 60 |
Внешняя стена тяжелой конструкции (север) | 20 |
Внешняя стена тяжелой конструкции | 30 |
Внутренняя стена | 30 |
Крыша без утепления | 60 |
Крыша с утеплением | 25 |
Потолок | 10 |
Пол | 10 |
Внутренние теплопритоки.
n — количество людей в зависимости от физической активности
qч — количество тепловыделения одного человека
Физическая активность | q, Вт |
Отдых | 80 |
Легкая работа | 125 |
Работа средней тяжести | 170 |
Тяжелая работа, занятие спортом | 250 |
4. Тепловыделение от электрооборудования
m — количество единиц оборудования
Nэ — электрическая мощность еденицы оборудования, Вт
i — коэффициент превращения электрической энергии в тепловую
Оборудование | i |
Лампы накаливания | 0,9 |
Лампы люминесцентные | 0,4 |
Электродвигатели | 0,3 |
Автономные холодильники и витрины | 1 |
Для компьютера и оргтехники теплоприток принимают 300 Вт
Организация серверной комнаты
Серверные помещения оборудуют в зданиях, где функционирует большое количество техники (например, в офисных центрах). В них устанавливают такие приборы, как элементы бесперебойного питания, распределительные пункты, кроссы, патч-панели, коммуникационные стойки и многое другое. Исходя из количества необходимого оборудования рассчитываются размеры серверной комнаты. Минимально допустимой считается площадь 14 кв. м. В некоторых случаях может использоваться несколько таких комнат.
Требования к оборудованию специального помещения перечислены в стандарте TIA 569. Согласно этому документу, высота потолка в серверной должна достигать 2,5 м. Такая величина обусловлена тем, что большинство стоек для крепления аппаратов имеют высоту 2 м. Для обеспечения эффективного отвода тепла расстояние от их верхней точки до потолка должно быть минимум 0,5 м.
Для обустройства серверной следует выбирать комнаты без окон. Иначе через них в летнее время будет попадать большое количество солнечного тепла, негативно влияющего на работу современной техники.
Множество различных установок, собранных в одном месте, имеют внушительный вес. Поэтому для обеспечения безопасности пол должен выдерживать большую нагрузку (минимум 1200 кг на 1 кв. м.). Чтобы оборудование не вышло из строя из-за действия влаги, потолок требуется покрыть слоем гидроизоляционного материала. Температурный режим следует постоянно поддерживать в диапазоне 18−24 градуса, влажность — на уровне 30−50%
Источники электрических помех необходимо удалить от серверного помещения. Максимальная напряжённость в нём может составлять не более 3 В на 1 м.
В комнате обязательно наличие телекоммуникационной шины, выполняющей роль основного заземлителя. К ней присоединяют заземляющие проводники металлических кабелей, приборов и прочих конструкций. Освещение запитывают от разных распределительных электрощитов, световые приборы размещают на потолке, выключатели для них монтируют на высоте 1,5 м от пола.
Обязательным требованием к серверной является постоянное поддержание чистоты и отсутствие пожароопасных предметов. Доступ в неё должен быть строго ограничен, двери — закрыты на замок, ключи от которого может иметь собственник здания и лицо, ответственное за обслуживание помещения.
Кондиционирование серверных с помощью сплит-систем.
Сплит-системы подойдут для кондиционирования небольших серверных помещений. Их стоимость значительно ниже, чем у прецизионных кондиционеров. Если в серверной не требуется поддерживать температуру с точностью до 1гр.C, то установка такой системы позволит сэкономить средства и место в помещении.
В основном в серверных комнатах используют настенные, колонные, потолочные и канальные кондиционеры высокого качества. Канальные кондиционеры монтируют под фальш-пол или подвесной потолок. При чем преимущество отдается именно фальш-полу. В этом случае холодный воздух подается снизу и более равномерно распределяется в помещении.
