數(shù)據(jù)中心的溫度要求對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運行影響非常大,數(shù)據(jù)中心濕度要求對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運行的影響又是怎樣的?本文從幾個方面探討了數(shù)據(jù)中心濕度對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)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(dá)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?yōu)槁吨闀r候的溫度。露點溫度本是個溫度值,當(dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時,氣溫與露點溫度相同;當(dāng)水汽未達(dá)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(jié)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(fā)所需的潛熱完全來自于濕空氣溫度降低所放出的顯熱,當(dāng)系統(tǒng)中空氣達(dá)飽和狀態(tài)且系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時系統(tǒng)的溫度。

　　數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)據(jù)中心濕度對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運行的影響。

　　1 數(shù)據(jù)中心濕度要求的變化

　　GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》要求:數(shù)據(jù)中心主機(jī)房和輔助區(qū)內(nèi)的溫度、相對濕度應(yīng)滿足電子信息設(shè)備的使用要求。該標(biāo)準(zhǔn)針對于數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的溫度、相對濕度提出了具體要求。GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》要求:主機(jī)房和輔助區(qū)內(nèi)的溫度、露點溫度和相對濕度應(yīng)滿足電子信息設(shè)備的使用要求。該標(biāo)準(zhǔn)針對于數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的溫度、露點溫度和相對濕度提出了具體要求。新的標(biāo)準(zhǔn)在濕度方面的變化是:以露點溫度作為主機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)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(jī)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(shù)據(jù)中心加濕和除濕所需能耗大大的降低。

　　如果按GB50174-2017新標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》對主機(jī)房溫濕度的要求主要參考了ASHRAETC9.9《數(shù)據(jù)通信設(shè)備環(huán)境指南》的要求,與2008年版的TC9.9《數(shù)據(jù)通信設(shè)備環(huán)境指南》的溫濕度參數(shù)完全相同。

　　表2為2004和2008年版本ASHRAETC9.9溫濕度對比。

　　從GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)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(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》關(guān)于溫濕度要求的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)滯后約10年。

　　2 數(shù)據(jù)中心的除濕

　　當(dāng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心的空氣進(jìn)行除濕,讓數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心一般是通過機(jī)房空調(diào)進(jìn)行制冷運行的方式進(jìn)行空氣除濕,只有當(dāng)空調(diào)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(jī)房。為了對空氣進(jìn)行除濕,就要求空調(diào)機(jī)組進(jìn)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(jìn)行除濕,低于空氣露點的溫度越多,除濕的能力越強(qiáng),數(shù)據(jù)中心的濕度才會可能滿足數(shù)據(jù)中心濕度的要求。

　　在數(shù)據(jù)中心主機(jī)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(jī)房的范圍內(nèi)基本上是一致的,露點溫度是一個更靠譜的濕度調(diào)節(jié)指標(biāo)。主機(jī)房的環(huán)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(shù)值運行的機(jī)房,對電子信息設(shè)備在可靠性、能耗、使用性能、壽命等方面更有利。當(dāng)電子信息設(shè)備對環(huán)境溫度和相對濕度可以放寬要求時,主機(jī)房環(huán)境溫度、相對濕度和露點溫度可采用允許值進(jìn)行運行。

　　表3中所給出的7個設(shè)計方案在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計中均常出現(xiàn),前5個設(shè)計方案在普通的數(shù)據(jù)中心較常應(yīng)用,后2個設(shè)計方案多在采用高溫服務(wù)器的需要更節(jié)能的數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用,主要是為了更節(jié)能,放寬濕度要求到允許值內(nèi)運行。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載較高時,達(dá)到數(shù)據(jù)中心設(shè)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(diào)機(jī)組的結(jié)構(gòu)配置的選型有關(guān)),由于空調(diào)機(jī)組的供水溫度低于數(shù)據(jù)中心設(shè)計的露點溫度,機(jī)房空調(diào)有除濕的可能,數(shù)據(jù)中心的實際濕度可能達(dá)到設(shè)計的濕度(露點溫度、相對濕度)。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載較低,數(shù)據(jù)中心運行的前期IT負(fù)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(dá)不到設(shè)計的濕度,實際運行的濕度值往往大于設(shè)計值,雖然空調(diào)機(jī)組的供水溫度低于數(shù)據(jù)中心設(shè)計的露點溫度,但由于制冷需求太小(機(jī)房負(fù)載太小),數(shù)據(jù)中心溫度優(yōu)先,制冷需求小會造成機(jī)房空調(diào)除濕能力降低,降濕能力依賴于制冷量的輸出大小,當(dāng)數(shù)據(jù)中心的實際濕度大于設(shè)計的濕度時,機(jī)房空調(diào)除濕能力不足,也會造成數(shù)據(jù)中心的濕度值偏高。這個是數(shù)據(jù)中心負(fù)載低時濕度偏高的原因。

