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數據中心制冷解決方案之濕度篇

來源:《UPS應用》雜志 作者:施耐德電氣IT事業部 王軍 更新時間:2019/4/16 15:22:14

摘要:數據中心的溫度要求對數據中心制冷系統的運行影響非常大,數據中心濕度要求對數據中心制冷系統的運行的影響又是怎樣的?本文從幾個方面探討了數據中心濕度對數據中心制冷系統運行的影響。

  數據中心的溫度要求對數據中心制冷系統的運行影響非常大,數據中心濕度要求對數據中心制冷系統的運行的影響又是怎樣的?本文從幾個方面探討了數據中心濕度對數據中心制冷系統運行的影響。

  空氣的濕度有幾種表示方式,其中比較常用的有:絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是指每單位容積的濕空氣所含水份的重量,一般用單位g/m3來表示;相對濕度為空氣濕度最常用的方式,指濕空氣的絕對濕度與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度之比,是指空氣中含水量的相對值,一般用百分比來表示。我們還可以用兩種溫度值來表示濕度,分別是露點溫度和濕球溫度。

  露點溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下,冷卻到飽和時的溫度,就是空氣中的水蒸氣變為露珠時候的溫度。露點溫度本是個溫度值,當空氣中水汽已達到飽和時,氣溫與露點溫度相同;當水汽未達到飽和時,氣溫一定高于露點溫度。所以露點與氣溫的差值可以表示空氣中水汽距離飽和時的程度。氣溫降到露點以下是水汽凝

  結的必要條件。

  濕球溫度(絕熱飽和溫度)是指在絕熱條件下,大量的水與有限的濕空氣接觸,水蒸發所需的潛熱完全來自于濕空氣溫度降低所放出的顯熱,當系統中空氣達飽和狀態且系統達到熱平衡時系統的溫度。

  數據中心外我們一般用相對濕度和濕球溫度來表示空氣濕度。在指定的空氣干球溫度的情況下,四種濕度表示方式的值是對應的且是唯一的、可以相互換算的,因為它代表的空氣濕度值相同,只是表示方式不同。

  本文從以下幾個方面探討數據中心濕度對數據中心制冷系統的運行的影響。

  1 數據中心濕度要求的變化

  GB50174-2008《電子信息系統機房設計規范》要求:數據中心主機房和輔助區內的溫度、相對濕度應滿足電子信息設備的使用要求。該標準針對于數據中心主機房的溫度、相對濕度提出了具體要求。GB50174-2017《數據中心設計規范》要求:主機房和輔助區內的溫度、露點溫度和相對濕度應滿足電子信息設備的使用要求。該標準針對于數據中心主機房的溫度、露點溫度和相對濕度提出了具體要求。新的標準在濕度方面的變化是:以露點溫度作為主機房濕度的要求,用相對濕度來輔助對濕度提出要求。

  按GB50174-2017新標準的主機房推薦的溫度18~27℃取最大值27℃,推薦的濕度為露點溫度5.5~15℃,同時相對濕度不大于60%,濕度取最小值露點溫度5.5℃,折算為相對濕度,主機房的推薦的相對濕度范圍為:26%~60%。與GB50174-2008的濕度范圍40%RH~55%RH相對更寬,濕度范圍的放寬將對數據中心加濕和除濕所需能耗大大的降低。

  如果按GB50174-2017新標準的主機房允許的濕度為相對濕度20%~80%,同時露點溫度不大于17℃,允許的濕度范圍更寬,允許更寬的濕度范圍將對數據中心加濕和除濕所需能耗更大的降低。

  表1為GB50174-2008和GB50174-2017溫濕度對比。

  GB50174-2017《數據中心設計規范》對主機房溫濕度的要求主要參考了ASHRAETC9.9《數據通信設備環境指南》的要求,與2008年版的TC9.9《數據通信設備環境指南》的溫濕度參數完全相同。

  表2為2004和2008年版本ASHRAETC9.9溫濕度對比。

  從GB50174-2017《數據中心設計規范》溫濕度要求與2008年版本ASHRAETC9.9溫濕度要求完全相同這個角度來看,GB50174-2017《數據中心設計規范》關于溫濕度要求的標準已經滯后約10年。

  2 數據中心的除濕

  當數據中心的空氣濕度值大于推薦的露點溫度15℃或相對濕度大于60%時,需要對數據中心的空氣進行除濕,讓數據中心空氣的濕度值滿足露點溫度15℃且同時滿足相對濕度不大于60%。

  數據中心一般是通過機房空調進行制冷運行的方式進行空氣除濕,只有當空調把空氣的溫度制冷到露點溫度及以下,才能把空氣中的水汽冷凝成水并排出機房。為了對空氣進行除濕,就要求空調機組進行制冷的制冷劑或載冷劑的溫度必須低于空氣的露點溫度才能進行除濕,低于空氣露點的溫度越多,除濕的能力越強,數據中心的濕度才會可能滿足數據中心濕度的要求。

