精密空调技术特点及其在机房及应用.docVIP

精密空调技术特点及其在机房的应用精密空调技术特点及其在机房的应用 二二一一年十二月一一年十二月 I 目 录 1机房对空调系统的要求机房对空调系统的要求.1 1.1温度要求1 1.2相对湿度要求1 1.3机房洁净度和正压要求2 1.4机房温度变化率与不结露要求2 1.5机房内温度梯度控制要求2 1.6机房专用空调送风压力与送风距离的要求3 2机房空调系统的特点机房空调系统的特点.3 2.1设备散热量大且热密度集中3 2.2设备散湿量很小3 2.3空调送风焓差小3 2.4空调送风量大4 2.5空调送风方式4 2.6空调高稳定性和高可靠性4 3精密空调与普通空调的区别精密空调与普通空调的区别.5 3.1应用对象不同5 3.2风量不同5 3.3出风温度不同5 3.4精度不同5 3.5使用环境不同6 3.6对电源要求不同6 3.7可靠性不同6 3.8能耗不同6 4结论结论.7 附表 1.8 附表 2.9 1 1机房对空调系统的要求机房对空调系统的要求 根据国家标准电子信息系统机房设计规范 （GB 50174-2008） 规定，计算机机房的环境要求如下： 保持温度恒定（A、B 级机房 231，C 级机房 1828） ； 保持湿度恒定（A、B 级机房 40%55%，C 级机房 35%75%） ； 每升空气中0.5m 的颗粒应少于 18000 个； 换气次数30 次/小时； 机房与室外正压9.8Pa，无外窗时相对相邻房间正压4.9Pa； 空调设备具备远程监控及来电自启动功能。 上述要求主要是从服务器等设备的工作环境需求出发来确定的， 具体分类解释探讨如下： 1.1 温度要求温度要求 温度是确保计算机正常运行的基础条件，对计算机设备电子元器 件、绝缘材料以及记录介质都由较大的影响。如对半导体元器件而言， 室温在规定范围内每增加 10，其可靠性就会降低约 25%；对电容 器，其使用寿命将下降 50%；温度过高，印刷电路板的结构强度会减 弱。当环境温度过高时，芯片中非常容易出现电子漂移现象，服务器 就有可能宕机甚至烧毁。 空调的冷风并非直接冷却计算机内部，而是需要几次间接冷却接 力，因此，保持适当的环境温度对于设备的正常运行十分必要。 1.2 相对湿度要求相对湿度要求 相对湿度对计算机设备的影响也同样明显。当相对湿度较高时， 2 水蒸汽在电子元器件或电介质材料表面形成水膜，容易引起电子元器 件之间形成通路；当相对湿度过低时，容易产生较高的静电电压。 1.3 机房洁净度和正压要求机房洁净度和正压要求 在洁净度要求中，有两个方面的问题：一是灰尘粒子不能导电、 导磁且不能有腐蚀性；另一个问题是粒子的浓度，0.5m 的灰尘粒 子危害较小，因为越大的粒子越容易在线路板上堆积，浸水分后形成 电桥，产生短路。因此机房精密空调多采用亚高效的过滤器，能够对 灰尘进行过滤。 机房灰尘的来源主要是室外空气，因此为防止室外空气携带来灰 尘等颗粒，机房需要保持正压，以抵制外界空气从门缝等处无序进入。 1.4 机房温度变化率与不结露要求机房温度变化率与不结露要求 机房温度变化率应小于 5/h，如果变化率太大，由于部分机架 或设备的热惰性大，还处于较低的温度，遇到热空气可能会结露，后 果非常严重。如果温度是向下偏离，机架或设备将被过度冷却，一旦 环境温度迅速回归标准值也将在机架或设备上产生凝露。因此，控制 机房内环境温度变化率，尽量使其保持恒温，对于机房保持稳定的环 境温度和控制结露是非常有效的。 1.5 机房内温度梯度控制要求机房内温度梯度控制要求 温度梯度即温度在机房内的分布情况。精密空调的温度是取机房 回风温度作为标准，忽略了温度在机房分布不均的实际情况。由于机 房内结构、布局、发热量不均等因素的影响，肯定存在死角，会出现 局部温度过低或过高的情况。温度梯度是无法完全消除的，经合理组 3 织气流，使每个机架的送风量与实际发热量基本匹配，可将温度梯度 控制在 3以内，即温度最高点与最低点相差 3以下。 