20世紀六十年代,隨著社會資訊化的發展,電子電腦、交換機、網路設備、存放裝置等得到了廣泛的應用,此類設備的安全運行也得到了廣泛的關注。當時使用的大多是普通的舒適性空調,設備因溫濕度無法控制等原因故障增多,大大影響了設備運轉的連續性。機房專用空調下是在60年代為保證電子設備的運行所需的溫濕度而產生的。近年來,隨著通信、網路的爆炸性增長,電腦等電子產品對冷卻的需求也越來越大。同時因為目前的軟體投資的重要性與日俱增,機房環境問題更成為網路建設的關鍵一環。從90年代開始,全球不斷湧現的IDC專案中,都將機房環境視為建設的重點之一。
為什麼不使用一般的舒適性空調而專門設計機房專用空調呢?現在仍有對此問題有疑問者。本文從兩者設計思想和使用效果兩個角度予以比較說明。
一、環境要求
1.溫濕度
根據電腦房設計規範GB50174—93(電子電腦機房設計規範)的規定,機房室內溫濕度應滿足下表要求。
表一:機房室內溫濕度
項目 | 開機 | 停機 | |||
A級 | B級 | A級 | B級 | ||
冬季 | 夏季 | 全年 | - | - | |
溫度℃ | 20±2 | 23±2 | 18-28 | 5—35 | 5—35 |
相對濕度 % | 45—65 | 40—70 | 40—70 | 20—80 | |
溫度變化率℃ | <5/h 不得結露 | <10/h 不得結露 | <5/h 不得結露 | <10/h 不得結露 |
普通居民住宅、辦公室的要求較為寬鬆,一般要求溫度控制在21-27℃,濕度控制在35%-75%。
2.空氣潔淨度
機房對空氣潔淨度有較高的要求。因為設備內部積累灰塵,一方面影響設備
的冷卻效果,容易造成設備局部過熱:另一方面灰塵會吸附水分產生腐蝕,引起電路板等設備的絕緣性能下降。因此GB5017493對機房內潔淨度要求為:每升空氣中大於或等於0.5 μm的塵粒數應小於18000粒。
普通的生活和辦公環境對空氣潔淨度沒有明確的規定。
3.機房設備的散熱量
機房內有多種設備,其發熱量各不相同,熱密度遠大於一般民用和辦公環境。在寒冷的冬季依然需要製冷,機房設備散發的熱量都是以顯熱的形式出現,室內顯熱比在90%以上。
舒適性環境的散熱量小,需除去相當多的潛熱,顯熱比要求低。
二、機房專用空調和舒適性空調設計的物件
機房空調是為保證機房內恒定的溫濕度、潔淨度等設計。
舒適性空調是為人提供舒適的辦公生活環境而設計。
根據上文分析,機房內的溫濕度和一般辦公生活要求有很大的不同,所以針
對不同要求,空調的設計也有很大的區別。
表二:機房專用空調與舒適性空調在設計方面的區別
項目 | 機房專用空調* | 舒適性空調** | |
運行於設計工況參數 | 運行於機房工況參數 | ||
空調運行室內環境 | 溫度22—24℃ | 溫度27℃ | 溫度22-14℃ |
濕度50% | 濕度50% | 濕度50% | |
風量 | 260-400m3/KW冷量 | 150-200m3/KW冷量 | 150—200m3/KW冷量 |
出風溫度 | 13—15℃ | 10—12℃ | 7—9℃ |
冷媒蒸發溫度 | 7℃ | 7℃ | 4—5℃ |
顯熱比 | 90—100% | 60-70% | 60-70% |
正常運行機組允許室外溫度 範圍 | —35℃一+42℃ | —5℃一38℃ | —5℃一38℃ |
*機房專用空調設計工況按GB50174-93中要求溫度24℃,濕度50%
**舒適性空調設計標準工況在GB7725中規定溫度27℃,濕度50%
上表列出了機房專用空調和舒適性空調的風量、出風溫度、顯熱比等幾個重要設計參數的區別,造成區別的原因是機房環境和舒適性環境對溫濕精度的要求不同,熱密度不同和對顯熱比的要求不同。下面對這些參數的聯繫和作用進行分析。
分析1:機房專用空調為何採用大風量、高出風溫度、高顯熱比的設計
在機房環境下,溫濕度要求高(22-24℃, 50%±5), 熱負荷高 (300-400W/m2),潔淨度要求高(≥0.5μ顆粒小於18000個/升),機器設備僅產生顯熱量。
