新風直接自然冷卻空調機組制冷的數(shù)據(jù)中心的加濕探討

肖新文

（世圖茲空調技術服務（上海）有限公司，上海 201108）

對于數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術的分類，部分學者將其分成三種［1-2］，但按照國際上通用的分類方法，主要有水側自然冷卻及空氣側自然冷卻兩大類別［3］。 水側自然冷卻有自然水源冷卻［4-5］、動態(tài)自然冷卻空調系統(tǒng)［6-7］、冷卻塔免費冷源［8-9］、自然冷卻風冷冷凍水機組［10-11］等方式。空氣側自然冷卻有間接及直接自然冷卻，如轉輪［12］、熱管［13-14］、氟泵［15-16］及間接蒸發(fā)冷卻機組［17-18］等均屬于間接空氣自然冷卻，由于無中間介質能量轉換和傳遞中間環(huán)節(jié)，新風直接自然冷卻節(jié)能效果更加直接和顯著，該自然冷卻方式在數(shù)據(jù)中心亦有不少的實際應用案例［19-21］，目前業(yè)界研究主要集中在新風自然冷卻冷源的節(jié)能上，很少涉及加濕器的選擇。事實上，選擇合理的加濕形式對于數(shù)據(jù)中心，特別是新風直接自然冷卻數(shù)據(jù)中心的節(jié)能具有舉足輕重的作用，本文將對新風直接自然冷卻數(shù)據(jù)中心的加濕進行相關應用探討。

1 應用背景

1.1 加濕需求依據(jù)

在低濕狀態(tài)下，數(shù)據(jù)中心服務器機殼表面、地板等，都不同程度積累了靜電荷。靜電噪聲會對電子線路的造成干擾：微弱的靜電放電就可能造成儲存器信息丟失，嚴重的情況甚至會給出錯誤代碼，造成誤操作，從而給生產(chǎn)造成重大損失；其次外靜電也會危害數(shù)據(jù)中心工作人員的健康［22］。故GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》要求服務器機柜進風溫度在18～27 ℃之間，露點溫度5.5 ~15 °C，同時相對濕度不大于60%［23］。該規(guī)范的條文說明特別提到：影響靜電積累效應和空氣中各種鹽類粉塵潮解度的主要因素是空氣含濕量，而非相對濕度，這就意味著含濕量5.6 g·kg干空氣-1是數(shù)據(jù)中心最低濕度控制的目標值。同時規(guī)范要求數(shù)據(jù)中心應配置足夠的新風量，新風量按照維持正壓及工作人員衛(wèi)生新風的大值確定。若采用室外新風直接自然冷卻，則進入數(shù)據(jù)中心的室外新風量則遠大于上述新風量。當室外新風含濕量低于5.6 g·kg干空氣-1時則應進行加濕處理。依據(jù)ASHARE中我國氣象臺站的參數(shù)，按照干球溫度整1 ℃，計算±0.5 ℃內濕球溫度的算術平均值，匯總我國位于不同氣候區(qū)屬的典型城市室外空氣含濕量低于5.6 g·kg干空氣-1的年時間占比如表1所示。由表1可以發(fā)現(xiàn)，除海口外，其余城市室外空氣含濕量均有低于5.6 g·kg干空氣-1的時段，大部分城市的占比高于20%，拉薩全年甚至有將近70%的時間需加濕處理。

表1 我國典型城市室外空氣含濕量低于5.6 g?kg干空氣-1的年時間占比

1.2 數(shù)據(jù)中心的新風直接自然冷卻

空氣側自然冷卻是利用室外的冷空氣和干燥空氣作為室內空間的冷卻手段，從而降低空調能耗［24］。數(shù)據(jù)中心新風直接自然冷卻技術基本原理如圖1所示［25］，將室外低溫空氣經(jīng)過過濾引入數(shù)據(jù)中心，吸收數(shù)據(jù)中心內IT等設備散發(fā)的熱量后，再排出室外。

