机房专用空调五大特性分析

1 机房专用空调与舒适性空调在设计上的区别机房专用空调与舒适性空调在设计上的区别 20 世纪六十年代 随着社会信息化的发展 电子计算机 交换机 网络设备 存 储设备等得到了广泛的应用 此类设备的安全运行也得到了广泛的关注 当时使用的 大多是普通的舒适性空调 设备因温湿度无法控制等原因故障增多 大大影响了设备 运转的连续性 机房专用空调下是在 60 年代为保证电子设备的运行所需的温湿度而产 生的 近年来 随着通信 网络的爆炸性增长 计算机等电子产品对冷却的需求也越 来越大 同时因为目前的软件投资的重要性与日俱增 机房环境问题更成为网络建设 的关键一环 从 90 年代开始 全球不断涌现的 IDC 项目中 都将机房环境视为建设的 重点之一 为什么不使用一般的舒适性空调而专门设计机房专用空调呢 现在仍有对此问题有 疑问者 本文从两者设计思想和使用效果两个角度予以比较说明 一 环境要求一 环境要求 1 温湿度 根据计算机房设计规范 GB50174 93 电子计算机机房设计规范 的规定 机房室内温 湿度应满足下表要求 表一 机房室内温湿度 开机停机 A 级B 级A 级B 级项目 冬季夏季全年 温度 20 223 2 18 28 5 355 35 相对湿度 45 65 40 7040 7020 80 温度变化率 5 h 不得结露 10 h 不得结露 5 h 不得结露 10 h 不得结露 普通居民住宅 办公室的要求较为宽松 一般要求温度控制在 21 27 湿度控制在 2 35 75 2 空气洁净度 机房对空气洁净度有较高的要求 因为设备内部积累灰尘 一方面影响设备 的冷却效果 容易造成设备局部过热 另一方面灰尘会吸附水分产生腐蚀 引起电路 板等设备的绝缘性能下降 因此 GB5017493 对机房内洁净度要求为 每升空气中大于 或等于 0 5 m 的尘粒数应小于 18000 粒 普通的生活和办公环境对空气洁净度没有明确的规定 3 机房设备的散热量 机房内有多种设备 其发热量各不相同 热密度远大于一般民用和办公环境 在 寒冷的冬季依然需要制冷 机房设备散发的热量都是以显热的形式出现 室内显热比 在 90 以上 舒适性环境的散热量小 需除去相当多的潜热 显热比要求低 二 机房专用空调和舒适性空调设计的对象机房专用空调和舒适性空调设计的对象 机房空调是为保证机房内恒定的温湿度 洁净度等设计 舒适性空调是为人提供舒适的办公生活环境而设计 根据上文分析 机房内的温湿度和一般办公生活要求有很大的不同 所以针 对不同要求 空调的设计也有很大的区别 三 机房专用空调和舒适性空调在设计方面的区别三 机房专用空调和舒适性空调在设计方面的区别 表二 机房专用空调与舒适性空调在设计方面的区别 舒适性空调 项目机房专用空调 运行于设计工况参数运行于机房工况参数 温度 22 24 温度 27 温度 22 14 空调运行室内 环境湿度 50 湿度 50 湿度 50 风量260 400m3 KW 冷量150 200m3 KW 冷量 150 200m3 KW 冷量 出风温度 13 15 10 12 7 9 冷媒蒸发温度 7 7 4 5 显热比 90 100 60 70 60 70 正常运行机组 35 一 42 5 一 38 5 一 38 3 允许室外温度 范围 机房专用空调设计工况按 GB50174 93 中要求温度 24 湿度 50 舒适性空调设计标准工况在 GB7725 中规定温度 27 湿度 50 上表列出了机房专用空调和舒适性空调的风量 出风温度 显热比等几个重要设计参数的区别 造成区别的原因是机房环境和舒适性环境对温湿精度的要求不同 热密度不同和对显热比的要 求不同 下面对这些参数的联系和作用进行分析 分析分析 1 机房专用空调为何采用大风量 高出风温度 高显热比的设计 机房专用空调为何采用大风量 高出风温度 高显热比的设计 在机房环境下 温湿度要求高 22 