精密空调技术特点及其在机房的应用.doc

精密空调技术特点及其在机房的应用

二〇一一年十二月
I

目 录
1 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 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 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 7
附表1 8
附表2 9

1 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：
l 保持温度恒定（A、B级机房23±1℃，C级机房18~28℃）；
l 保持湿度恒定（A、B级机房40%~55%，C级机房35%~75%）；
l 每升空气中≥0.5μm的颗粒应少于18000个；
l 换气次数>30次/小时；
l 机房与室外正压>9.8Pa，无外窗时相对相邻房间正压>4.9Pa；
l 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
相对湿度对计算机设备的影响也同样明显。当相对湿度较高时，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
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，<0.5μm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
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
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10~15m。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10~15m处的送风。

2 机房空调系统的特点
2.1 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8~10kW。
2.2 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8~16g/m2h。
2.3 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。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
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30~60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
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
3.1 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
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5~10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
精密空调的出风温度比普通空调高，一般在13~15℃，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6~8℃，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。
3.4 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0.5μm/L<18000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
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
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
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。
3.8 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
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。
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）
100~150
300~1000或更大
2
冷风比（kJ/m3）
21
9.2~12.6
3
显热比（%）
60~70
90~100
4
焓差（Kj/kg）
17.0~22.0
8.5~12.5
5
能效比
2.9左右
高于3.3
6
换气次数/小时
一般5~10次
30次以上
7
控制精度
±3℃
±1℃，±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0.5μm/L<18000
10
蒸发温度
3~5℃或更低
7~11℃
11
出风温度
6~8℃
13~15℃
12
迎风面积
较小
1.3~2.7m2
13
迎面风速
较大
<2.7m/s
14
蒸发器排数
4、6、8
2~4
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）
2000h
8760h
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
3~5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
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
膨胀阀
一般为毛细管，无法自动调节制冷系统的过冷度与过热度
外平衡式膨胀阀，热平衡膨胀阀，电子膨胀阀
7
风机
采用泡沫外壳，塑料叶轮，风量小，效率低，寿命短
风量比普通空调高35%以上，能效比高，运行经济性好，全金属外壳，全金属叶轮
8
加热器
普通加热器
PTC陶瓷加热器
9
控制与显示屏
只有字符显示代码告警，没有记录功能
智能化微电脑控制系统，全中文大屏幕LCD背光显示，人性化界面
10
其他
整机体积小、美观但不耐用，风机、压缩机易烧毁，室外机噪声大
压缩机一般装在室内，增加制冷系统稳定性，室外机噪声小

9