在此嚴格要求下,大風量設計可以提供30次以上的空氣迴圈次數,滿足 GB50174-93的要求,能更好的保證機房溫度精度,使機房內溫度場均勻,避免局部溫度過熱。同時每2分鐘可對機房內空氣過濾一次,保證了機房的潔淨度。
高出風溫度可以避免空調機組出風時攜帶霧滴和過度除濕,對近端設備造成影響。
高顯熱比一方面可以降低空調的運行費用,使空調提供的冷量均用在降低機房的溫度,而不是除去空氣中的水蒸氣,做“無用功”;另一方面可以穩定機房的濕度,防止過度除濕又加濕的情況出現。
分析2:機房專用空調如何實現高出風溫度
假設室內溫度濕度在空調作用下保持恒定。室內空氣在空調室內風機的作用 下迴圈,經過空調蒸發器時室內空氣被冷卻,在此過程中空氣吸收了Q的顯冷量。
則 Q=MX(h1-h2)
其中 M為空調的風量,
h1為回風的焓值
h2為出風的焓值
當冷量Q固定時,風量M越大,h1—h2越小,即大風量小焓差。由於溫差 (T1—T2)與焓差(hi—h2)近似成正比,所以隨風量M的增大,T1—T2減小。因回風溫度T1(室內環境溫度)為定值,故出風溫度T2隨M的增加而增加。機房專用空調通過大風量設計提高機組的出風溫度。
分析3:機房專用空調高顯熱比的實現方法和作用
如上圖空氣焓濕圖所示,紅色部分即“室內一A—B”區域為機房專用空調
空氣處理焓濕圖,在室內空氣通過蒸發器表面時,貼近蒸發器銅管和翅片的空氣
烤濕線靠近“室內一A”線,遠離的靠近“室內一B”線,空氣的平均處理效果
為“室內一出風”線,焓差為 △h,除濕量為 △d。
藍色部分即“室內一A’一B’”區域為舒適性空調空氣處理焓濕圖,在室
內空氣通過蒸發器表面時,貼近蒸發器銅管和翅片的空氣焓濕線靠近“室內一A
’”線,遠離的靠近“室內一B’”線,空氣的平均處理效果為“室內一出風’”
線,焓差為△h’,除濕量為△d’。
由圖可以看出,機房專用空調和舒適性空調的出風溫度的差異較大,焓差
△ h<△h’,△d遠小於△d’,所以機房專用空調除濕量小,顯熱比高。
顯熱比可在實驗室中測出(可使用焓差法或熱平衡法)。採用大風量和大面積蒸發盤管是實現高顯熱比的重要途徑。蒸發器盤管面積增大可以使系統蒸發溫度提高,減少除濕量。
機房專用空調的蒸發面積遠大于舒適性空調,蒸發溫度也大於舒適性空調。機房專用空調蒸發溫度7℃,舒適性空調4-5'C(運行於機房環境中時),兩者有 2-3℃的溫差,空氣通過低溫的舒適性空調的蒸發盤管時,其中的水蒸氣很容易 冷凝為水,很大一部分冷量為潛冷量,顯熱比較低,只能達到60%-70%左右。 機房專用空調的顯熱比則能達到90%以上。
表三:空氣狀態參數
幹球溫度 | 相對濕度 | 絕對濕度g/m3 | 露點溫度 ℃ |
22℃ | 50% | 9.83 | 11.25 |
24℃ | 35% | 7.76 | 7.81 |
24℃ | 45% | 10.01 | 11.64 |
24℃ | 50% | 11.11 | 13.20 |
25℃ | 50% | 11.73 | 14.06 |
26℃ | 50% | 12.39 | 15.00 |
27℃ | 50% | 13.07 | 15.94 |
通過表二和表三的對比可以看到,機房專用空調的出風溫度13-15℃高於 22-24℃/45%環境下的露點溫度。即在此情況下,機房專用空調基本已無除濕功能,顯熱比在90%以上。
而舒適性空調在室內溫度22-24℃運行時,出風溫度為7-9℃,其出風溫度與24℃/35%條件下的露點溫度相當,假設機房完全密封,舒適性空調在24℃/35%的室內環境下仍在除濕,要麼造成機房濕度過低,滿足不了機房要求,使主設備的運行受到靜電的威脅;要麼加濕、除濕交替進行的情況,白白消耗大量的能源,運行費用高。
四、舒適性空調運行於機房條件下連續運行故障問題分析
機房專用空調設計的運行環境為室內22-24℃,濕度50%,室外溫度35℃。
舒適性空調設計的運行環境為室內27~C,濕度50%,室外溫度35℃。
當舒適性空調在機房中使用時,其運行條件長期在22-24℃,造成其蒸發壓
力和溫度下降(見圖二),蒸發溫度由t變為t’,製冷系統迴圈由原設計的1-2-3-4 變為1’-2’-3-4’。對於給定系統來說,單位容積製冷量為:
仔細觀察製冷劑的飽和蒸汽線就會發現,隨著溫度的降低,雖然飽和蒸汽的 比焓也隨之降低,但變化很小。因而(h1’一h4’)僅稍小於(h1-h4)。對於上式來說,溫度由t下降為t’後,分子變化很小,但分母比容卻有較大的增加,因此 qv隨蒸發溫度的降低而迅速下降。它表明,對給定的壓縮機而言,隨著蒸發溫度 的下降,製冷量將迅速下降。
因此,舒適性空調在機房條件中使用時,由於其室內實際運行的條件偏離了 其最初設計點,造成蒸發溫度下降,製冷量低於其標稱值。同時由於其節流部件 使用的是毛細管,而不是膨脹閥,’無法主動調節製冷系統的壓力和流量,系統在偏離最佳設計點運行(蒸發溫度和壓力降低),對空調的效率和使用壽命均有較 大的影響。
1一夏季 2一冬季 △hl, △h2一製冷量 △h3一壓縮機功率
從室外環境溫度來看:舒適性空調在設計理念上只是在夏季發揮降溫功能, 室外溫度較低時,即無法進行製冷。如上圖所示,夏季製冷時舒適性空調可正常 運行,隨著冬天室外溫度的下降,冷凝壓力降低,蒸發壓力也隨之下降,蒸發溫 度低,產生蒸發器低溫保護,同時空氣處理時過度除濕,蒸發器容易結霜,導致 機組不能正常工作。而且製冷劑迴圈流量減小,製冷量下降,使機組設備不能正 常散熱。而標準機房的特點是發熱量大,其空調即使在冬季也要具備降溫功能。 舒適性空調在冬季運行時,製冷量下降,蒸發器溫度低、結霜,機組不能正常 工作,不能適應機房的冬季運行要求。精密空調採用可調速冷凝風扇和帶儲液罐冷凝器等方法,保持冷凝壓力,適應各類室外溫度變化的要求,在室外-35℃時仍能保證空調24小時正常工作。
五、從使用效果方面分析
1. 溫度控制精度
影響因素有
Ø 控制手段和方法
舒適性空調採用比例控制方法,易造成溫度的波動,控制精度低。精密空調 採用PID(比例、微分、積分)控制方法,控制精度高。
Ø 風量 大風量有利於機房溫度場的均勻分佈,能更精確的控制溫度和防止局部過熱情況的出現。
2. 濕度控制
舒適性空調只能在製冷的同時除濕,不能加濕。而且在除濕的同時無法對溫 度進行控制。對濕度的控制只是“聽天由命”,不能提供控制手段,只能採用另外增加加濕器進行濕度控制。由於加濕器和空調是獨立的設備,不能很好的協調, 對濕度控制精度差,而且常常會有加濕器加,濕空調除濕等浪費能源的情況。
精密空調配有加濕器和再加熱器,不但能加濕,而且在除濕時控制機房的溫
度的恒定,保證在溫度和濕度的統一穩定。
3. 可靠性和使用壽命
機房專用空調的可靠性高,MTBF一般都在10萬小時以上,設計壽命為15年。舒適性空調也會標稱設計壽命8年,但一般是按每年運行6個月,每天運行8小時設計。如果把舒適性空調在機房中365天,每天24小時運行,其設計壽命不超過3年。
Ø 設計
精密空調的設計考慮到完善的系統匹配,系統的檢測手段,驗證週期長, 採用可維護設計,各種保護和告警設置完善,充分考慮全年連續運行。但舒適性空調一般1—2年就能完成一款新機型,測試驗證不充分,空調控制系統對異常保護和告警設置不完善,問題不能及時發現和排除,可靠性低,可維護性差。
舒適性空調設計工況點為室內27℃,相對濕度為50%。而其在機房中工 作的工況點為室內22—24℃,相對濕度50%,空調長期不在其最佳工況點運行,對其壽命有不利影響。
Ø 部件
從精密空調和舒適性空調所選用的零部件上看,精密空調的零部件明顯
高舒適性空調一個檔次,採用的均是工業等級的高可靠性部件。
項目 | 精密空調 | 舒適性空調 | |
結構件 | 室內 | 框架鋼結構,經過耐腐蝕處理 | 塑膠件為主,易老化和破損,變色等 |
室外 | 耐腐蝕鋁合金,適應各種環境 | 鋼板噴塗件,易老化生銹 | |
換熱器 | 銅管翅片式 | 銅管翅片式 | |
節流部件 | 熱平衡膨脹閥 | 毛細管 | |
風機 | 採用合金材料風扇 | 塑膠風扇,易破損 | |
控制系統 | 先進的微電腦控制系統,全面的告警功能,方便的維護介面 | 控制功能簡單,告警功能少。 | |
壓縮機 | 渦旋式、半封閉活塞式,原裝進口 | 渦旋式、轉子式。基本為國產 |
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