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    2018OEM 机械设计技术研讨会 菲尼克斯电气Radioline无线系统
    工业数据中心

    数据中心制冷解决方案之湿度篇

      2018年11月16日  

      空气的湿度有几种表示方式,其中比较常用的有:绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指每单位容积的湿空气所含水份的重量,一般用单位克/m3来表示;相对湿度表示空气湿度最常用的方式,指湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比,是指空气中含水量的相对值,一般用百分比来表示。我们还可以用两种温度值来表示湿度,分别是露点温度和湿球温度。

      ● 露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下,冷却到饱和时的温度。就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值,当空气中水汽已达到饱和时,气温与露点温度相同;当水汽未达到饱和时,气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中水汽距离饱和时的程度。气温降到露点以下是水汽凝结的必要条件。

      ● 湿球温度(绝热饱和温度)是指在绝热条件下,大量的水与有限的湿空气接触,水蒸发所需的潜热完全来自于湿空气温度降低所放出的显热,当系统中空气达饱和状态且系统达到热平衡时系统的温度。

      露点温度、湿球温度两个温度值均能体现空气的湿度,如果露点温度或湿球温度与空气干球温度的差值越小表明空气湿度值越大,空气越潮湿。反之,露点温度或湿球温度与空气干球温度的差值越大表明空气湿度越低,空气越干燥。

      不同的场合我们选用不同的湿度表示方式来表示空气湿度,数据中心内一般用露点温度、相对湿度来表示,数据中心外我们一般用相对湿度和湿球温度来表示空气湿度。在指定的空气干球温度的情况下,四种湿度表示方式绝对湿度、相对湿度、露点温度、湿球温度的值是对应的且是唯一的、可以相互换算的,因为它代表的空气湿度值相同,只是表示方式不同。

      数据中心的温度要求对数据中心制冷系统的运行影响非常大,数据中心湿度要求对数据中心制冷系统的运行的影响又是怎样的?本文从以下几个方面探讨数据中心湿度对数据中心制冷系统的运行的影响。

      01、数据中心湿度要求的变化

      GB 50174-2008《电子信息系统机房设计规范》要求:数据中心主机房和辅助区内的温度、相对湿度应满足电子信息设备的使用要求。该标准针对于数据中心主机房的温度、相对湿度提出了具体要求。GB 50174-2017《数据中心设计规范》要求:主机房和辅助区内的温度、露点温度和相对湿度应满足电子信息设备的使用要求。该标准针对于数据中心主机房的温度、露点温度和相对湿度提出了具体要求。新的标准在湿度方面的变化是:以露点温度作为主机房湿度的要求,用相对湿度来辅助对湿度提出要求。

      按GB 50174-2017新标准的主机房推荐的温度18℃~27℃取最大值27℃,推荐的湿度为露点温度5.5℃~15℃,同时相对湿度不大于60%,湿度取最小值露点温度5.5℃,折算为相对湿度,主机房的推荐的相对湿度范围为:26%~60%。与GB 50174-2008的湿度范围40%RH~55%RH相对更宽,湿度范围的放宽将对数据中心加湿和除湿所需能耗大大的降低。

      如果按GB 50174-2017新标准的主机房允许的湿度为相对湿度20%~80%,同时露点温度不大于17°C,允许的湿度范围更宽,允许更宽的湿度范围将对数据中心加湿和除湿所需能耗更大的降低。

      GB 50174-2008与GB 50174-2017温湿度对比

      GB 50174-2017《数据中心设计规范》对主机房温湿度的要求主要参考了ASHRAE TC9.9 《数据通信设备环境指南》的要求,与2008年版的TC9.9 《数据通信设备环境指南》的温湿度参数完全相同。

      2004和2008年版本ASHRAE TC9.9温湿度对比

      从GB 50174-2017《数据中心设计规范》温湿度要求与2008年版本ASHRAE TC9.9温湿度要求完全相同这个角度来看,GB 50174-2017《数据中心设计规范》关于温湿度要求的标准已经滞后约10年。

      02、数据中心的除湿

      当数据中心的空气湿度值大于推荐的露点温度15℃或相对湿度大于60%时,需要对数据中心的空气进行除湿,让数据中心空气的湿度值满足露点温度15℃且同时满足相对湿度不大于60%。

      数据中心的空气的除湿一般是通过机房空调进行制冷运行的方式进行空气除湿,只有当空调把空气的温度制冷到露点温度及以下,才能把空气中的水汽冷凝成水并排出机房。为了对空气进行除湿,就要求空调机组进行制冷的制冷剂或载冷剂的温度必须低于空气的露点温度才能进行除湿,低于空气露点的温度越多,除湿的能力越强。只有空调机组进行制冷的制冷剂或载冷剂的温度低于数据中心要求的露点温度时,最终数据中心的湿度才会可能满足数据中心湿度的要求。

