新风直接自然冷却空调机组制冷的数据中心的加湿探讨

肖新文

（世图兹空调技术服务（上海）有限公司，上海 201108）

对于数据中心自然冷却技术的分类，部分学者将其分成三种［1-2］，但按照国际上通用的分类方法，主要有水侧自然冷却及空气侧自然冷却两大类别［3］。 水侧自然冷却有自然水源冷却［4-5］、动态自然冷却空调系统［6-7］、冷却塔免费冷源［8-9］、自然冷却风冷冷冻水机组［10-11］等方式。空气侧自然冷却有间接及直接自然冷却，如转轮［12］、热管［13-14］、氟泵［15-16］及间接蒸发冷却机组［17-18］等均属于间接空气自然冷却，由于无中间介质能量转换和传递中间环节，新风直接自然冷却节能效果更加直接和显著，该自然冷却方式在数据中心亦有不少的实际应用案例［19-21］，目前业界研究主要集中在新风自然冷却冷源的节能上，很少涉及加湿器的选择。事实上，选择合理的加湿形式对于数据中心，特别是新风直接自然冷却数据中心的节能具有举足轻重的作用，本文将对新风直接自然冷却数据中心的加湿进行相关应用探讨。

1 应用背景

1.1 加湿需求依据

在低湿状态下，数据中心服务器机壳表面、地板等，都不同程度积累了静电荷。静电噪声会对电子线路的造成干扰：微弱的静电放电就可能造成储存器信息丢失，严重的情况甚至会给出错误代码，造成误操作，从而给生产造成重大损失；其次外静电也会危害数据中心工作人员的健康［22］。故GB50174-2017《数据中心设计规范》要求服务器机柜进风温度在18～27 ℃之间，露点温度5.5 ~15 °C，同时相对湿度不大于60%［23］。该规范的条文说明特别提到：影响静电积累效应和空气中各种盐类粉尘潮解度的主要因素是空气含湿量，而非相对湿度，这就意味着含湿量5.6 g·kg干空气-1是数据中心最低湿度控制的目标值。同时规范要求数据中心应配置足够的新风量，新风量按照维持正压及工作人员卫生新风的大值确定。若采用室外新风直接自然冷却，则进入数据中心的室外新风量则远大于上述新风量。当室外新风含湿量低于5.6 g·kg干空气-1时则应进行加湿处理。依据ASHARE中我国气象台站的参数，按照干球温度整1 ℃，计算±0.5 ℃内湿球温度的算术平均值，汇总我国位于不同气候区属的典型城市室外空气含湿量低于5.6 g·kg干空气-1的年时间占比如表1所示。由表1可以发现，除海口外，其余城市室外空气含湿量均有低于5.6 g·kg干空气-1的时段，大部分城市的占比高于20%，拉萨全年甚至有将近70%的时间需加湿处理。

表1 我国典型城市室外空气含湿量低于5.6 g•kg干空气-1的年时间占比

1.2 数据中心的新风直接自然冷却

空气侧自然冷却是利用室外的冷空气和干燥空气作为室内空间的冷却手段，从而降低空调能耗［24］。数据中心新风直接自然冷却技术基本原理如图1所示［25］，将室外低温空气经过过滤引入数据中心，吸收数据中心内IT等设备散发的热量后，再排出室外。

图1 新风直接自然冷却原理图［27］

并不是全年所有时间段的室外空气温湿度及空气品质都满足数据中心的要求，所以新风直接自然冷却通常需要同机房空调搭配使用确保满足全年制冷要求。虽然有部分基站采用新风直接自然冷却系统与空调完全独立的方案［26］，但为了保证新风自然冷却时数据中心具有与室内循环机械制冷时同样的气流组织，数据中心的新风直接自然冷却系统通常与机房空调共用循环风机。共用循环风机的实现方式也不尽相同，业界有新风直接自然冷却混风箱及组合式空调箱等多种形式。混风箱形式通常是在下送风机房空调上加装配有新风阀及回风阀的混风箱，通过调整各个风阀的不同开度以确保准确的送风工况从而实现新风直接自然冷却［27］。组合式空调箱采用模块化设计，通常由混风段、过滤段、盘管段、风机段及出风段等不同功能模块组合而成，其组合方式灵活，适应多种应用场景，在数据中心的应用日趋增多。无论哪种实现方式，空调系统通常具有机械制冷、混合制冷及自然冷却制冷三种运行模式。在混合制冷及自然冷却制冷模式下，室外空气直接进入数据中心内部，若室外空气无法达到湿度要求则需要加湿处理，配置加湿功能。常用的组合式空调箱新风直接自然冷却空调系统架构如图2所示。

