數(shù)據(jù)中心的溫度要求對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運(yùn)行影響非常大,數(shù)據(jù)中心濕度要求對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運(yùn)行的影響又是怎樣的?本文從幾個(gè)方面探討了數(shù)據(jù)中心濕度對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)運(yùn)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(duì)濕度和相對(duì)濕度。絕對(duì)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(lái)表示;相對(duì)濕度為空氣濕度最常用的方式,指濕空氣的絕對(duì)濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對(duì)濕度之比,是指空氣中含水量的相對(duì)值,一般用百分比來(lái)表示。我們還可以用兩種溫度值來(lái)表示濕度,分別是露點(diǎn)溫度和濕球溫度。

　　露點(diǎn)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(shí)的溫度,就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度。露點(diǎn)溫度本是個(gè)溫度值,當(dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí),氣溫與露點(diǎn)溫度相同;當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí),氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中水汽距離飽和時(shí)的程度。氣溫降到露點(diǎn)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(lái)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(shí)系統(tǒng)的溫度。

　　數(shù)據(jù)中心外我們一般用相對(duì)濕度和濕球溫度來(lái)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(duì)應(yīng)的且是唯一的、可以相互換算的,因?yàn)樗�代表的空氣濕度值相�?只是表示方式不同。

　　本文從以下幾個(gè)方面探討數(shù)據(jù)中心濕度對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運(yùn)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(jì)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(duì)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(duì)于數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的溫度、相對(duì)濕度提出了具體要求。GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》要求:主機(jī)房和輔助區(qū)內(nèi)的溫度、露點(diǎn)溫度和相對(duì)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(duì)于數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的溫度、露點(diǎn)溫度和相對(duì)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(diǎn)溫度作為主機(jī)房濕度的要求,用相對(duì)濕度來(lái)輔助對(duì)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(diǎn)溫度5.5～15℃,同時(shí)相對(duì)濕度不大于60%,濕度取最小值露點(diǎn)溫度5.5℃,折算為相對(duì)濕度,主機(jī)房的推薦的相對(duì)濕度范圍為:26%～60%。與GB50174-2008的濕度范圍40%RH～55%RH相對(duì)更寬,濕度范圍的放寬將對(duì)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(duì)濕度20%～80%,同時(shí)露點(diǎn)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(duì)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(duì)比。

　　GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)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(duì)比。

　　從GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)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(gè)角度來(lái)看,GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)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(diǎn)溫度15℃或相對(duì)濕度大于60%時(shí),需要對(duì)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(diǎn)溫度15℃且同時(shí)滿足相對(duì)濕度不大于60%。

　　數(shù)據(jù)中心一般是通過(guò)機(jī)房空調(diào)進(jìn)行制冷運(yùn)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)溫度才能進(jìn)行除濕,低于空氣露點(diǎn)的溫度越多,除濕的能力越強(qiáng),數(shù)據(jù)中心的濕度才會(huì)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(gè)位置點(diǎn)的溫度、相對(duì)濕度均不相同,特別是冷通道與熱通道的溫度、相對(duì)濕度相差較大,但露點(diǎn)溫度在整個(gè)主機(jī)房的范圍內(nèi)基本上是一致的,露點(diǎn)溫度是一個(gè)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(duì)濕度和露點(diǎn)溫度有推薦值和允許值,按推薦的參數(shù)值運(yùn)行的機(jī)房,對(duì)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(duì)環(huán)境溫度和相對(duì)濕度可以放寬要求時(shí),主機(jī)房環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度可采用允許值進(jìn)行運(yùn)行。

　　表3中所給出的7個(gè)設(shè)計(jì)方案在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中均常出現(xiàn),前5個(gè)設(shè)計(jì)方案在普通的數(shù)據(jù)中心較常應(yīng)用,后2個(gè)設(shè)計(jì)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(yùn)行。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載較高時(shí),達(dá)到數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的功率密度時(shí),方案1～方案5的濕度值(露點(diǎn)溫度、相對(duì)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(jì)的露點(diǎn)溫度,機(jī)房空調(diào)有除濕的可能,數(shù)據(jù)中心的實(shí)際濕度可能達(dá)到設(shè)計(jì)的濕度(露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度)。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載較低,數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的前期IT負(fù)載還非常少時(shí),方案1～方案5的濕度值(露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度)也可能達(dá)不到設(shè)計(jì)的濕度,實(shí)際運(yùn)行的濕度值往往大于設(shè)計(jì)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(jì)的露點(diǎn)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(huì)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(shí)際濕度大于設(shè)計(jì)的濕度時(shí),機(jī)房空調(diào)除濕能力不足,也會(huì)造成數(shù)據(jù)中心的濕度值偏高。這個(gè)是數(shù)據(jù)中心負(fù)載低時(shí)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(diǎn)溫度、相對(duì)濕度)也可能達(dá)不到設(shè)計(jì)的濕度,實(shí)際運(yùn)行的濕度值往往大于設(shè)計(jì)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(jì)的露點(diǎn)溫度,當(dāng)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際露點(diǎn)溫度大于設(shè)計(jì)的露點(diǎn)溫度時(shí),機(jī)房空調(diào)沒(méi)有可能降低至數(shù)據(jù)中心要求的露點(diǎn)溫度。

　　3 數(shù)據(jù)中心的除濕控制邏輯

　　對(duì)于采用自帶壓縮機(jī)制冷的機(jī)房空調(diào)來(lái)說(shuō),當(dāng)數(shù)據(jù)中心需要除濕時(shí),可以通過(guò)改變降低制冷劑的溫度來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)降低制冷劑的溫度:

　　①第一種方式:關(guān)閉部分蒸發(fā)器盤(pán)管;

　�、诘诙�種方式:降低機(jī)房空調(diào)送風(fēng)量;

　　③第三種方式:電子膨脹閥調(diào)節(jié)制冷劑流量。

　　對(duì)于采用外部冷凍水冷源制冷的機(jī)房空調(diào)來(lái)說(shuō),當(dāng)數(shù)據(jù)中心需要除濕時(shí),冷凍水供水溫度是不變化的,只能通過(guò)加大冷凍水的流量和降低送風(fēng)量,通過(guò)降低送風(fēng)溫度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)除濕。數(shù)據(jù)中心的機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行為了節(jié)能運(yùn)行,運(yùn)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(lái)滿足除濕需求(輔助加熱量只對(duì)數(shù)據(jù)中心降低相對(duì)濕度有效,并不降低露點(diǎn)溫度),當(dāng)配置較小的輔助加熱量投入運(yùn)行時(shí),相對(duì)濕度還不能降到設(shè)計(jì)的相對(duì)濕度時(shí),維持溫度優(yōu)先模式的運(yùn)行方式。當(dāng)數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載較大時(shí),可以等同于輔助加熱量能提供較大時(shí),可同時(shí)滿足溫度和濕度的要求。

　　實(shí)驗(yàn)室、檔案館、博物館、藝術(shù)館、檢測(cè)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(shí)滿足濕度、溫度的要求,運(yùn)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(shí)空調(diào)具有較大的除濕能力)來(lái)滿足要求。如果將機(jī)房空調(diào)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室、檔案館、博物館、藝術(shù)館、檢測(cè)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(yùn)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(yùn)行噪聲也較高。

　　數(shù)據(jù)中心的除濕負(fù)荷主要來(lái)源于新風(fēng)、門(mén)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(lái)計(jì)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(shí),數(shù)據(jù)中心的加濕負(fù)荷主要來(lái)源于:新風(fēng)、門(mén)窗進(jìn)入、墻體、窗、地板、天花板、機(jī)房空調(diào)。對(duì)于非全顯熱運(yùn)行的機(jī)房空調(diào),機(jī)房空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)空調(diào)機(jī)組同時(shí)也在除濕,會(huì)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(duì)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(duì)于中大型數(shù)據(jù)中心一般采用更節(jié)能的獨(dú)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(huì)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(yùn)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?jī)?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(guò)程,會(huì)降低空氣的溫度,不會(huì)增加機(jī)房的熱負(fù)荷,相反還會(huì)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(yùn)行成本最低,但濕膜加濕的采購(gòu)成本最高。

　　5 數(shù)據(jù)中心的濕度運(yùn)行策略

　　數(shù)據(jù)中心的除濕和加濕的運(yùn)行時(shí)間越短,對(duì)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(shí),濕度控制在濕度要求的上限,在數(shù)據(jù)中心需要加濕時(shí),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(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　由于濕膜加濕的方式運(yùn)行節(jié)能,運(yùn)行功率只有紅外加濕或電極加濕約十分之一的運(yùn)行功率,且加濕時(shí)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(duì)于冷凍水供水溫度高于17℃的機(jī)房空調(diào)來(lái)看,機(jī)房空調(diào)本身沒(méi)有能力對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行除濕來(lái)滿足機(jī)房露點(diǎn)溫度低于17℃(允許值)或達(dá)到更低的露點(diǎn)溫度,對(duì)于這類數(shù)據(jù)中心需要配置額外的除濕設(shè)備來(lái)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(xiǎn)越大,但在一個(gè)相對(duì)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(xiǎn)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(shí)候,建議佩帶防靜電手腕帶。

　　6 室外環(huán)境濕度對(duì)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(duì)濕球溫度的影響,在夏天室外環(huán)境干球溫度為40度時(shí),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(lái)降低冷卻塔的出水溫度。表5給出了不同溫度和相對(duì)濕度相對(duì)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(duì)空氣自然冷卻制冷系統(tǒng)開(kāi)始在國(guó)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(guò)輔助蒸發(fā)的方式,也就是濕工況的運(yùn)行方式,大大提高制冷系統(tǒng)的制冷效率。通過(guò)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(zhǎng)了自然冷卻的時(shí)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(wú)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(duì)空氣換熱的制冷系統(tǒng)為例,在干工況運(yùn)行時(shí),如果數(shù)據(jù)中心按27℃送風(fēng)推薦值計(jì)算,室外干球溫度為21℃可實(shí)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(jì)算,室外干球溫度為26℃可實(shí)現(xiàn)完全自然冷卻。在濕工況運(yùn)行時(shí),可在更高的室外環(huán)境干球溫度的條件下實(shí)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(shí)現(xiàn)完全自然冷卻。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　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(yùn)行實(shí)現(xiàn)節(jié)能;也可有效利用據(jù)中心室外的空氣濕度延長(zhǎng)自然冷卻的時(shí)長(zhǎng)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(yùn)行費(fèi)用。

　　(施耐德電氣信息技術(shù)《大施專欄》推薦)

　　作者簡(jiǎn)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(yàn),現(xiàn)專業(yè)方向?yàn)閿?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(yàn),參與了眾多的高性能計(jì)算機(jī)的制冷解決方案項(xiàng)目和大型數(shù)據(jù)中心的制冷解決方案項(xiàng)目。