      在数据中心主机房的各个位置点的温度、相对湿度均不相同,特别是冷通道与热通道的温度、相对湿度相差较大,但露点温度在整个主机房的范围内基本上是一致的,露点温度是一个更靠谱的湿度调节指标。主机房的环境温度、相对湿度和露点温度有推荐值和允许值,按推荐的参数值运行的机房,对电子信息设备在可靠性、能耗、使用性能、寿命等方面更有利。当电子信息设备对环境温度和相对湿度可以放宽要求时,主机房环境温度、相对湿度和露点温度可采用允许值进行运行。

      以下7个设计方案在数据中心的设计中均常出现,前5个设计方案在普通的数据中心较常应用,后2个设计方案多在采用高温服务器的需要更节能的数据中心得到应用,主要是为了更节能,放宽湿度要求到允许值内运行。

      当数据中心的IT负载较高时,达到数据中心设计的功率密度时,方案1~方案5的湿度值(露点温度、相对湿度)是可控的(是否可控还与空调机组的结构配置的选型有关),由于空调机组的供水温度低于数据中心设计的露点温度,机房空调有除湿的可能,数据中心的实际湿度可能达到设计的湿度(露点温度、相对湿度)。

      当数据中心的IT负载较低,数据中心运行的前期IT负载还非常少时,方案1~方案5的湿度值(露点温度、相对湿度)也可能达不到设计的湿度,实际运行的湿度值往往大于设计值,虽然空调机组的供水温度低于数据中心设计的露点温度,但由于制冷需求太小(机房负载太小),数据中心温度优先,制冷需求小会造成机房空调除湿能力降低,降湿能力依赖于制冷量的输出大小,当数据中心的实际湿度大于设计的湿度时,机房空调除湿能力不足,也会造成数据中心的湿度值偏高。这个是数据中心负载低时湿度偏高的原因。

      数据中心的IT负载不管高与低,方案6、方案7的湿度值(露点温度、相对湿度)也可能达不到设计的湿度,实际运行的湿度值往往大于设计值,空调机组的供水温度始终高于数据中心设计的露点温度,当数据中心的实际露点温度大于设计的露点温度时,机房空调没有可能降低至数据中心要求的露点温度。

      03、数据中心的除湿控制逻辑

      对于采用自带压缩机制冷的机房空调来说,当数据中心需要除湿时,可以通过改变降低制冷剂的温度来加大除湿量,更快的达到数据中心的湿度,有3种方式来实现机房空调降低制冷剂的温度:

      ● 第一种方式:关闭部分蒸发器盘管

      ● 第二种方式:降低机房空调送风量

      ● 第三种方式:电子膨胀阀调节制冷剂流量

      对于采用外部冷冻水冷源制冷的机房空调来说,当数据中心需要除湿时, 冷冻水供水温度是不变化的,只能通过加大冷冻水的流量和降低送风量,通过降低送风温度的方式来实现除湿。

      数据中心的机房空调的运行为了节能运行,运行模式一般是温度优先模式,首先满足温度的要求,机房空调标准配置有较小的辅助加热量来满足除湿需求(辅助加热量只对数据中心降低相对湿度有效,并不降低露点温度),当配置的较小的辅助加热量投入运行时,相对湿度还不能降到设计的相对湿度时,维持温度优先模式的运行方式。当数据中心IT负载较大时,可以等同于辅助加热量能提供较大时,可同时满足温度和湿度的要求。

      实验室、档案馆、博物馆、艺术馆、检测间等低热负荷的房间使用的恒温恒湿空调机组需要同时满足湿度、温度的要求,运行模式一般要求为湿度优先模式,这需要配置较大的加热量和空调机组配置较小的送风量(送风量较小时空调具有较大的除湿能力)来满足要求。如果用机房空调应用在实验室、档案馆、博物馆、艺术馆、检测间等低热负荷的房间进行恒温恒湿控制,机房空调配置较大的加热量运行不经济,机房空调的送风量较大除湿能力低,机房空调大送风量的运行噪声也较高。

      数据中心的除湿负荷主要来源于:新风、门窗进入、墙体、窗、地板、 天花板、人员。数据中心的除湿需消耗额外的制冷量,按每8kg/h的除湿量举例需额外消耗约5KW的制冷量,如果按综合平均EER=2.5的带压缩机的机房空调来计算,每8kg/h的除湿量举例需额外消耗约2KW的用电功率。

