精密空调技术特点及其在机房的应用.docx
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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
二〇一一年十二月
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18
附表29
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》（GB50174-2008）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23±1℃，C级机房18~28℃）；
●保持湿度恒定（A、B级机房40%~55%，C级机房35%~75%）；
●每升空气中≥0.5μm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
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