Обычные кондиционеры не могут работать при пониженной температуре воздуха на улице. В таких условиях резко падает давление конденсации, в результате жидкий хладагент может попадать в картер компрессора. Также из картера в систему может выбрасываться масло. Все это ведет к обмерзанию внутреннего блока кондиционера, снижению его производительности и быстрому выходу компрессора из строя. Кроме того, если дренажная система выходит на улицу, в сильные морозы возникают проблемы с отводом влаги из системы кондиционирования. Этот недостаток систем кондиционирования воздуха решается установкой дополнительного оборудования — устройства зимнего пуска.
Pk = Pv – Pr [Ватт], где
Pk [Ватт] — мощность устройства охлаждения/нагрева.
Pv [Ватт] — потеря тепла от рассеивания.
Pr [Ватт] — теплоизлучение/теплоотдача.
Потеря тепла от рассеивания
— тепловая энергия, образующаяся внутри шкафа за счет нагревания работающих приборов.
Чтобы узнать данную величину, следует заглянуть в технические характеристики установленного оборудования, в некоторых из них дано значение тепловых потерь. Для остальных устройств следует принять потери, составляющие примерно 10% от общей мощности потребления (её также можно найти в технических характеристиках). Нужно знать КПД и степень нагрузки для более точного расчета тепловой потери отдельного электротехнического компонента.
К примеру, если КПД частотного преобразователя составляет 95%, то условно 5% от его мощности потребления уходит на нагрев. Если же во время работы этот преобразователь работает на 70% от своего номинала, то мощность его тепловых потерь составит
Таким образом, тепловая мощность шкафа будет равна сумме тепловых потерь всех устройств установленных в нём.
— теплоотдача через корпус электротехнического шкафа (не учитывая коэффициент изоляции). Теплоотдача шкафа рассчитывается по формуле ниже и измеряется в Ваттах:
Расчет тепловыделений в производственных
Помещениях
а) Тепловыделения от нагретых поверхностей оборудования определяются по формуле
для поверхности нагретых предметов К1= 8,4 [3];
б) Тепловыделения от остывающих продуктов и материалов определяются по формуле
в) Тепловыделения от электрооборудования, потребляемого электроэнергию, определяется по формуле
К2= 0,8 ÷ 1,0 (чаще принимается равным 1);
г) Тепловыделения от искусственного освещения определяются по формуле
при использовании ламп накаливания – 0,15 ÷ 0,2 ккал/ч на 1 м 2 площади помещения;
д) Тепловыделения от электродвигателей, встроенных в оборудование, рассчитывается по формуле
мощности электродвигателя к номинальной) К1= 0,5 ÷ 0,8;
теплоты из помещения с материалами, водой, воздухом и т.д.
(К3= 0,1 ÷ 1,0); для насосов и вентиляторов К3= 0,1 ÷ 0,3;
для металлорежущих станков К3= 1,0.
е) Тепловыделения от электродвигателей, установленных в помещении, определяются по формуле
Qэл.двиг=860×Nэл.двиг×K1×K2 × , ккал/ч (6)
— КПД электродвигателя.
ж) Количество тепла, выделяемого людьми (прил.3), зависит от метеорологических условий в помещении и степени тяжести выполняемых работ. Различают тепловыделения от людей по явному теплу, вследствие теплообмена поверхности тела с окружающим воздухом q я п, и тепловыделения по полному теплу с учетом скрытого тепла испарения водяных паров, выделяемых человеком q п я,
Общее количество тепла, выделяемого людьми, определяется по формуле
полному теплу ккал/ч;
Количество явного тепла Q я п учитывается при определении необходимого воздухообмена общеобменной вентиляцией, Q п я учитывается при расчетах тепловой нагрузки на кондиционер.