24 50 5 热负荷高 300 400W m2 洁净度要求高 0 5 颗粒小于 18000 个 升 机器设备仅产生显热 量 在此严格要求下 大风量设计可以提供 30 次以上的空气循环次数 满足 GB50174 93 的要求 能更好的保证机房温度精度 使机房内温度场均匀 避免局部温 度过热 同时每 2 分钟可对机房内空气过滤一次 保证了机房的洁净度 高出风温度可以避免空调机组出风时携带雾滴和过度除湿 对近端设备造成影响 高显热比一方面可以降低空调的运行费用 使空调提供的冷量均用在降低机房的 温度 而不是除去空气中的水蒸气 做 无用功 另一方面可以稳定机房的湿度 防 止过度除湿又加湿的情况出现 分析 2 机房专用空调如何实现高出风温度 假设室内温度湿度在空调作用下保持恒定 室内空气在空调室内风机的作用 下循环 经过空调蒸发器时室内空气被冷却 在此过程中空气吸收了 Q 的显冷量 则 Q MX h1 h2 其中 M 为空调的风量 h1 为回风的焓值 h2 为出风的焓值 当冷量 Q 固定时 风量 M 越大 h1 h2 越小 即大风量小焓差 由于温差 4 T1 T2 与焓差 hi h2 近似成正比 所以随风量 M 的增大 T1 T2 减小 因 回风温度 T1 室内环境温度 为定值 故出风温度 T2 随 M 的增加而增加 机 房专用空调通过大风量设计提高机组的出风温度 分析分析 3 机房专用空调高显热比的实现方法和作用 机房专用空调高显热比的实现方法和作用 如上图空气焓湿图所示 红色部分即 室内一 A B 区域为机房专用空调 空气处理焓湿图 在室内空气通过蒸发器表面时 贴近蒸发器铜管和翅片的空气 烤湿线靠近 室内一 A 线 远离的靠近 室内一 B 线 空气的平均处理效果 为 室内一出风 线 焓差为 h 除湿量为 d 蓝色部分即 室内一 A 一 B 区域为舒适性空调空气处理焓湿图 在室 内空气通过蒸发器表面时 贴近蒸发器铜管和翅片的空气焓湿线靠近 室内一 A 线 远离的靠近 室内一 B 线 空气的平均处理效果为 室内一出风 线 焓差为 h 除湿量为 d 由图可以看出 机房专用空调和舒适性空调的出风温度的差异较大 焓差 5 h h d 远小于 d 所以机房专用空调除湿量小 显热比高 显热比可在实验室中测出 可使用焓差法或热平衡法 采用大风量和大面积蒸发盘管是 实现高显热比的重要途径 蒸发器盘管面积增大可以使系统蒸发温度提高 减少除湿 量 机房专用空调的蒸发面积远大于舒适性空调 蒸发温度也大于舒适性空调 机房 专用空调蒸发温度 7 舒适性空调 4 5 C 运行于机房环境中时 两者有 2 3 的温 差 空气通过低温的舒适性空调的蒸发盘管时 其中的水蒸气很容易 冷凝为水 很 大一部分冷量为潜冷量 显热比较低 只能达到 60 70 左右 机房专用空调的显 热比则能达到 90 以上 表三 空气状态参数 干球温度相对湿度绝对湿度 g m3露点温度 22 50 9 8311 25 24 35 7 767 81 24 45 10 0111 64 24 50 11 1113 20 25 50 11 7314 06 26 50 12 3915 00 27 50 13 0715 94 通过表二和表三的对比可以看到 机房专用空调的出风温度 13 15 高于 22 24 45 环境下的露点温度 即在此情况下 机房专用空调基本已无除湿功能 显 热比在 90 以上 而舒适性空调在室内温度 22 24 运行时 出风温度为 7 9 其出风温度与 24 35 条件下的露点温度相当 假设机房完全密封 舒适性空调在 24 35 的 室内环境下仍在除湿 要么造成机房湿度过低 满足不了机房要求 使主设备的运行 6 受到静电的威胁 要么加湿 除湿交替进行的情况 白白消耗大 量的能源 运行 费用高 四 舒适性空调运行于机房条件下连续运行故障问题分析四 舒适性空调运行于机房条件下连续运行故障问题分析 