113 專技高考高等考試 冷凍空調工程技師 空調工程與設計 考古題詳解

核心觀念

本題考資料中心空調的規劃型式，以及衡量資料中心能源效率的指標 PUE。作答時，先以氣流組織方式分類空調型式，再說明各型式的送、回風路徑；最後寫出 PUE 定義與公式。

解題方法：資料中心空調規劃型式

資料中心空調的基本設計目標，是將冷風有效送至伺服器進風側，並避免冷熱氣流混合。常見規劃型式如下。

1. 周邊空調型

俯視圖（機房平面）

┌────────────────────────┐
│ 空調箱 → 冷風沿機房周邊送入 │
│ ┌────機櫃列────┐ │
│ │ 伺服器機櫃 │ │
│ └─────────────┘ │
│ 熱風回至周邊空調箱 │
└────────────────────────┘

空調箱設於機房周邊，冷風由周邊送出並流經機櫃，再將熱風回至空調箱。此型式配置直觀、施工簡單，適合規模較小或熱負荷較低的機房；機房擴大或機櫃熱密度提高時，較難均勻供冷，且容易發生冷熱氣流混合。

2. 高架地板下送風型

剖面示意

 熱通道／熱風回流
 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
 [伺服器機櫃] [伺服器機櫃]
 ↑冷風 ↑冷風
──────穿孔地板──────
 高架地板下方為送風靜壓箱
 ← 冷風由空調箱送入

空調箱將冷風送入高架地板下方的靜壓箱，再經穿孔地板或送風口送至機櫃前方；伺服器排出的熱風則在機房上方或熱通道回流至空調箱。此型式常搭配冷、熱通道排列，使機櫃進風面朝向冷通道、排風面朝向熱通道。設計時須注意地板下風量分配、地板靜壓、穿孔板位置及電纜阻塞等因素。

3. 架高地板上方送風或頂部送風型

剖面示意

 空調箱／風管
 ↓冷風
 [送風口]
 ↓
 冷通道 → 機櫃進風面
 [機櫃] [機櫃]
 熱風 → 熱通道
 ↑回風至空調箱

冷風由頂部風管、天花板送風口或機櫃上方送至冷通道，再由伺服器吸入；熱風從機櫃排出後回到空調箱。此型式可用於沒有高架地板的機房，但須妥善規劃送風口位置、風量與回風路徑，以免送風短路或造成機櫃間溫度不均。

4. 列間空調型

核心觀念

本題考離心風機的出口速度壓、靜壓功率與效率，以及風機相似律。

風機出口平均風速為 $V=Q/A$，出口速度壓為：

風機總壓為靜壓與速度壓之和：

靜壓功率是風量乘以風機出口靜壓；靜壓效率與總壓效率則分別以靜壓功率、總壓功率除以軸功率計算：

風機轉速改變且假設風機幾何尺寸不變、運轉條件相似時，風機相似律為：

解題方法

（一）靜壓功率、靜壓效率、總壓效率

先由風量與出口面積求出口風速：

再計算出口速度壓：

因此風機總壓為：

靜壓功率為：

以軸功率 $0.52\ \mathrm{kW}$ 計算靜壓效率：

總壓功率為：

核心觀念

本題使用 Darcy–Weisbach 公式計算直管沿程摩擦壓降，再依流體輸送所需功率與水泵效率計算泵浦輸入動力。

已知摩擦因子 $f=0.021$，依 Darcy–Weisbach 公式採用下式：

其中 $L$ 為管長、$D$ 為管內徑、$\rho$ 為水密度、$V$ 為平均流速。水泵效率 $\eta$ 定義為水力輸出功率與泵浦輸入功率之比：

解題方法

先將流量換成 SI 制單位，利用管截面積求平均流速，再代入 Darcy–Weisbach 公式計算壓降。第二小題以壓降乘體積流量求水力功率，除以泵浦效率得到所需輸入動力。

（一）管路壓降

流量與管徑換算為：

管截面積為：

平均流速：

核心觀念

本題考查濕空氣的濕度比、乾空氣與水蒸汽質量，以及冷卻除濕時的水分質量平衡。將空氣視為理想氣體，水蒸汽分壓由相對濕度求得；冷卻至 $5^\circ\mathrm{C}$ 後，空氣達飽和，剩餘水蒸汽量由該溫度的飽和蒸汽壓計算。

解題方法

壓力 $0.1\ \mathrm{MPa}=100\ \mathrm{kPa}$。依附表線性內插：

初始水蒸汽分壓為：

（一）濕度比

濕度比定義為每公斤乾空氣所含的水蒸汽質量：

（二）乾空氣質量與水蒸汽質量

乾空氣分壓為 $P_{da}=P-p_v=96.0597\ \mathrm{kPa}$。以理想氣體方程式計算乾空氣質量：

其中 $R_{da}=0.287\ \mathrm{kPa\cdot m^3/(kg\cdot K)}$。因此初始水蒸汽質量為：