南方沿海城市數(shù)據(jù)中心結(jié)露分析與濕度控制策略*

周 游 侯 婕 廉新科

（海軍研究院 北京 100036）

1 引言

在高度數(shù)字化的今天，數(shù)據(jù)中心容納著大量的存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器以及通信設(shè)備，這些設(shè)備因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤膶?duì)環(huán)境的要求以及物理安全上的需求而被放置于相同的位置［1］。數(shù)據(jù)中心中電子設(shè)備是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行，直接決定了這些設(shè)備所承載業(yè)務(wù)的質(zhì)量。數(shù)據(jù)中心中空氣濕度必須保持一個(gè)合適的范圍，才能夠給其中的電子設(shè)備提供較為安全的環(huán)境。如果濕度過(guò)低容易產(chǎn)生靜電，存在靜電擊穿電子元器件而損害電子設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)；如果濕度過(guò)高，會(huì)加速金屬氧化，縮短電子設(shè)備壽命，降低絕緣材料的性能［5］。根據(jù)2017版《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定［2］，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域要求露點(diǎn)溫度5.5℃～15℃，同時(shí)相對(duì)濕度不大于60%，主機(jī)房環(huán)境要求濕度8%～80%，同時(shí)露點(diǎn)溫度不大于27℃。我國(guó)南方沿海城市在特定季節(jié)空氣非常潮濕，雨后空氣相對(duì)濕度甚至可接近100%，室內(nèi)墻壁經(jīng)常發(fā)霉甚至結(jié)露，這使得建設(shè)在南方沿海城市數(shù)據(jù)中心的濕度控制十分困難。本文僅針對(duì)南方沿海地區(qū)濕度過(guò)高的情況，討論降低濕度的濕度控制方法。本文所討論的均為一個(gè)大氣壓不變的情況下。

2 相關(guān)定義與焓濕圖

含濕量d表示空氣中含水量的多少，定義為濕空氣中與單位質(zhì)量（1kg）干空氣并存的水蒸氣的質(zhì)量，單位g/kg。

相同溫度下，空氣中的水含量越多，空氣越濕潤(rùn)，空氣中水蒸汽分氣壓也越大。當(dāng)空氣中水含量達(dá)到最大，即濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的水蒸汽分氣壓為當(dāng)前溫度下的飽和水蒸汽分氣壓［3］。相對(duì)濕度?反映空氣的潮濕程度，定義為空氣中水蒸汽分氣壓與相同溫度下飽和水蒸汽分氣壓的百分比。

焓h表示單位質(zhì)量空氣中含有能量的多少，定義為1kg的物質(zhì)含有多少千焦的能量，單位kj/kg。

熱濕比表示熱量和含濕量變化的比值，定義為焓的變化與含濕量變化的比值。

焓濕圖能夠用來(lái)表示濕空氣中各參數(shù)之間關(guān)系的曲線圖，是用來(lái)分析濕空氣狀態(tài)變化應(yīng)用最廣泛的工具圖［9］，如圖1所示。被稱為“空調(diào)之父”的Willis Haviland Carrier［8］找到了干濕球溫度和露點(diǎn)溫度關(guān)系及潛熱和顯熱關(guān)系，發(fā)表了溫濕度基本原理，并繪制了焓濕圖，這是空調(diào)計(jì)算的里程碑。焓濕圖中有等焓線（h線）、等濕線（d線）、等溫線（t線）和等相對(duì)濕度線（?線）組成。

圖1 焓濕圖

等溫線是平行排列的橫線，在等溫線上，各點(diǎn)溫度相同，空氣含濕量越大，相對(duì)濕度越大，同時(shí)焓值也越大。等焓線是平行排列的斜線，在等焓線上，焓值相同，溫度越高，含濕量越低，相對(duì)濕度也越低。等濕線是平行排列的豎線，在等濕線上，空氣含濕量相同，空氣溫度越低，焓值越低，相對(duì)濕度越高。等相對(duì)濕度線是一簇互不交叉的曲線，在等相對(duì)濕度線上，各點(diǎn)相對(duì)濕度相同，溫度越高，含濕量越高，同時(shí)焓值也越大。