  在數據中心主機房的各個位置點的溫度、相對濕度均不相同,特別是冷通道與熱通道的溫度、相對濕度相差較大,但露點溫度在整個主機房的范圍內基本上是一致的,露點溫度是一個更靠譜的濕度調節指標。主機房的環境溫度、相對濕度和露點溫度有推薦值和允許值,按推薦的參數值運行的機房,對電子信息設備在可靠性、能耗、使用性能、壽命等方面更有利。當電子信息設備對環境溫度和相對濕度可以放寬要求時,主機房環境溫度、相對濕度和露點溫度可采用允許值進行運行。

  表3中所給出的7個設計方案在數據中心的設計中均常出現,前5個設計方案在普通的數據中心較常應用,后2個設計方案多在采用高溫服務器的需要更節能的數據中心得到應用,主要是為了更節能,放寬濕度要求到允許值內運行。


  當數據中心的IT負載較高時,達到數據中心設計的功率密度時,方案1~方案5的濕度值(露點溫度、相對濕度)是可控的(是否可控還與空調機組的結構配置的選型有關),由于空調機組的供水溫度低于數據中心設計的露點溫度,機房空調有除濕的可能,數據中心的實際濕度可能達到設計的濕度(露點溫度、相對濕度)。

  當數據中心的IT負載較低,數據中心運行的前期IT負載還非常少時,方案1~方案5的濕度值(露點溫度、相對濕度)也可能達不到設計的濕度,實際運行的濕度值往往大于設計值,雖然空調機組的供水溫度低于數據中心設計的露點溫度,但由于制冷需求太小(機房負載太小),數據中心溫度優先,制冷需求小會造成機房空調除濕能力降低,降濕能力依賴于制冷量的輸出大小,當數據中心的實際濕度大于設計的濕度時,機房空調除濕能力不足,也會造成數據中心的濕度值偏高。這個是數據中心負載低時濕度偏高的原因。

  數據中心的IT負載不管高與低,方案6、方案7的濕度值(露點溫度、相對濕度)也可能達不到設計的濕度,實際運行的濕度值往往大于設計值,空調機組的供水溫度始終高于數據中心設計的露點溫度,當數據中心的實際露點溫度大于設計的露點溫度時,機房空調沒有可能降低至數據中心要求的露點溫度。

  3 數據中心的除濕控制邏輯

  對于采用自帶壓縮機制冷的機房空調來說,當數據中心需要除濕時,可以通過改變降低制冷劑的溫度來加大除濕量,更快的達到數據中心的濕度,以下3種方式可用來實現機房空調降低制冷劑的溫度:

  ①第一種方式:關閉部分蒸發器盤管;

  ②第二種方式:降低機房空調送風量;

  ③第三種方式:電子膨脹閥調節制冷劑流量。

  對于采用外部冷凍水冷源制冷的機房空調來說,當數據中心需要除濕時,冷凍水供水溫度是不變化的,只能通過加大冷凍水的流量和降低送風量,通過降低送風溫度的方式來實現除濕。數據中心的機房空調的運行為了節能運行,運行模式一般是溫度優先模式,首先滿足溫度的要求,機房空調標準配置有較小的輔助加熱量來滿足除濕需求(輔助加熱量只對數據中心降低相對濕度有效,并不降低露點溫度),當配置較小的輔助加熱量投入運行時,相對濕度還不能降到設計的相對濕度時,維持溫度優先模式的運行方式。當數據中心IT負載較大時,可以等同于輔助加熱量能提供較大時,可同時滿足溫度和濕度的要求。

  實驗室、檔案館、博物館、藝術館、檢測間等低熱負荷的房間使用的恒溫恒濕空調機組需要同時滿足濕度、溫度的要求,運行模式一般要求為濕度優先模式,這需要配置較大的加熱量和空調機組配置較小的送風量(送風量較小時空調具有較大的除濕能力)來滿足要求。如果將機房空調應用在實驗室、檔案館、博物館、藝術館、檢測間等低熱負荷的房間進行恒溫恒濕控制,機房空調配置較大的加熱量運行不經濟,機房空調的送風量較大除濕能力低,機房空調大送風量的運行噪聲也較高。

  數據中心的除濕負荷主要來源于新風、門窗進入、墻體、窗、地板、天花板、人員。數據中心的除濕需消耗額外的制冷量,按每8kg/h的除濕量舉例,需額外消耗約5kW的制冷量,如果按綜合平均EER值=2.5的帶壓縮機的機房空調來計算,每8kg/h的除濕量舉例,需額外消耗約2kW的用電功率。

  4 數據中心的加濕

  在室外低溫干燥時,數據中心的加濕負荷主要來源于:新風、門窗進入、墻體、窗、地板、天花板、機房空調。對于非全顯熱運行的機房空調,機房空調制冷運行時空調機組同時也在除濕,會加大數據中心的加濕負荷。