图2 组合式空调箱新风直接自然冷却空调系统架构图

2 数据中心的加湿

2.1 加湿的分类

依据处理过程的不同，空气的加湿可以分成等温加湿、等焓加湿、加热加湿和冷却加湿，这四种加湿过程如图3所示［28］。常见的等温加湿设备有干蒸汽加湿器、电极加湿器、电热加湿器、红外线加湿器及间接蒸汽加湿器等方式；湿膜加湿器、高压微雾加湿器、超声波加湿器、离心式加湿器及喷水室喷淋循环水等均属于等焓加湿；当喷淋温度高于空气干球温度的热水则是加热加湿过程；而当喷淋温度低于空气湿球温度、高于空气的露点温度的冷水就是一种冷却加湿过程。蒸汽加湿适用于具有蒸汽源的场合，而且设备复杂，初投资高，通常用于相对湿度波动≤±3%的场合；而电热加湿是最“简单粗暴”的加湿方式，不仅能耗较大、易结垢，而且存在干烧风险，安全系数较低，运用日趋减少；离心式加湿器颗粒大，均匀性差，浪费水源，通常适用于室外加湿；喷水室喷淋循环水装置简单，加湿量大，但是水滴较大，需配置挡水板，适用于纺织、化纤工业用专业组合式空气处理机组的冬季等焓加湿［29］。

图3 加湿过程图线［28］

2.2 数据中心的常用加湿方式

等温加湿在数据中心大量运用，且通常集成在机房空调机组内部，主要有电极加湿及远红外线加湿。电极加湿器是将电极置于充水容器中，以水为电阻，通电后，电流从水中通过，水被加热而产生蒸汽，通过蒸汽管送至需要加湿的空间。远红外线加湿主要通过远红外线热辐射使水表面在红外线作用下蒸发，达到加湿的目的。电极加湿器相对于远红外线加湿器节能25%，在传统机房空调机组中具有更为广泛的应用。随着业界对于节能的不断追求，等焓加湿在数据中心的运用越来越多，目前数据中心常用的等焓加湿有湿膜加湿、超声波加湿及高压微雾加湿。湿膜加湿是通过将水滴淋在湿膜填料上，并形成均匀的水膜，水膜吸收空气的热量汽化蒸发，实现空气的加湿。超声波加湿是利用超声波振子的高频震荡，将水雾化成直径为3 ~5 μm的超微粒子后，与空气进行热湿交换，对空气进行加湿。高压微雾加湿器是将水加压后输送到喷嘴进行雾化，以5~15 μm的微雾粒子喷射出去，微雾粒子在空气中吸收热量，汽化蒸发，从而增大周边的空气相对湿度。等焓加湿后，空气的温度变低，伴随加湿而来的蒸发冷却可减少数据中心的制冷需求，一举两得。不同的加湿方式性能差异明显，数据中心常用加湿方式的性能对比如表2所示。

表2 数据中心常用加湿方式的性能对比［30-35］

3 新风直接自然冷却数据中心的加 湿性能分析

3.1 加湿量分析

以某互联网IDC模块化机房为例来分析加湿方式的选择，该模块化机房面积为620 m2，层高5 m，室内负载合计1200 kW，配置10台150 kW的新风直接自然冷却空调机组，8+2的备用方式，设计回风温度35 ℃，送风温度23 ℃、最低含湿量为5.6 g•kg干空气-1，按照维持机房10 Pa的正压设计新风量。施雨晨等［36］推导出了维持房间正压所需最小机械新风量的计算公式，通常在缺乏房间的详细布置资料时，新风量可以按房间换气次数计算方法进行估算，保持室内外10 Pa压差房间的新风换气次数约1.0～1.5次•h-1［37］。适当考虑一定余量，本文以新风换气次数2次•h-1进行讨论。按照GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》［38］中各气象台站的冬季空气调节室外计算温湿度，以当地干球温度23 ℃，含湿量为5.6 g•kg干空气-1时的空气密度为计算依据，通过式（1）可以得出维持机房正压的最小加湿量。

式中w为加湿量，kg•h-1；空气密度，本文为干球温度23 ℃且含湿量为5.?6 g•kg干空气-1时的当 地 空 气 密 度，kg•m-3；LO为 新 风 量，m3• h-1；dS为数据中心送风的含湿量，本文为5.6 g•kg干空气-1；dO为 室外空气含湿量，g•kg干空气-1。