圖1 新風直接自然冷卻原理圖［27］

并不是全年所有時間段的室外空氣溫濕度及空氣品質都滿足數(shù)據(jù)中心的要求，所以新風直接自然冷卻通常需要同機房空調搭配使用確保滿足全年制冷要求。雖然有部分基站采用新風直接自然冷卻系統(tǒng)與空調完全獨立的方案［26］，但為了保證新風自然冷卻時數(shù)據(jù)中心具有與室內循環(huán)機械制冷時同樣的氣流組織，數(shù)據(jù)中心的新風直接自然冷卻系統(tǒng)通常與機房空調共用循環(huán)風機。共用循環(huán)風機的實現(xiàn)方式也不盡相同，業(yè)界有新風直接自然冷卻混風箱及組合式空調箱等多種形式。混風箱形式通常是在下送風機房空調上加裝配有新風閥及回風閥的混風箱，通過調整各個風閥的不同開度以確保準確的送風工況從而實現(xiàn)新風直接自然冷卻［27］。組合式空調箱采用模塊化設計，通常由混風段、過濾段、盤管段、風機段及出風段等不同功能模塊組合而成，其組合方式靈活，適應多種應用場景，在數(shù)據(jù)中心的應用日趨增多。無論哪種實現(xiàn)方式，空調系統(tǒng)通常具有機械制冷、混合制冷及自然冷卻制冷三種運行模式。在混合制冷及自然冷卻制冷模式下，室外空氣直接進入數(shù)據(jù)中心內部，若室外空氣無法達到濕度要求則需要加濕處理，配置加濕功能。常用的組合式空調箱新風直接自然冷卻空調系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 組合式空調箱新風直接自然冷卻空調系統(tǒng)架構圖

2 數(shù)據(jù)中心的加濕

2.1 加濕的分類

依據(jù)處理過程的不同，空氣的加濕可以分成等溫加濕、等焓加濕、加熱加濕和冷卻加濕，這四種加濕過程如圖3所示［28］。常見的等溫加濕設備有干蒸汽加濕器、電極加濕器、電熱加濕器、紅外線加濕器及間接蒸汽加濕器等方式；濕膜加濕器、高壓微霧加濕器、超聲波加濕器、離心式加濕器及噴水室噴淋循環(huán)水等均屬于等焓加濕；當噴淋溫度高于空氣干球溫度的熱水則是加熱加濕過程；而當噴淋溫度低于空氣濕球溫度、高于空氣的露點溫度的冷水就是一種冷卻加濕過程。蒸汽加濕適用于具有蒸汽源的場合，而且設備復雜，初投資高，通常用于相對濕度波動≤±3%的場合；而電熱加濕是最“簡單粗暴”的加濕方式，不僅能耗較大、易結垢，而且存在干燒風險，安全系數(shù)較低，運用日趨減少；離心式加濕器顆粒大，均勻性差，浪費水源，通常適用于室外加濕；噴水室噴淋循環(huán)水裝置簡單，加濕量大，但是水滴較大，需配置擋水板，適用于紡織、化纖工業(yè)用專業(yè)組合式空氣處理機組的冬季等焓加濕［29］。