з) Тепловой поток, поступающий в помещение от солнечной радиации, определяется по формуле
где Fост— поверхность остекления, м 2 ;
остекленной поверхности, Вт/м 2 (прил. 4);
и) Тепловой поток, выделяемый поверхностью нагретой жидкости, определяется по формуле
помещения, ккал/ч×м 2 ×°С, значения а определяются по формуле
Учет в тепловом балансе теплопоступлений от офисного оборудования
C. Wilkins, M. Hosni, члены Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)
Технический комитет ASHRAE 4.1. «Методы расчета нагрузок» завершил два исследовательских проекта, результаты которых могут представить интерес для инженеров, выполняющих расчеты холодильных нагрузок. Задачей исследовательского проекта была разработка методики измерения реальных теплопоступлений от оборудования зданий и их лучистой и конвективной составляющих [Hosni и др., 1996]. Эта методика в дальнейшем была использована в другом исследовательском проекте, где рассматривался более широкий состав оборудования [Hosni и др., 1999]. Группа исследователей в Канзасском университете под руководством M. Hosni выполнила оба проекта. Это явилось развитием и завершением независимого исследования, проведенного Wilkins и McGaffin в 1994 году.
В независимом исследовании Wilkins и McGaffin были получены важные данные по тепловым нагрузкам здания путем измерений энергопотребления на электрощитах, обслуживающих определенные зоны зданий. Данные этих измерений сопоставлялись с замерами мощности, потребляемой каждой из установок офисного оборудования в данной зоне. Исследования, выполненные группой Hosni, базировались на тех же методах, но с более точными измерениями и обработкой результатов.
Работа группы Hosni включала также измерение лучистой и конвективной составляющих в тепловыделениях оборудования. Отдельные данные по конвективным и лучистым тепловыделениям существенны для современных методов расчета тепловых нагрузок.
В исследовательском проекте проводились измерения по тепловыделениям оборудования офисов, лабораторий и больниц. Заключительным результатом этого исследования было обобщение данных с целью более широкого их применения. Было установлено, что данные по офисному оборудованию могут быть обобщены, в то время как результаты, касающиеся лабораторного и больничного оборудования, носят более частный характер.
Мы представляем здесь обобщенную методологию, разработанную на основе результатов всех вышеупомянутых исследований для офисного оборудования.
Таблица 1 Расчетные теплопоступления от компьютеров | ||||||||||||||
|
Тепловыделения компьютеров во время простоя оказались ненамного меньше, чем во время работы. Исключением явились компьютеры с энергосберегающим режимом. Этот режим переводит компьютер в «спящее» состояние, если он не используется в течение определенного, заданного периода времени. Группа Hosni определила, что типичная величина тепловыделений компьютера в «спящем» режиме составляет 18 Вт. Разумеется, «спящий» режим одного компьютера не повлияет на величину пиковой нагрузки, но он может оказать влияние на коэффициент неравномерности и на величину максимальной тепловой нагрузки для больших зон внутри здания.
Из этих данных можно сделать два вывода. Первый – в расчете нагрузки не следует ориентироваться на паспортную мощность компьютеров. Второй вывод – имеется возможность установить расчетную величину тепловыделений от компьютеров, которой можно руководствоваться в практических расчетах. Инженеры обычно стремятся рассчитывать нагрузку с резервом. Данные, приведенные в табл. 1, позволяют инженерам выбирать расчетную величину тепловыделений компьютеров с различным коэффициентом запаса.
Мониторы
Величина паспортной мощности мониторов, протестированных группой Hosni, находилась в диапазоне 168–565 Вт. Максимальная величина тепловыделений составляла 53–86 Вт соответственно. Размеры экрана исследованных мониторов – от 14 до 20 дюймов (36–51 см). Группа Hosni обнаружила прямую зависимость между тепловыделениями и размером экрана. Они вывели следующую зависимость для оценки тепловыделений монитора в зависимости от размера экрана:
Тепловыделения = 5 х S – 20,
где S – размер экрана в дюймах, а теплопоступления определяются в Вт. Например, для 15-дюймового монитора тепловыделения составляют 55 Вт.