利用式（2）可以计算出各个位于不同气象台站数据中心的空调送风量，通过式（3）可以计算出新风直接自然冷却在其冬季空气调节温湿度室外计算点的新风需求量，从而通过式（1）可以计算出对应的加湿量。

式中 Q为制冷量，kW；LS为空调送风量，m3• h-1；空气密度，本文为干球温度23 ℃且含湿量为5.6 g•kg干空气-1时 的当地空气密度，kg•m-3；CP为定压比热容，1.01 kJ•(kg•℃)-1；△t为数据中心设计送回风干球温差，℃；LO为 新风量，m3• h-1；tr为 数据中心设计回风干球温度，℃；ts为 数据中心设计送风干球温度，℃；to为 室外干球温度，℃。

表3汇总了我国大陆典型城市在冬季空气调节室外计算温湿度点（非极值点）维持正压及新风直接自然冷却的加湿量需求值，由表3可以看出，维持正压需求的加湿量小，需求最大的哈尔滨也仅需39 kg•h-1，8台主用机组平摊，每台机组需求的加湿量不足5 kg•h-1，电极加湿与远红外加湿单台的加湿能力均可满足，且可集成在机组内部，易于实现。而新风直接自然冷却需求的加湿量大，除海口及思茅不需要加湿外，需求最小的南宁加湿量也达161 kg•h-1，即使按照全部10台机组平摊，单台机组远红外加湿器的加湿能力已无法满足加湿量的需求，电极加湿器的加湿能力也稍嫌不足，而等焓加湿的三种方式均可按需组合提供足够的加湿量。

表3 我国大陆典型城市维持正压及新风直接自然冷却的加湿量

3.2 不同加湿方式的节能对比分析

我国幅员辽阔，气候差异明显，不同地区的室外空气含湿量也存在很大差异，采用新风直接自然冷却，需要校核加湿功耗对于节能的影响。依据ASHARE中我国气象台站的参数，按照干球温度整1 ℃，计算±0.5 ℃内湿球温度的算术平均值，汇总我国典型城市的各干球温度的年小时数，依据式（2）及式（3）可以计算出各干球温度点的加湿量。以上述模块化机房为例，干球温度为23 ℃及以下区间为名义自然冷却制冷模式温度区间，假设压缩机COP在该温度区间平均值为5，则可以计算出每年自然冷却制冷模式下压缩机理论节省功耗；将名义自然冷却制冷温度区间内-1含湿量低于5.6 g•kg干空气 的各干球温度点的加湿量与该干球温度的年小时数乘积汇总相加，则可以求得该城市自然冷却制冷模式下的年加湿量。我国典型城市的年名义自然冷却制冷温度区间压缩机理论节省功耗与加湿量统计如表4所示。

表4 我国典型城市的年名义自然冷却制冷温度区间压缩机理论节省功耗与加湿量

依据表2中数据中心常用五种加湿方式的单位加湿功率可以计算出各个典型城市采用不同加湿方式的加湿功耗，不同加湿方式的节能损失率可以采用下式计算：

式中n为节能损失率；Wh为 加湿功耗，kW•h；WS压缩机理论节省功耗，kW•h。

从式（4）可以看出，节能损失率越低表明该加湿方式的功耗占比压缩机节能功耗越低，系统相对越节能，若该值大于1，则表示采用该加湿方式的加湿功耗大于压缩机节省的功耗，新风自然冷却节省的压缩机功耗全部被加湿设备消耗，整个系统反而不节能。图4显示了我国典型城市五种加湿方式的节能损失率曲线，由图4可以发现：等温加湿的节能损失率普遍偏高，拉萨采用远红外加湿节能损失率甚至超过130%；等焓加湿的节能损失率远低于等温加湿的节能损失率，加湿需求量最大的拉萨湿膜加湿节能损失率亦不超过11%；新风直接自然冷却时尚需考虑新风滤网、新风管路及排风等功能模块的附加功耗，若以加湿节能损失率不超过50%作为整体系统节能判断的前提条件，则仅空气相对湿润的夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区及港澳台地区可采用等温加湿，而各个城市均可以采用等焓加湿。

图4 我国典型城市五种加湿方式节能损失率曲线图

4 结语

新风直接自然冷却制冷的数据中心室外新风量大，加湿需求大，选择合理加湿方式才能既确保数据中心在合适的温湿度环境中运行，又降低加湿节能损失率。无论是从加湿能力还是加湿节能性上分析，等焓加湿在新风直接自然冷却机组制冷的数据中心更具优势。