Исследование теплопоступлений от ПЭВМ в помещение

В тепловом балансе помещений умственного труда с применением ПЭВМ компьютерная техника является одним из главных источников теплопоступлений. В справочной литературе [1] указано, что «…тепловыделения от оборудования принимаются в соответствии с технологическим заданием, а при отсутствии данных — 300 Вт от одной ПЭВМ». Анализ многочисленных проектов по вентиляции и кондиционированию офисных центров показывает, что технологического задания на тепловыделение от компьютерной техники проектировщикам не выдается. Специалисты, руководствуясь справочной литературой, тепловыделения от одной ПЭВМ принимают равными 300 Вт. Но так ли это на самом деле и к чему приводят неточные данные тепловыделений от ПЭВМ?

Существует несколько подходов к расчету тепловыделения в корпусе компьютера, но остановимся на четырех основных [2]. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

1. По паспортным значениям потребляемой узлами мощности. Это весьма приблизительная оценка, которая в реальной жизни почти никогда не выполняется, ведь не работают одновременно все узлы компьютера в пиковом режиме. Тем более производители постоянно модернизируют свои узлы, что приводит к изменению потребляемой ими мощности. Ориентировочные данные по тепловыделениям приведены в табл. 1. Из этой таблицы видно, что паспортные значения потребляемой мощности ПЭВМ имеют очень широкий диапазон.
2. Просто зайти на сайт, представляющий сервис для расчета тепловыделения (потребляемой мощности), выбрать нужные узлы и надеясь на современность их базы и правильность заложенных величин применить их результаты. Достоинство: не надо искать данные, они должны присутствовать в базах предлагаемых сервисов. Недостатки: базы не успевают за производителями узлов, часто они содержат недостоверные данные.
3. По потребляемой узлами мощности с учетом коэффициента тепловыделения и типовой загрузки узлов. Достоинство: более высокая точность. Недостатки: необходим большой объем информации или опыт, знание характеристик узлов, режимов работы ПК.

   Есть множество публикаций о том, как выполнить этот расчет, но до сих пор возникают вопросы при его выполнении. Это связано с тем, что не только мощность тепловыделения сложно найти у производителя, но и даже мощность, потребляемая интересующим нас узлом, не всегда известна. В работе [2] рассмотрены тепловыделения отдельных узлов системного блока с учетом коэффициентов тепловыделения и загрузки, а также приведена оценка тепловыделения компьютеров, условно разбитых на три группы по особенностям применения и потребности в ресурсах (табл. 2). В этой таблице даны тепловыделения для достаточно напряженной работы компьютера. Основными источниками тепловыделения являются материнская плата и расположенные на ней — процессор, видеокарта и память (в сумме более 50 % общего тепловыделения).

   В настоящее время установлено, что в паспортных данных офисного оборудования потребляемая мощность обычно завышена. В ходе работы [3] было установлено, что для офисного оборудования, паспортная мощность которого не превышает 1 кВт, тепловыделения составляют от 25 до 50 % [3].

4. По результатам экспериментальных измерений приборами потребляемой мощности и тестов компьютера. Достоинство: высокая точность величины для каждого типового режима работы. Недостатки: необходимость проведения специальных исследований и измерений.

В работе [4] приведены результаты тестирования по определению энергопотребления от девяти компьютеров различной мощности. Тестирование производилось в нескольких типичных состояниях: состояние покоя, состояние максимальной процессорной нагрузки, состояние максимальной нагрузки на систему целиком, работа в графическом редакторе, двухпроходное перекодирование HD MPEG-2 видеоролика, финальный рендеринг 3D-сцен в Autodesk 3ds max 2010 в разрешении 1920×1080.

В табл. 3 приведены усредненные значения энергопотребления полной системы (включающей материнскую плату, процессор, память, видеокарту, жесткий диск и процессорный «кулер» с вентилятором) при том или ином типе нагрузки на тестовые системы.

Следует отметить, что разные процессоры при разгоне до примерно одних и тех же пределов по частоте показывают совершенно разное энергопотребление. Казалось бы, в росте энергопотребления и тепловыделения при увеличении частоты процессора нет ничего удивительного. Известно, что эти величины связаны между собой пропорциональной зависимостью. Например, сегодня для «настольных» процессоров приняты несколько типовых значений тепловыделения под нагрузкой: 130 или 95 Вт для производительных моделей и 73 или 65 Вт — для общеупотребительных и бюджетных [4].

Анализируя вышеприведенные данные, можно сделать следующие выводы.