　　數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)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(dá)不到設(shè)計的濕度,實際運行的濕度值往往大于設(shè)計值,空調(diào)機(jī)組的供水溫度始終高于數(shù)據(jù)中心設(shè)計的露點溫度,當(dāng)數(shù)據(jù)中心的實際露點溫度大于設(shè)計的露點溫度時,機(jī)房空調(diào)沒有可能降低至數(shù)據(jù)中心要求的露點溫度。

　　3 數(shù)據(jù)中心的除濕控制邏輯

　　對于采用自帶壓縮機(jī)制冷的機(jī)房空調(diào)來說,當(dāng)數(shù)據(jù)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(dá)到數(shù)據(jù)中心的濕度,以下3種方式可用來實現(xiàn)機(jī)房空調(diào)降低制冷劑的溫度:

　�、俚谝环N方式:關(guān)閉部分蒸發(fā)器盤管;

　�、诘诙�種方式:降低機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量;

　�、鄣谌�種方式:電子膨脹閥調(diào)節(jié)制冷劑流量。

　　對于采用外部冷凍水冷源制冷的機(jī)房空調(diào)來說,當(dāng)數(shù)據(jù)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(fēng)量,通過降低送風(fēng)溫度的方式來實現(xiàn)除濕。數(shù)據(jù)中心的機(jī)房空調(diào)的運行為了節(jié)能運行,運行模式一般是溫度優(yōu)先模式,首先滿足溫度的要求,機(jī)房空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)中心降低相對濕度有效,并不降低露點溫度),當(dāng)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(shè)計的相對濕度時,維持溫度優(yōu)先模式的運行方式。當(dāng)數(shù)據(jù)中心IT負(fù)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(shù)館、檢測間等低熱負(fù)荷的房間使用的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)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(yōu)先模式,這需要配置較大的加熱量和空調(diào)機(jī)組配置較小的送風(fēng)量(送風(fēng)量較小時空調(diào)具有較大的除濕能力)來滿足要求。如果將機(jī)房空調(diào)應(yīng)用在實驗室、檔案館、博物館、藝術(shù)館、檢測間等低熱負(fù)荷的房間進(jìn)行恒溫恒濕控制,機(jī)房空調(diào)配置較大的加熱量運行不經(jīng)濟(jì),機(jī)房空調(diào)的送風(fēng)量較大除濕能力低,機(jī)房空調(diào)大送風(fēng)量的運行噪聲也較高。

　　數(shù)據(jù)中心的除濕負(fù)荷主要來源于新風(fēng)、門窗進(jìn)入、墻體、窗、地板、天花板、人員。數(shù)據(jù)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(jī)的機(jī)房空調(diào)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(shù)據(jù)中心的加濕

　　在室外低溫干燥時,數(shù)據(jù)中心的加濕負(fù)荷主要來源于:新風(fēng)、門窗進(jìn)入、墻體、窗、地板、天花板、機(jī)房空調(diào)。對于非全顯熱運行的機(jī)房空調(diào),機(jī)房空調(diào)制冷運行時空調(diào)機(jī)組同時也在除濕,會加大數(shù)據(jù)中心的加濕負(fù)荷。

　　數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心一般采用機(jī)房空調(diào)機(jī)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(shù)據(jù)中心一般采用更節(jié)能的獨立的濕膜加濕器進(jìn)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(chǎn)生較高的水蒸汽溫度,會把額外的熱負(fù)荷帶到數(shù)據(jù)中心機(jī)房中,增加了機(jī)房的熱負(fù)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(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi),紅外加濕加濕增加機(jī)房的熱負(fù)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(jī)房的熱負(fù)荷,相反還會除低機(jī)房的顯熱負(fù)荷,從加濕節(jié)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(shù)據(jù)中心的濕度運行策略