      04、数据中心的加湿

      在室外低温干燥时,数据中心的加湿负荷主要来源于:新风、门窗进入、墙体,、窗、地板、 天花板、机房空调。对于非全显热运行的机房空调,机房空调制冷运行时空调机组同时也在除湿,会加大数据中心的加湿负荷。

      数据中心常用的加湿方式有:红外加湿、电极加湿、电加热加湿、湿膜加湿。对于小型数据中心一般采用机房空调机组自带的加湿方式:红外加湿、电极加湿、电加热加湿,对于中大型数据中心一般采用更节能的独立的湿膜加湿器进行加湿。

      4种常用加湿方式比较:

      红外加湿、电极加湿、电加热加湿产生较高的水蒸汽温度,会把额外的热负荷带到数据中心机房中,增加了机房的热负荷,红外加湿还额外加热了部分空气,所以红外加湿运行功率最大,且有加热空气的功耗额外带到了数据中心机房内,红外加湿加湿增加机房的热负荷是最大的。湿膜加湿是等焓加湿过程,会降低空气的温度,不会增加机房的热负荷,相反还会除低机房的显热负荷,从加湿节能的角度看湿膜加湿运行成本最低,但湿膜加湿的采购成本最高。

      05、数据中心的湿度运行策略

      数据中心的除湿和加湿的运行时间越短,对数据中心的节能越有帮助,在数据中心需要除湿时,湿度控制在湿度要求的上限,在数据中心需要加湿时,湿度控制在湿度要求的下限,这样可以在满足湿度要求的条件下最大程度缩短除湿和加湿的时间来实现节能。

      由于湿膜加湿的方式运行节能,运行功率只有红外加湿或电极加湿约十分之一的运行功率,且加湿时不增加机房的热负荷,在大型数据中心的主机房基本都采用湿膜加湿的方式进行加湿,大型数据中心的辅助区域的机房一般还是采用机房空调自带的电极加湿或红外加湿方式进行加湿。

      对于冷冻水供水温度高于17℃的机房空调来看,机房空调本身没有能力对数据中心机房进行除湿来满足机房露点温度低于17℃(允许值)或达到更低的露点温度,对于这类数据中心需要配置额外的除湿设备来满足机房的湿度要求。

      数据中心湿度与静电有密切关系,湿度越低,静电风险越大,但在一个相对湿度20%以上的数据中心环境里,设备受静电影响的危险是很微小的。在低湿度环境中操作硬件设备或者更换硬件设备的时候,建议佩带防静电手腕带。

      06、室外环境湿度对数据中心的影响

      大型数据中心的制冷系统一般采用水冷冷冻水系统,室外采用冷却塔进行散热,冷却塔出水温度越低,制冷系统制冷效率就越高,冷却塔的出水温度与室外环境的湿球温度有关,一般冷却塔的出水温度高于湿球温度的值≧3℃,相同的干球温度,室外环境的湿度越低室外环境的湿球温度也越低,室外环境的湿度越高室外环境的湿球温度也越接近于干球温度,冷却塔的出水温度也就越高。由于室外环境湿度对湿球温度的影响,在夏天室外环境干球温度为40度时,冷却塔的出水温度也可低于室外干球温度,这需要消耗大量的水进行蒸发来降低冷却塔的出水温度。

      不同温度和相对湿度相对应的湿球温度值:

      还有一种节能的带辅助蒸发的空气对空气自然冷却制冷系统开始在国内规模应用,在室外环境干球温度较高但湿度满足要求的条件下,可以通过辅助蒸发的方式,也就是湿工况的运行方式,大大提高制冷系统的制冷效率。通过大量水的蒸发,降低环境温度,提高自然冷却的制冷量,延长了自然冷却的时间,并且水的蒸发在室外环境的空气侧,室外环境的水蒸发不影响数据中心室内侧的空气的湿度。

      以一套数据中心送风温度与室外空气干球温度的温差为6℃的空气对空气换热的制冷系统为例,在干工况运行时,如果数据中心按27℃送风推荐值计算,室外干球温度为21℃可实现完全自然冷却;如果数据中心按32℃送风允许值计算,室外干球温度为26℃可实现完全自然冷却。在湿工况运行时,可在更高的室外环境干球温度的条件下实现完全自然冷,室外环境的湿度越低,可在越高的室外环境干球温度条件实现完全自然冷却。

      总结

      数据中心内部的空气湿度要求范围的放宽,有效的湿度控制策略帮助数据中心制冷运行实现节能;也可有效利用数据中心室外的空气湿度延长自然冷却的时长并提高数据中心制冷系统的制冷效率,有效降低数据中心的运行费用。

    标签:施耐德电气 数据中心制冷解决方案我要反馈
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