1.6 机房专用空调送风压力与送风距离的要求机房专用空调送风压力与送风距离的要求 空调出风压力对送风有决定性作用。一般机房多呈长方形，无论 空调是双侧布置在短边还是单侧布置在长边，送风距离都要求在 1015m。对于上送侧回的送风方式，即使出口风压达到 100Pa 以上， 都很难保证末端送风量；对于下送上回的送风方式，空调出风压力要 保证在 75Pa 以上，而且防静电地板的高度要在 400mm 以上，确保无 线缆遮挡的情况下，可以保证 1015m 处的送风。 2机房空调系统的特点机房空调系统的特点 2.1 设备散热量大且热密度集中设备散热量大且热密度集中 计算机设备目前的运算速度越来越快，体积越来越小，而服务器 作为一种特殊类型的计算机，其运算能力更强，体积更小，散热也更 大且集中。单台 1U 的服务器可达 400W 的功率，单台 2U 的服务器 可达 600W，一个标准 19 英寸机架可以达到 4kW 以上，而独立的塔 式服务器甚至可以达到 810kW。 2.2 设备散湿量很小设备散湿量很小 计算机设备虽然散热量大，但无散湿量。机房内的湿量主要来自 工作人员及渗入的室外空气，散湿量平均只有 816g/m2h。 2.3 空调送风焓差小空调送风焓差小 因为机房的高热量、小散湿量，所以精密空调在处理空气过程中 以制冷为主，除湿为辅，空气处理过程可以近似为一个等湿降温过程。 4 考虑到设备的凝露问题，精密空调的送风温度较普通空调偏高，因此 显热比很高，焓差明显小能效比也相对较高。 显热比是指显冷量与总冷量的比，即空调用于降温与除湿、降温 冷量和的比值。通常情况下，一台空调的总制冷量有两部分：一部分 用于降温，称为显热制冷量；还有一部分用于除湿，称为潜热制冷量。 普通空调 60%以上的制冷量用于降温，剩下不足 40%的制冷量是在除 湿。普通空调为了保证低噪声、低风量、舒适度，当条件合适时，往 往处于除湿的工作状态，夏季空气湿度大时特别明显。精密空调的显 热比一般在 90%以上。 2.4 空调送风量大空调送风量大 在小焓差的情况下，要消除设备的大热量，增大通风量是必然的。 大风量在有限空间内循环，换气次数明显大于普通空调。在采用精密 空调的机房中，一般的换气次数为 3060 次/h，如此高的换气次数使 得机房内的温度分布更趋于均匀。 2.5 空调送风方式空调送风方式 送风方式直接关系空调的最终效果。精密空调一般采用下送上回、 上送侧回方式，普通空调一般采用上送下回方式（柜式空调） 。上送 侧回方式比较适合发热量大约 250W/m2的情况，当机房发热量超过 500W/m2时，冷空气下沉效果很差，基本不适用。当机房内平均耗电 功率达到 1kW/m2以上时，必须采用下送风方式的空调系统。 2.6 空调高稳定性和高可靠性空调高稳定性和高可靠性 空调设备的故障将直接影响机房的环境，进而影响服务器的正常 工作。机房建设时，选择空调会考虑 n+1 的冗余备份，但如果空调的 5 故障率高还是会将余量备份消耗殆尽，因此要保证高可靠性。 3精密空调与普通空调的区别精密空调与普通空调的区别 3.1 应用对象不同应用对象不同 精密空调是为机房设备提供恒温恒湿的运行环境的，而普通空调 都是直接服务于人的，它们的设计理念和功能都完全不同，最大的区 别在于：精密空调是大风量、小焓差、高显热比；普通空调刚好相反， 是小风量、大焓差、低显热比。普通空调不适合在机房使用的原因之 一就是机房没有湿气来源，普通空调持续的除湿工作会导致机房湿度 过低，使设备容易产生静电。 3.2 风量不同风量不同 精密空调的风量很大，一般大于 30 次/h，即每两分钟机房的全部 空气会被处理一次；普通空调的风量则很小，一般为 510 次/h。精 密空调的大风量迅速带走了设备的高热量，而且保持机房内空气指标 的一致性，降低室内空气的参数梯度。普通空调的小风量设计是考虑 了人的舒适度，但无法保持机房温度均匀，局部环境容易过热，导致 电子设备故障增多。 3.3 出风温度不同出风温度不同 精密空调的出风温度比普通空调高，一般在 1315，可以避免 凝露造成的冷量损失，有效避免室内湿度降低。