　　數(shù)據(jù)中心的除濕和加濕的運行時間越短,對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能越有幫助,在數(shù)據(jù)中心需要除濕時,濕度控制在濕度要求的上限,在數(shù)據(jù)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(xiàn)節(jié)能。

　　由于濕膜加濕的方式運行節(jié)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(jī)房的熱負(fù)荷,在大型數(shù)據(jù)中心的主機(jī)房基本都采用濕膜加濕的方式進(jìn)行加濕,大型數(shù)據(jù)中心的輔助區(qū)域的機(jī)房一般還是采用機(jī)房空調(diào)自帶的電極加濕或紅外加濕方式進(jìn)行加濕。

　　對于冷凍水供水溫度高于17℃的機(jī)房空調(diào)來看,機(jī)房空調(diào)本身沒有能力對數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行除濕來滿足機(jī)房露點溫度低于17℃(允許值)或達(dá)到更低的露點溫度,對于這類數(shù)據(jù)中心需要配置額外的除濕設(shè)備來滿足機(jī)房的濕度要求。

　　數(shù)據(jù)中心濕度與靜電有密切關(guān)系,濕度越低,靜電風(fēng)險越大,但在一個相對濕度20%以上的數(shù)據(jù)中心環(huán)境里,設(shè)備受靜電影響的危險是很微小的。在低濕度環(huán)境中操作硬件設(shè)備或者更換硬件設(shè)備的時候,建議佩帶防靜電手腕帶。

　　6 室外環(huán)境濕度對數(shù)據(jù)中心的影響

　　大型數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)一般采用水冷冷凍水系統(tǒng),室外采用冷卻塔進(jìn)行散熱,冷卻塔出水溫度越低,制冷系統(tǒng)制冷效率就越高,冷卻塔的出水溫度與室外環(huán)境的濕球溫度有關(guān),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(huán)境的濕度越低室外環(huán)境的濕球溫度也越低,室外環(huán)境的濕度越高室外環(huán)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(huán)境濕度對濕球溫度的影響,在夏天室外環(huán)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(jìn)行蒸發(fā)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(yīng)的濕球溫度值。

　　還有一種節(jié)能的帶輔助蒸發(fā)的空氣對空氣自然冷卻制冷系統(tǒng)開始在國內(nèi)規(guī)模應(yīng)用,在室外環(huán)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(fā)的方式,也就是濕工況的運行方式,大大提高制冷系統(tǒng)的制冷效率。通過大量水的蒸發(fā),降低環(huán)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(fā)在室外環(huán)境的空氣側(cè),室外環(huán)境的水蒸發(fā)不影響數(shù)據(jù)中心室內(nèi)側(cè)的空氣的濕度。圖1所示為無水輔助蒸發(fā)和有水輔助蒸發(fā)兩種工況示意圖。

　　以一套數(shù)據(jù)中心送風(fēng)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(tǒng)為例,在干工況運行時,如果數(shù)據(jù)中心按27℃送風(fēng)推薦值計算,室外干球溫度為21℃可實現(xiàn)完全自然冷卻;如果數(shù)據(jù)中心按32℃送風(fēng)允許值計算,室外干球溫度為26℃可實現(xiàn)完全自然冷卻。在濕工況運行時,可在更高的室外環(huán)境干球溫度的條件下實現(xiàn)完全自然冷,室外環(huán)境的濕度越低,可在越高的室外環(huán)境干球溫度條件實現(xiàn)完全自然冷卻。

　　7 結(jié)束語

　　數(shù)據(jù)中心內(nèi)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(shù)據(jù)中心制冷運行實現(xiàn)節(jié)能;也可有效利用據(jù)中心室外的空氣濕度延長自然冷卻的時長并提高數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的制冷效率,有效降低數(shù)據(jù)中心的運行費用。

　　(施耐德電氣信息技術(shù)《大施專欄》推薦)

　　作者簡介

　　王軍,施耐德電氣IT事業(yè)部華東區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理。具有多年的空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗,現(xiàn)專業(yè)方向為數(shù)據(jù)中心制冷解決方案,積累了較豐富的數(shù)據(jù)中心制冷解決方案經(jīng)驗,參與了眾多的高性能計算機(jī)的制冷解決方案項目和大型數(shù)據(jù)中心的制冷解決方案項目。