圖3 加濕過程圖線［28］

2.2 數(shù)據(jù)中心的常用加濕方式

等溫加濕在數(shù)據(jù)中心大量運用，且通常集成在機房空調機組內部，主要有電極加濕及遠紅外線加濕。電極加濕器是將電極置于充水容器中，以水為電阻，通電后，電流從水中通過，水被加熱而產(chǎn)生蒸汽，通過蒸汽管送至需要加濕的空間。遠紅外線加濕主要通過遠紅外線熱輻射使水表面在紅外線作用下蒸發(fā)，達到加濕的目的。電極加濕器相對于遠紅外線加濕器節(jié)能25%，在傳統(tǒng)機房空調機組中具有更為廣泛的應用。隨著業(yè)界對于節(jié)能的不斷追求，等焓加濕在數(shù)據(jù)中心的運用越來越多，目前數(shù)據(jù)中心常用的等焓加濕有濕膜加濕、超聲波加濕及高壓微霧加濕。濕膜加濕是通過將水滴淋在濕膜填料上，并形成均勻的水膜，水膜吸收空氣的熱量汽化蒸發(fā)，實現(xiàn)空氣的加濕。超聲波加濕是利用超聲波振子的高頻震蕩，將水霧化成直徑為3 ~5 μm的超微粒子后，與空氣進行熱濕交換，對空氣進行加濕。高壓微霧加濕器是將水加壓后輸送到噴嘴進行霧化，以5~15 μm的微霧粒子噴射出去，微霧粒子在空氣中吸收熱量，汽化蒸發(fā)，從而增大周邊的空氣相對濕度。等焓加濕后，空氣的溫度變低，伴隨加濕而來的蒸發(fā)冷卻可減少數(shù)據(jù)中心的制冷需求，一舉兩得。不同的加濕方式性能差異明顯，數(shù)據(jù)中心常用加濕方式的性能對比如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)中心常用加濕方式的性能對比［30-35］

3 新風直接自然冷卻數(shù)據(jù)中心的加 濕性能分析

3.1 加濕量分析

以某互聯(lián)網(wǎng)IDC模塊化機房為例來分析加濕方式的選擇，該模塊化機房面積為620 m2，層高5 m，室內負載合計1200 kW，配置10臺150 kW的新風直接自然冷卻空調機組，8+2的備用方式，設計回風溫度35 ℃，送風溫度23 ℃、最低含濕量為5.6 g?kg干空氣-1，按照維持機房10 Pa的正壓設計新風量。施雨晨等［36］推導出了維持房間正壓所需最小機械新風量的計算公式，通常在缺乏房間的詳細布置資料時，新風量可以按房間換氣次數(shù)計算方法進行估算，保持室內外10 Pa壓差房間的新風換氣次數(shù)約1.0～1.5次?h-1［37］。適當考慮一定余量，本文以新風換氣次數(shù)2次?h-1進行討論。按照GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》［38］中各氣象臺站的冬季空氣調節(jié)室外計算溫濕度，以當?shù)馗汕驕囟?3 ℃，含濕量為5.6 g?kg干空氣-1時的空氣密度為計算依據(jù)，通過式（1）可以得出維持機房正壓的最小加濕量。

式中w為加濕量，kg?h-1；空氣密度，本文為干球溫度23 ℃且含濕量為5.?6 g?kg干空氣-1時的當 地 空 氣 密 度，kg?m-3；LO為 新 風 量，m3? h-1；dS為數(shù)據(jù)中心送風的含濕量，本文為5.6 g?kg干空氣-1；dO為 室外空氣含濕量，g?kg干空氣-1。

利用式（2）可以計算出各個位于不同氣象臺站數(shù)據(jù)中心的空調送風量，通過式（3）可以計算出新風直接自然冷卻在其冬季空氣調節(jié)溫濕度室外計算點的新風需求量，從而通過式（1）可以計算出對應的加濕量。

式中 Q為制冷量，kW；LS為空調送風量，m3? h-1；空氣密度，本文為干球溫度23 ℃且含濕量為5.6 g?kg干空氣-1時 的當?shù)乜諝饷芏龋琸g?m-3；CP為定壓比熱容，1.01 kJ?(kg?℃)-1；△t為數(shù)據(jù)中心設計送回風干球溫差，℃；LO為 新風量，m3? h-1；tr為 數(shù)據(jù)中心設計回風干球溫度，℃；ts為 數(shù)據(jù)中心設計送風干球溫度，℃；to為 室外干球溫度，℃。

表3匯總了我國大陸典型城市在冬季空氣調節(jié)室外計算溫濕度點（非極值點）維持正壓及新風直接自然冷卻的加濕量需求值，由表3可以看出，維持正壓需求的加濕量小，需求最大的哈爾濱也僅需39 kg?h-1，8臺主用機組平攤，每臺機組需求的加濕量不足5 kg?h-1，電極加濕與遠紅外加濕單臺的加濕能力均可滿足，且可集成在機組內部，易于實現(xiàn)。而新風直接自然冷卻需求的加濕量大，除海口及思茅不需要加濕外，需求最小的南寧加濕量也達161 kg?h-1，即使按照全部10臺機組平攤，單臺機組遠紅外加濕器的加濕能力已無法滿足加濕量的需求，電極加濕器的加濕能力也稍嫌不足，而等焓加濕的三種方式均可按需組合提供足夠的加濕量。