机房专用空调设计的运行环境为室内 22 24 湿度 50 室外温度 35 舒适性空调设计的运行环境为室内 27 C 湿度 50 室外温度 35 当舒适性空调在机房中使用时 其运行条件长期在 22 24 造成其蒸发压 力和温度下降 见图二 蒸发温度由 t 变为 t 制冷系统循环由原设计的 1 2 3 4 变为 1 2 3 4 对于给定系统来说 单位容积制冷量为 仔细观察制冷剂的饱和蒸汽线就会发现 随着温度的降低 虽然饱和蒸汽的 比焓也随之降低 但变化很小 因而 h1 一 h4 仅稍小于 h1 h4 对于上式来说 温度由 t 下降为 t 后 分子变化很小 但分母比容却有较大的增加 因此 qv随 蒸发温度的降低而迅速下降 它表明 对给定的压缩机而言 随着蒸发温度 的下 降 制冷量将迅速下降 因此 舒适性空调在机房条件中使用时 由于其室内实际运行的条件偏离了 其最初设计点 造成蒸发温度下降 制冷量低于其标称值 同时由于其节流部件 使用的是毛细管 而不是膨胀阀 无法主动调节制冷系统的压力和流量 系统在偏离 最佳设计点运行 蒸发温度和压力降低 对空调的效率和使用寿命均有较 大的影响 7 1 一夏季 2 一冬季 hl h2 一制冷量 h3 一压缩机功率 从室外环境温度来看 舒适性空调在设计理念上只是在夏季发挥降温功能 室外温度较低时 即无法进行制冷 如上图所示 夏季制冷时舒适性空调可正常 运行 随着冬天室外温度的下降 冷凝压力降低 蒸发压力也随之下降 蒸发温 度低 产生蒸发器低温保护 同时空气处理时过度除湿 蒸发器容易结霜 导致 机组不能正常工作 而且制冷剂循环流量减小 制冷量下降 使机组设备不能正 常散热 而标准机房的特点是发热量大 其空调即使在冬季也要具备降温功能 舒适性空调在冬季运行时 制冷量下降 蒸发器温度低 结霜 机组不能正常舒适性空调在冬季运行时 制冷量下降 蒸发器温度低 结霜 机组不能正常 工工 作 不能适应机房的冬季运行要求 作 不能适应机房的冬季运行要求 精密空调采用可调速冷凝风扇和带储液罐冷凝器 等方法 保持冷凝压力 适应各类室外温度变化的要求 在室外 35 时仍能保证空 调 24 小时正常工作 五 从使用效果方面分析五 从使用效果方面分析 1 温度控制精度 影响因素有 控制手段和方法 舒适性空调采用比例控制方法 易造成温度的波动 控制精度低 精密空调 采用 PID 比例 微分 积分 控制方法 控制精度高 风量 大风量有利于机房温度场的均匀分布 能更精确的控制温度和防止 局部过热情况的出现 2 湿度控制 8 舒适性空调只能在制冷的同时除湿 不能加湿 而且在除湿的同时无法对温 度 进行控制 对湿度的控制只是 听天由命 不能提供控制手段 只能采用另外增加加 湿器进行湿度控制 由于加湿器和空调是独立的设备 不能很好的协调 对湿度控 制精度差 而且常常会有加湿器加 湿空调除湿等浪费能源的情况 精密空调配有加湿器和再加热器 不但能加湿 而且在除湿时控制机房的温 度的恒定 保证在温度和湿度的统一稳定 3 可靠性和使用寿命 机房专用空调的可靠性高 MTBF 一般都在 10 万小时以上 设计寿命为 15 年 舒适性空调也会标称设计寿命 8 年 但一般是按每年运行 6 个月 每天运行 8 小时设 计 如果把舒适性空调在机房中 365 天 每天 24 小时运行 其设计寿命不超过 3 年 设计 精密空调的设计考虑到完善的系统匹配 系统的检测手段 验证周期长 采 用可维护设计 各种保护和告警设置完善 充分考虑全年连续运行 但舒适性空调一 般 1 2 年就能完成一款新机型 测试验证不充分 空调控制系统对异常保护和告警设 置不完善 问题不能及时发现和排除 可靠性低 可维护性差 舒适性空调设计工况点为室内 27 相对湿度为 50 而其在机房中工 作 的工况点为室内 22 24 相对湿度 50 空调长期不在其最佳工况点运行 对其寿 命有不利影响 部件 从精密空调和舒适性空调