2009年3月12日 星期四

機房專用空調與舒適性空調在設計上的區別

    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

B

A

B

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

<5h

不得結露

<10h

不得結露

<5h

不得結露

<10h

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。 

三、機房專用空調和舒適性空調在設計方面的區別

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

260-400m3KW冷量

150-200m3KW冷量

150—200m3KW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+42

—538

—538 

           

  *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 (300-400Wm2),潔淨度要求高(0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。   

        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T2M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

Untitled-1

                   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

室內一出風線,焓差為 h,除濕量為 d

    藍色部分即室內一A’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

  hh’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gm3

露點溫度 

22

50

983

1125

24

35

776

781

24

45

1001

1164

24

50

1111

1320

25

50

1173

1406

26

50

1239

1500

27

50

1307

1594

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    22-2445%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2435%條件下的露點溫度相當,假設機房完全密封,舒適性空調在2435%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:

Untitled2

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’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。

 

 

 

 

Untitled-1

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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