表3 我國大陸典型城市維持正壓及新風直接自然冷卻的加濕量

3.2 不同加濕方式的節(jié)能對比分析

我國幅員遼闊，氣候差異明顯，不同地區(qū)的室外空氣含濕量也存在很大差異，采用新風直接自然冷卻，需要校核加濕功耗對于節(jié)能的影響。依據(jù)ASHARE中我國氣象臺站的參數(shù)，按照干球溫度整1 ℃，計算±0.5 ℃內濕球溫度的算術平均值，匯總我國典型城市的各干球溫度的年小時數(shù)，依據(jù)式（2）及式（3）可以計算出各干球溫度點的加濕量。以上述模塊化機房為例，干球溫度為23 ℃及以下區(qū)間為名義自然冷卻制冷模式溫度區(qū)間，假設壓縮機COP在該溫度區(qū)間平均值為5，則可以計算出每年自然冷卻制冷模式下壓縮機理論節(jié)省功耗；將名義自然冷卻制冷溫度區(qū)間內-1含濕量低于5.6 g?kg干空氣 的各干球溫度點的加濕量與該干球溫度的年小時數(shù)乘積匯總相加，則可以求得該城市自然冷卻制冷模式下的年加濕量。我國典型城市的年名義自然冷卻制冷溫度區(qū)間壓縮機理論節(jié)省功耗與加濕量統(tǒng)計如表4所示。

表4 我國典型城市的年名義自然冷卻制冷溫度區(qū)間壓縮機理論節(jié)省功耗與加濕量

依據(jù)表2中數(shù)據(jù)中心常用五種加濕方式的單位加濕功率可以計算出各個典型城市采用不同加濕方式的加濕功耗，不同加濕方式的節(jié)能損失率可以采用下式計算：

式中n為節(jié)能損失率；Wh為 加濕功耗，kW?h；WS壓縮機理論節(jié)省功耗，kW?h。

從式（4）可以看出，節(jié)能損失率越低表明該加濕方式的功耗占比壓縮機節(jié)能功耗越低，系統(tǒng)相對越節(jié)能，若該值大于1，則表示采用該加濕方式的加濕功耗大于壓縮機節(jié)省的功耗，新風自然冷卻節(jié)省的壓縮機功耗全部被加濕設備消耗，整個系統(tǒng)反而不節(jié)能。圖4顯示了我國典型城市五種加濕方式的節(jié)能損失率曲線，由圖4可以發(fā)現(xiàn)：等溫加濕的節(jié)能損失率普遍偏高，拉薩采用遠紅外加濕節(jié)能損失率甚至超過130%；等焓加濕的節(jié)能損失率遠低于等溫加濕的節(jié)能損失率，加濕需求量最大的拉薩濕膜加濕節(jié)能損失率亦不超過11%；新風直接自然冷卻時尚需考慮新風濾網(wǎng)、新風管路及排風等功能模塊的附加功耗，若以加濕節(jié)能損失率不超過50%作為整體系統(tǒng)節(jié)能判斷的前提條件，則僅空氣相對濕潤的夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)及港澳臺地區(qū)可采用等溫加濕，而各個城市均可以采用等焓加濕。

圖4 我國典型城市五種加濕方式節(jié)能損失率曲線圖

4 結語

新風直接自然冷卻制冷的數(shù)據(jù)中心室外新風量大，加濕需求大，選擇合理加濕方式才能既確保數(shù)據(jù)中心在合適的溫濕度環(huán)境中運行，又降低加濕節(jié)能損失率。無論是從加濕能力還是加濕節(jié)能性上分析，等焓加濕在新風直接自然冷卻機組制冷的數(shù)據(jù)中心更具優(yōu)勢。