Wilkins и McGaffin не группировали полученные данные по размеру монитора. Они представили данные на 10 мониторов от 13 до 19 дюймов и определили среднюю величину тепловыделений – 60 Вт. Их исследования выполнялись в 1992 году, когда еще применялась ОС DOS, а ОС Windows только входила в обращение. Они установили, что мониторы, отображающие Windows, потребляют больше энергии, чем при отображении DOS. В табл. 2, составленной по результатам исследований группы Hosni и Wilkins, представлена краткая справка для инженеров, которые предпочитают табличные данные уравнениям. Энергосберегающий режим мониторов снижает потребление энергии и, соответственно, тепловыделения до нуля.
Таблица 2 Расчетные теплопоступления от мониторов | ||||||||||||
|
Лазерные принтеры
Группа Hosni в 1999 году определила, что потребляемая мощность и тепловыделения лазерных принтеров в значительной мере зависят от их расчетной производительности. В табл. 3 приведены данные для четырех основных категорий лазерных принтеров. Группа Hosni в работе 1999 года установила, что небольшие принтеры чаще работают в прерывистом режиме, а большие могут работать непрерывно в течение продолжительного времени.
Эти данные могут быть использованы двумя способами. Наиболее очевидный способ состоит в том, что принимается величина для непрерывной работы, а затем вводится поправочный коэффициент на неравномерность загрузки. Поправочные коэффициенты будут рассмотрены ниже. Этот способ кажется наиболее подходящим для офисов с большими открытыми зонами. Другой подход заключается в том, чтобы использовать величины, соответствующие предполагаемому режиму работы принтеров, без поправочных коэффициентов. Этот вариант подходит для небольших зон или отдельных помещений.
Таблица 3 Расчетные теплопоступления от лазерных принтеров | |||||||||||||||||||||||
|
Копировальные аппараты
Группа Hosni в 1999 году представила данные по пяти копировальным аппаратам. Копировальные аппараты были разделены на две группы: настольные и офисные. В табл. 4 представлена сводка результатов. По наблюдениям группы Hosni, настольные копировальные аппараты обычно не работают непрерывно, а офисные установки часто работают непрерывно в течение часа и более.
Отдельно стоящие копировальные аппараты часто размещаются в помещениях вне основной рабочей зоны офиса. В таких копировальных помещениях обычно допускается временное повышение температуры в период непрерывной работы копировального аппарата. Инженеры должны принимать во внимание конкретные условия и выбирать для расчета соответствующий режим.
Таблица 4 Расчетные теплопоступления от копировальных аппаратов | |||||||||||||||
|
Прочее оборудование
В табл. 5 перечислены некоторые другие типы используемого оборудования. Данные для факсов и сканеров взяты из работ Hosni (1999). Величины для матричных принтеров получены путем обработки данных Hosni (1999) и Wilkins (1994).
Таблица 5 Расчетные теплопоступления от прочего оборудования | ||||||||||||||
|
Коэффициент неравномерности
Реально пиковое значение суммарных тепловыделений по зоне меньше, чем сумма пиковых значений по каждому виду оборудования, по причине их неодновременного использования. Для корректного применения вышеприведенных данных очень важно иметь ясное представление о фактической неравномерности нагрузки оборудования. Как уже упоминалось, неравномерность загрузки в данном случае не имеет отношения к различиям между паспортной мощностью и измеренными тепловыделениями. Коэффициент неравномерности вводится в уравнение, если часть оборудования простаивает или отключается; соответствующая доля теплопоступлений не вносится в расчет общей холодильной нагрузки данного помещения или системы.
В течение рабочей недели проводились длительные измерения энергопотребления на электрощите, обслуживающем данное помещение. При этом тщательно контролировалось подключение к данному щиту именно исследуемого оборудования. Зарегистрированный максимум расхода энергии на щите соответствовал фактическому максимуму тепловыделений от оборудования в помещении. Отношение максимального расхода энергии на щите к сумме максимума мощности всех единиц оборудования представляет собой коэффициент неравномерности загрузки оборудования.