Полученные максимальные измеренные тепловыделения составляли от 52 до 70 Вт. При этом паспортное значение мощности составляло от 165 до 759 Вт. Тепловыделения от компьютера, работающего с монитором, определялись путем вычитания расчетного значения тепловыделений монитора из суммарно измеренной величины. Wilkins и McGaffin опубликовали данные исследования 12-ти компьютеров различных модификаций. Средние тепловыделения составляли 56 Вт, а средняя паспортная мощность — 391 Вт. Итак, средняя величина тепловыделений по 20-ти исследованным компьютерам равна 55,6 Вт.

Исследования [4] показывают, что среднее потребление компьютера составляет всего лишь около 150 Вт, то есть 300 Вт согласно [1] — величина тепловыделений с «хорошим» запасом.

Нами были выполнены экспериментальные исследования по определению величины теплопоступлений от ПЭВМ с применением прибора PCE-GA 70, который показан на рис. 1. Прибор позволяет проводить измерения параметров воздушной среды в помещении с помощью универсального зонда. Память прибора позволяет сохранять до 20 тыс. значений, передавать и обрабатывать их на компьютере с помощью специального программного обеспечения. Технические характеристики прибора PCE-GA 70 приведены в табл. 4. Замеры параметров микроклимата проводились в течение всего рабочего дня непосредственно у задней стенки системного блока в месте расположения вентилятора охлаждения блока питания (рис. 2).

Результаты исследования изобразим графически (рис. 3). По оси абсцисс откладываем время проведения замеров (τ_x30, с), по оси ординат — значения температуры удаляемого воздуха (t_у, °С). Выполнив аппроксимацию кривой ряда 1, выделенного синим цветом, получим y = 0,0023x + 41,05 — линейный ряд с R² = 0,7605, y = 0,6284 ln(x) + 38,418 — это логарифмический ряд с R² = 0,9109, y = –4e^–16x⁶ + 1e^–12x⁵ – 1e^–09x⁴ + 6e^–07x³ –  0,0002x² + 0,0288x + 39,682 — это полиномиальный ряд с R² = 0,9436, где R² — величина, характеризующая достоверность аппроксимации — чем ближе значение R2 к единице, тем надежнее линия тренда аппроксимирует конкретный исследуемый процесс. Величина R2 определяется следующим образом:

Видно, что наиболее близка к исследуемой кривой полинома (R² = 0,9436). Однако прямую у = 0,0023х + 41,05 с определенной степенью достоверности также можно применять для определения температуры удаляемого воздуха в любой момент времени х.

Расчет теплопоступлений от компьютера проводился по следующей формуле (приближенно):

Q_пов = α_пов(t_пов – t_в)F_пов, (1)

где Q_пов — теплопоступления от нагретой поверхности оборудования, Вт; α_пов — коэффициент сложного лучистоконвективного теплообмена, определяется по работе [5], α_пов = 10; t_пов — температура нагретой поверхности, принимаем t_{удал.возд} = 42 °С; tв — температура воздуха внутри помещения, принимаем tвозд = 25 °С; Fпов — площадь поверхности системного блока исследуемого компьютера, в среднем Fпов = 0,85 м².

Определим расчетную величину теплопоступления по формуле (1):

Q_пов = 10 × (42 – 25) × 0,85 = 144,5 Вт.

Например, при расчете теплопоступлений в офисных помещениях крупнейшая шведская вентиляционная компания Swegon ориентируется на значение 150 Вт на один компьютер [6]. Сравнивая вышеприведенные данные, можно сделать вывод, что результаты различных исследований по определению средней величины теплопоступлений от ПЭВМ идентичны. Итак, значение теплопоступлений от одного компьютера в офисном помещении следует принимать 150 Вт.

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.

Авторы также выражают 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.

Отметим, что также необходимо регламентировать выдачу технологического задания на теплопоступления от офисной техники при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха в помещениях умственного труда с применением ПЭВМ.

1. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: жилые здания со встроено-пристроенными помещениями общественного назначения, коттеджи. Справ. — М.: Пантори, 2003.
2. Интернет-ресурс: www.electrosad.ru.
3. Hosni M.H., Jones B.W., Sipes J.M., Xu Y. Test methods 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.
4. Артамонов О. Измерение энергопотребления компьютеров. — Интернет-ресурс: www.fcenter.ru.
5. Богословский В.Н., Новожилов В.И., Симаков Б.Д., Титов В.П. Отопление и вентиляция: Учеб. для ВУЗов. Ч. 2. Вентиляция / Под ред. В.Н. Богословского. — М.: Стройиздат, 1976.
6. 6. Интернет-ресурс: www.swegon.com/ru.