普通空调出风温度一 般为 68，容易在蒸发器上造成凝露，相比之下蒸发器的腐蚀情况 也会更严重。 6 3.4 精度不同精度不同 精密空调温度控制可以达到温度1、相对湿度3%RH 的高 精度，其亚高效过滤器可保证机房内空气达到 0.5m/L18000 粒（B 级）标准，再配以大风量循环，性能上完全能保障机房洁净。普通空 调的温度调节精度为3，机房内的温度场不均匀，仅能保证空调 近端设备处的温度；无湿度控制，只能除湿，没有加湿功能，对湿度 几乎是完全失控的；只具备简单的过滤功能，其过滤效果根本无法达 到机房的要求。 3.5 使用环境不同使用环境不同 机房的特点是发热量大，冬天、夏天没有本质的区别，即使在冬 季也需要制冷。精密空调能够适应室外温度变化的要求，在- 35+42区间保证空调 24h 正常工作，包括降温和升温；而普通空调 在-5的环境中就没办法正常制冷了。 3.6 对电源要求不同对电源要求不同 普通空调一般只能适应正常电压范围的10%；采用单相供电的 精密空调可以适应15%、三相供电的可以适应20%的波动。而且 精密空调有延时启动功能，有效地避免了机房所有设备（包括空调） 同时启动可能对前端开关造成的冲击。 3.7 可靠性不同可靠性不同 普通空调设计选材可靠性差，空调维护量大，寿命短，若全年不 间断运行，寿命一般不超过三年，故障率高。精密空调则是根据机房 要求设计的，自身有多重保护系统，设备的故障率很低，隐患少，可 全年 8760 小时连续运行，寿命不低于 8 年。 7 3.8 能耗不同能耗不同. 在发挥同样制冷效果的前提下，普通空调的耗电量是精密空调的 1.5 倍。 4结论结论 综上所述，相对于普通空调而言，由于设计理念和工作原理的不 同，精密空调可将机房内的温度、湿度、洁净度等关键运行指标控制 在适宜电子元器件长期运行的范围内，从而保证计算机设备稳定、连 续、可靠地运行。同时，精密空调还具有环境适应性强、可靠性高、 能耗低等优点，是机房必不可少的重要基础设施。 8 附表附表 1 普通空调与精密空调性能的对比 序号比较内容普通空调精密空调 1热密度（W/m2）1001503001000 或更大 2冷风比（kJ/m3）219.212.6 3显热比（%）607090100 4焓差（Kj/kg）17.022.08.512.5 5能效比2.9 左右高于 3.3 6换气次数/小时一般 510 次30 次以上 7控制精度 31，3%RH 8湿度控制没有，只能除湿有加湿和除湿功能 9空气过滤一般性过滤达到 0.5m/L18000 10蒸发温度 35或更低711 11出风温度 681315 12迎风面积较小1.32.7m2 13迎面风速较大2.7m/s 14蒸发器排数4、6、824 15冷凝方式风冷 风冷、水冷、自由冷却、 双冷源等 16保证工作的室外环境温度 -5+35-35+42 17对电源要求单相10%单相15%，三相20% 18连续运行时间（每年）2000h8760h 19全年运行可靠性 夏季制冷，冬季制热，间 歇性运行，可靠性差 基本全年 365 天制冷运行， 可靠性高 20使用寿命35 年 8 年 21维护性故障较多故障少，维护量相对少 22控制一般控制 微电脑 PID 回路逻辑控制， 控制精度高 23停电自动复位功能一般无具备 24监控无或非常简单一般具备本机或远程监控 9 附表附表 2 普通空调与精密空调设备部件组成方面的对比 序号比较内容普通空调精密空调 1室内结构件塑料件为主，易老化和破损变色框架钢结构，经过耐腐蚀处理 2室外结构件钢板喷涂件，易老化生锈耐腐蚀铝合金，适应各种环境 3压缩机一般采用旋转式压缩机 一般采用涡旋压缩机，柔性设计， 工业标准，能效比高达 3.4 4蒸发器 蒸发器紧凑、重量轻，换热效率 较低 大面积蒸发器，较同功率普通空 调大 25%，管径大，压损少，高 效换热翅铝片 5冷凝器 对室外环境要求较高，设计寿命、 防腐蚀性能较低 节能、防腐，长寿命设计 6膨胀