Было установлено, что коэффициент неравномерности находится в пределах 37–78 %. Средняя неравномерность (средневзвешенная по площади помещения) составляет 46 %. Рис. 1 иллюстрирует соотношение между паспортной мощностью, суммой максимальной мощности и фактическим максимумом с учетом коэффициента неравномерности. Указанный график заимствован из работы Wilkins и McGaffin; он основан на данных, усредненных по всем исследованным помещениям. Данные по коэффициентам неравномерности могут быть использованы для общего руководства, но в реальности эти коэффициенты сильно различаются. Например, коэффициент неравномерности загрузки оборудования для помещения операторов, принимающих заказы по телефону, будет отличаться от соответствующего коэффициента для офиса разъездных торговых агентов.
Таблица 6 Расчетные коэффициенты нагрузки помещений | |||||||||||||||
|
Удельная тепловая нагрузка помещения
Wilkins и McGaffin определили для исследованных помещений удельную тепловую нагрузку от 4,74 до
Таблица 7 Лучистая и конвективная составляющие тепловыделений | ||||||||||||||||||||||||||||
|
Соотношение лучистых и конвективных тепловыделений
Офисное оборудование выделяет теплоту лучистым и конвективным путем. Конвективные тепловыделения представляют собой прямую нагрузку на холодильное оборудование, в то время как лучистый тепловой поток вначале поглощается строительными конструкциями, а по прошествии некоторого времени тепло вновь отдается в помещение как составляющая тепловой нагрузки. Это различие может оказать влияние на время наступления пиковой нагрузки на охлаждение и на ее величину. Группа Hosni в 1998 году разработала методику измерения лучистых тепловыделений оборудования с использованием радиометра, укрепленного на рычаге с шарниром.
Группа Hosni в 1999 году обнаружила, что соотношение лучистой и конвективной составляющих тепловыделений практически одинаково для всех видов оборудования. Наиболее существенные различия определяются тем, использовался ли охлаждающий вентилятор. В табл. 7 представлены итоговые результаты исследований группы Hosni 1999 года.
Перспективы
Приведенные данные основаны на исследовании современного оборудования. Возникает законный вопрос о возможности их применения в будущем. Национальной лабораторией Беркли было проведено исследование перспектив энергопотребления оборудованием и был сделан вывод, что интенсивность энергопотребления будет снижаться до 2002 года, а затем медленно возрастать до 2010 года. В настоящее время видно, что этот прогноз подтвердился. Таким образом, представленные здесь данные, по-видимому, останутся актуальными еще в течение нескольких лет.
Выводы
Тепловыделения от оборудования вносят существенный вклад в тепловую нагрузку помещения. Информация, приведенная в данной статье, может стать полезным инструментом для инженеров, выполняющих расчеты нагрузок на холодильное оборудование или анализ энергопотребления. Мы также выражаем надежду, что изготовители оборудования осознают важность величины паспортной мощности для определения тепловых нагрузок и предпримут необходимые шаги для предоставления более реалистичной информации о потребляемой мощности.
Литература
1. Hosni M. H., Jones B. W., Sipes J. M., Xu Y. Test method for measuring the heat gain and radiant/convective split from equipment in buildings // Final Report for ASHRAE Research Project 822-RP. Institute for Environmental Research. Kansas State University. 1996. October.
2. Hosni M. H., Jones B. W., Xu H. Measurement of heat gain and radiant/convective split from equipment in buildings // Final Report for ASHRAE Research Project 1055-RP. Institute for Environmental Research. Kansas State University. 1999. March.
3. Wilkins C. K., McGaffin N. Measuring computer equipment loads in office buildings // ASHRAE Journal. 1994. № 36 (8). P. 21–24.
4. Komor P. Space cooling demands from
office plug loads // ASHRAE Journal. № 39 (12). 1997. P. 41–44.
5. Koomey J., Cramer M., Piette M., Eto J. Efficiency improvements in U.S. office equipment: expected policy impacts and uncertainties. LBNL. Berkeley, Calif. 1995. December.
Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.
- выше колена чуть ниже пупка дырка такая что влезет рука
- номер пикап такси минеральные воды