請(qǐng)注意相對(duì)濕度100%的等相對(duì)濕度線即最右側(cè)的等相對(duì)濕度線，表示空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，線上的每個(gè)點(diǎn)都表示對(duì)應(yīng)溫度下空氣中能承受的最大的含濕量。同時(shí)線上的點(diǎn)也表示在對(duì)應(yīng)含濕量情況下，保證空氣中的水蒸汽不液化的最低溫度，若溫度再繼續(xù)下降，空氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)［12］。如果使特定含濕量下的空氣逐漸降溫，當(dāng)空氣中水蒸氣凝結(jié)時(shí)的溫度叫做露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度反映的是空氣中的含濕量大小，含濕量越大，露點(diǎn)溫度越高。由于空氣達(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣為飽和狀態(tài)，因此空氣結(jié)露時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)均在相對(duì)濕度100%的等相對(duì)濕度線上滑動(dòng)。

3 恒溫恒濕空調(diào)工作原理

空調(diào)制冷是靠制冷劑在不同位置的液化放熱和汽化吸熱實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移?？照{(diào)工作時(shí)，低溫低壓的制冷劑液體流經(jīng)空調(diào)室內(nèi)機(jī)的蒸發(fā)器（銅管），吸收大量的熱量蒸發(fā)變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w，低溫低壓的制冷劑氣體經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w，氣體經(jīng)過(guò)空調(diào)室外機(jī)的冷凝器（銅管）時(shí)，由于冷凝器的溫度低于此時(shí)的氣態(tài)制冷劑，制冷劑液化成中溫高壓的液體，同時(shí)在室外放出大量的熱量。中溫高壓液體再經(jīng)過(guò)膨脹閥、毛細(xì)管等變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w再進(jìn)入室內(nèi)機(jī)的蒸發(fā)器。制冷劑在壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，在室內(nèi)吸收熱量，在室外釋放熱量，循環(huán)往復(fù)［11］。室內(nèi)的空氣在風(fēng)機(jī)的吹動(dòng)下，流經(jīng)低溫的蒸發(fā)器表面，溫度下降，實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷。

空調(diào)除濕是利用空調(diào)蒸發(fā)器制冷時(shí)的低溫，使流經(jīng)空氣的溫度大幅度下降，下降到低于露點(diǎn)溫度，空氣就會(huì)在蒸發(fā)器上凝結(jié)成水，再將水排出室外達(dá)到除濕的目的。

空調(diào)在制冷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冷凝水，使空氣中的含水量降低，從焓濕圖中可知，空氣的露點(diǎn)溫度也會(huì)隨著降低。當(dāng)空氣溫度達(dá)到了設(shè)定溫度范圍，空調(diào)的控制系統(tǒng)會(huì)使壓縮機(jī)以較低功率運(yùn)轉(zhuǎn)，防止空氣過(guò)冷低于設(shè)定的最低溫度。隨著制冷過(guò)程中含水量的下降，當(dāng)空氣露點(diǎn)溫度降低到一定程度后，不產(chǎn)生冷凝水，空氣中的含水量就會(huì)維持在一定水平。空調(diào)在除濕時(shí)，空調(diào)為了盡量快和盡量多地產(chǎn)生冷凝水，使蒸發(fā)器處于一個(gè)很低的溫度，所以除濕的同時(shí)必然會(huì)制冷。

當(dāng)機(jī)房溫度較低但濕度較高時(shí)，在空調(diào)的作用下，溫度先達(dá)到設(shè)定值，但濕度仍然超標(biāo)，為了繼續(xù)除濕的同時(shí)不至于空氣過(guò)冷，導(dǎo)致低于設(shè)定的最低溫度，恒溫恒濕空調(diào)一般都具備除濕再熱功能，在除濕的同時(shí)會(huì)適當(dāng)加熱流過(guò)蒸發(fā)器的空氣［4］。

4 南方沿海城市案例分析

中國(guó)南方沿海地區(qū)空氣潮濕，數(shù)據(jù)中心空調(diào)的除濕負(fù)擔(dān)較重［7］。某數(shù)據(jù)中心選址在某沿海城市的地下一層，氣流組織采用冷熱通道隔離方式［6］，空調(diào)布置位置采用行間空調(diào)方式，平面布置圖如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)中心平面布置圖