  數據中心常用的加濕方式有:紅外加濕、電極加濕、電加熱加濕、濕膜加濕。對于小型數據中心一般采用機房空調機組自帶的加濕方式:紅外加濕、電極加濕、電加熱加濕,對于中大型數據中心一般采用更節能的獨立的濕膜加濕器進行加濕。

  表4給出了四種常用加濕方式比較。


  紅外加濕、電極加濕、電加熱加濕產生較高的水蒸汽溫度,會把額外的熱負荷帶到數據中心機房中,增加了機房的熱負荷,紅外加濕還額外加熱了部分空氣,所以紅外加濕運行功率最大,且有加熱空氣的功耗額外帶到了數據中心機房內,紅外加濕加濕增加機房的熱負荷是最大的。濕膜加濕是等焓加濕過程,會降低空氣的溫度,不會增加機房的熱負荷,相反還會除低機房的顯熱負荷,從加濕節能的角度看濕膜加濕運行成本最低,但濕膜加濕的采購成本最高。

  5 數據中心的濕度運行策略

  數據中心的除濕和加濕的運行時間越短,對數據中心的節能越有幫助,在數據中心需要除濕時,濕度控制在濕度要求的上限,在數據中心需要加濕時,濕度控制在濕度要求的下限,這樣可以在滿足濕度要求的條件下最大程度縮短除濕和加濕的時間來實現節能。

  由于濕膜加濕的方式運行節能,運行功率只有紅外加濕或電極加濕約十分之一的運行功率,且加濕時不增加機房的熱負荷,在大型數據中心的主機房基本都采用濕膜加濕的方式進行加濕,大型數據中心的輔助區域的機房一般還是采用機房空調自帶的電極加濕或紅外加濕方式進行加濕。

  對于冷凍水供水溫度高于17℃的機房空調來看,機房空調本身沒有能力對數據中心機房進行除濕來滿足機房露點溫度低于17℃(允許值)或達到更低的露點溫度,對于這類數據中心需要配置額外的除濕設備來滿足機房的濕度要求。

  數據中心濕度與靜電有密切關系,濕度越低,靜電風險越大,但在一個相對濕度20%以上的數據中心環境里,設備受靜電影響的危險是很微小的。在低濕度環境中操作硬件設備或者更換硬件設備的時候,建議佩帶防靜電手腕帶。

  6 室外環境濕度對數據中心的影響

  大型數據中心的制冷系統一般采用水冷冷凍水系統,室外采用冷卻塔進行散熱,冷卻塔出水溫度越低,制冷系統制冷效率就越高,冷卻塔的出水溫度與室外環境的濕球溫度有關,一般冷卻塔的出水溫度高于濕球溫度的值≥3℃,相同的干球溫度,室外環境的濕度越低室外環境的濕球溫度也越低,室外環境的濕度越高室外環境的濕球溫度也越接近于干球溫度,冷卻塔的出水溫度也就越高。由于室外環境濕度對濕球溫度的影響,在夏天室外環境干球溫度為40度時,冷卻塔的出水溫度也可低于室外干球溫度,這需要消耗大量的水進行蒸發來降低冷卻塔的出水溫度。表5給出了不同溫度和相對濕度相對應的濕球溫度值。

  還有一種節能的帶輔助蒸發的空氣對空氣自然冷卻制冷系統開始在國內規模應用,在室外環境干球溫度較高但濕度滿足要求的條件下,可以通過輔助蒸發的方式,也就是濕工況的運行方式,大大提高制冷系統的制冷效率。通過大量水的蒸發,降低環境溫度,提高自然冷卻的制冷量,延長了自然冷卻的時間,并且水的蒸發在室外環境的空氣側,室外環境的水蒸發不影響數據中心室內側的空氣的濕度。圖1所示為無水輔助蒸發和有水輔助蒸發兩種工況示意圖。

  以一套數據中心送風溫度與室外空氣干球溫度的溫差為6℃的空氣對空氣換熱的制冷系統為例,在干工況運行時,如果數據中心按27℃送風推薦值計算,室外干球溫度為21℃可實現完全自然冷卻;如果數據中心按32℃送風允許值計算,室外干球溫度為26℃可實現完全自然冷卻。在濕工況運行時,可在更高的室外環境干球溫度的條件下實現完全自然冷,室外環境的濕度越低,可在越高的室外環境干球溫度條件實現完全自然冷卻。

  7 結束語

  數據中心內部的空氣濕度要求范圍的放寬,有效的濕度控制策略幫助數據中心制冷運行實現節能;也可有效利用據中心室外的空氣濕度延長自然冷卻的時長并提高數據中心制冷系統的制冷效率,有效降低數據中心的運行費用。

  (施耐德電氣信息技術《大施專欄》推薦)

  作者簡介

  王軍,施耐德電氣IT事業部華東區技術支持經理。具有多年的空調系統研發經驗,現專業方向為數據中心制冷解決方案,積累了較豐富的數據中心制冷解決方案經驗,參與了眾多的高性能計算機的制冷解決方案項目和大型數據中心的制冷解決方案項目。

  責任編輯:DJ編輯

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