當(dāng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)完成后，業(yè)務(wù)設(shè)備上架前，開(kāi)啟空調(diào)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中心內(nèi)空氣溫度和濕度，以滿足電子設(shè)備使用環(huán)境要求。開(kāi)啟空調(diào)前，數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)空氣與室外空氣相同，溫度高且濕度大，狀態(tài)見(jiàn)圖中A點(diǎn)?？照{(diào)出風(fēng)溫度遠(yuǎn)低于機(jī)房?jī)?nèi)空氣溫度，在出風(fēng)口處的空氣會(huì)形成較大的溫差，產(chǎn)生結(jié)霧現(xiàn)象，狀態(tài)見(jiàn)圖中B點(diǎn)。隨著溫度的降低和冷凝水的析出，空氣的溫度和含濕量均降低。但由于南方沿海城市氣候濕度大的特點(diǎn)，溫度會(huì)先達(dá)到設(shè)定值，但濕度仍高于設(shè)定值，空調(diào)開(kāi)啟除濕模式，但由于溫度已達(dá)到設(shè)定值，空調(diào)會(huì)對(duì)流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣再加熱，以防空氣溫度過(guò)低，最終穩(wěn)定在C點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)中心驗(yàn)收期間，由于測(cè)試驗(yàn)收人員頻繁出入數(shù)據(jù)中心，熱通道經(jīng)常與室外空氣交換，導(dǎo)致熱通道內(nèi)濕度陡增。同時(shí)室內(nèi)人員的呼吸也加重的室內(nèi)空氣濕度。熱通道空氣濕度遠(yuǎn)超出設(shè)定范圍，除濕模式開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)空調(diào)蒸發(fā)器的熱通道空氣溫度不會(huì)瞬間降為C點(diǎn)溫度，而是如D點(diǎn)所示。冷通道內(nèi)機(jī)柜門(mén)等物體溫度與C點(diǎn)溫度相同，而D點(diǎn)狀態(tài)下的空氣結(jié)露溫度高于C點(diǎn)溫度，所以進(jìn)入冷通道的空氣遇到機(jī)柜門(mén)時(shí)會(huì)產(chǎn)生結(jié)露。

5 南方沿海城市數(shù)據(jù)中心濕度控制建議

增加密封性能，對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行密封，盡量減少室外空氣進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。在工程驗(yàn)收過(guò)程中盡量減少開(kāi)關(guān)門(mén)次數(shù)，驗(yàn)收數(shù)據(jù)中心設(shè)備運(yùn)行環(huán)境時(shí)，建議經(jīng)過(guò)空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定后再驗(yàn)收。如是有人值守的數(shù)據(jù)中心，建議運(yùn)維人員與運(yùn)行環(huán)境采取密封隔離的措施，以減少人員因呼吸增加的濕熱負(fù)擔(dān)。同時(shí)在機(jī)柜空閑的槽位安裝隔板，減少冷熱通道之間氣流的交換。

合理組織氣流，建議在數(shù)據(jù)中心內(nèi)空調(diào)和除濕機(jī)搭配使用，熱通道內(nèi)加裝除濕機(jī)。由于除濕機(jī)的蒸發(fā)器冷凝器均在室內(nèi)，空氣經(jīng)過(guò)除濕機(jī)后只降低濕度，溫度不會(huì)降低，能夠減少空調(diào)除濕再熱的負(fù)擔(dān)。同時(shí)除濕機(jī)的冷媒運(yùn)行距離不長(zhǎng)，主要配件功率不高，使它的能耗遠(yuǎn)低于空調(diào)除濕，能夠減少降低數(shù)據(jù)中心能源消耗［10］。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析得出南方沿海城市數(shù)據(jù)中心結(jié)露的主要原因是數(shù)據(jù)中心外的高溫高濕空氣直接進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，空調(diào)的除濕再熱功能開(kāi)啟后回流至冷通道的空氣的露點(diǎn)較高產(chǎn)生結(jié)露。防止南方沿海城市數(shù)據(jù)中心結(jié)露的策略主要為加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心密封性，減少因人員活動(dòng)帶來(lái)的濕度影響，同時(shí)建議在南方沿海城市數(shù)據(jù)中心空調(diào)和除濕機(jī)搭配使用。