南方沿海城市数据中心结露分析与湿度控制策略*

2021-08-12廉新科

舰船电子工程 2021年7期

周游侯婕廉新科

（海军研究院北京 100036）

1 引言

在高度数字化的今天，数据中心容纳着大量的存储设备、服务器以及通信设备，这些设备因为它们具有相同的对环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］。数据中心中电子设备是否能够稳定运行，直接决定了这些设备所承载业务的质量。数据中心中空气湿度必须保持一个合适的范围，才能够给其中的电子设备提供较为安全的环境。如果湿度过低容易产生静电，存在静电击穿电子元器件而损害电子设备的风险；如果湿度过高，会加速金属氧化，缩短电子设备寿命，降低绝缘材料的性能［5］。根据2017版《数据中心设计规范》中的规定［2］，机柜进风区域要求露点温度5.5℃～15℃，同时相对湿度不大于60%，主机房环境要求湿度8%～80%，同时露点温度不大于27℃。我国南方沿海城市在特定季节空气非常潮湿，雨后空气相对湿度甚至可接近100%，室内墙壁经常发霉甚至结露，这使得建设在南方沿海城市数据中心的湿度控制十分困难。本文仅针对南方沿海地区湿度过高的情况，讨论降低湿度的湿度控制方法。本文所讨论的均为一个大气压不变的情况下。

2 相关定义与焓湿图

含湿量d表示空气中含水量的多少，定义为湿空气中与单位质量（1kg）干空气并存的水蒸气的质量，单位g/kg。

相同温度下，空气中的水含量越多，空气越湿润，空气中水蒸汽分气压也越大。当空气中水含量达到最大，即湿空气达到饱和状态时，此时的水蒸汽分气压为当前温度下的饱和水蒸汽分气压［3］。相对湿度Ø反映空气的潮湿程度，定义为空气中水蒸汽分气压与相同温度下饱和水蒸汽分气压的百分比。

焓h表示单位质量空气中含有能量的多少，定义为1kg的物质含有多少千焦的能量，单位kj/kg。

热湿比表示热量和含湿量变化的比值，定义为焓的变化与含湿量变化的比值。

焓湿图能够用来表示湿空气中各参数之间关系的曲线图，是用来分析湿空气状态变化应用最广泛的工具图［9］，如图1所示。被称为“空调之父”的Willis Haviland Carrier［8］找到了干湿球温度和露点温度关系及潜热和显热关系，发表了温湿度基本原理，并绘制了焓湿图，这是空调计算的里程碑。焓湿图中有等焓线（h线）、等湿线（d线）、等温线（t线）和等相对湿度线（Ø线）组成。

图1 焓湿图

等温线是平行排列的横线，在等温线上，各点温度相同，空气含湿量越大，相对湿度越大，同时焓值也越大。等焓线是平行排列的斜线，在等焓线上，焓值相同，温度越高，含湿量越低，相对湿度也越低。等湿线是平行排列的竖线，在等湿线上，空气含湿量相同，空气温度越低，焓值越低，相对湿度越高。等相对湿度线是一簇互不交叉的曲线，在等相对湿度线上，各点相对湿度相同，温度越高，含湿量越高，同时焓值也越大。

请注意相对湿度100%的等相对湿度线即最右侧的等相对湿度线，表示空气达到饱和状态，线上的每个点都表示对应温度下空气中能承受的最大的含湿量。同时线上的点也表示在对应含湿量情况下，保证空气中的水蒸汽不液化的最低温度，若温度再继续下降，空气中的水蒸气会凝结［12］。如果使特定含湿量下的空气逐渐降温，当空气中水蒸气凝结时的温度叫做露点温度。露点温度反映的是空气中的含湿量大小，含湿量越大，露点温度越高。由于空气达到露点温度时，空气为饱和状态，因此空气结露时的状态点均在相对湿度100%的等相对湿度线上滑动。

3 恒温恒湿空调工作原理

空调制冷是靠制冷剂在不同位置的液化放热和汽化吸热实现热量的转移。空调工作时，低温低压的制冷剂液体流经空调室内机的蒸发器（铜管），吸收大量的热量蒸发变为低温低压的气体，低温低压的制冷剂气体经过压缩机的压缩后变为高温高压的气体，气体经过空调室外机的冷凝器（铜管）时，由于冷凝器的温度低于此时的气态制冷剂，制冷剂液化成中温高压的液体，同时在室外放出大量的热量。中温高压液体再经过膨胀阀、毛细管等变为低温低压液体再进入室内机的蒸发器。制冷剂在压缩机的驱动下，在室内吸收热量，在室外释放热量，循环往复［11］。室内的空气在风机的吹动下，流经低温的蒸发器表面，温度下降，实现空调制冷。

空调除湿是利用空调蒸发器制冷时的低温，使流经空气的温度大幅度下降，下降到低于露点温度，空气就会在蒸发器上凝结成水，再将水排出室外达到除湿的目的。

空调在制冷时，会产生冷凝水，使空气中的含水量降低，从焓湿图中可知，空气的露点温度也会随着降低。当空气温度达到了设定温度范围，空调的控制系统会使压缩机以较低功率运转，防止空气过冷低于设定的最低温度。随着制冷过程中含水量的下降，当空气露点温度降低到一定程度后，不产生冷凝水，空气中的含水量就会维持在一定水平。空调在除湿时，空调为了尽量快和尽量多地产生冷凝水，使蒸发器处于一个很低的温度，所以除湿的同时必然会制冷。

当机房温度较低但湿度较高时，在空调的作用下，温度先达到设定值，但湿度仍然超标，为了继续除湿的同时不至于空气过冷，导致低于设定的最低温度，恒温恒湿空调一般都具备除湿再热功能，在除湿的同时会适当加热流过蒸发器的空气［4］。

4 南方沿海城市案例分析

中国南方沿海地区空气潮湿，数据中心空调的除湿负担较重［7］。某数据中心选址在某沿海城市的地下一层，气流组织采用冷热通道隔离方式［6］，空调布置位置采用行间空调方式，平面布置图如图2。

图2 数据中心平面布置图

当数据中心建设完成后，业务设备上架前，开启空调调节数据中心内空气温度和湿度，以满足电子设备使用环境要求。开启空调前，数据中心机房内空气与室外空气相同，温度高且湿度大，状态见图中A点。空调出风温度远低于机房内空气温度，在出风口处的空气会形成较大的温差，产生结雾现象，状态见图中B点。随着温度的降低和冷凝水的析出，空气的温度和含湿量均降低。但由于南方沿海城市气候湿度大的特点，温度会先达到设定值，但湿度仍高于设定值，空调开启除湿模式，但由于温度已达到设定值，空调会对流经蒸发器的空气再加热，以防空气温度过低，最终稳定在C点。

在数据中心验收期间，由于测试验收人员频繁出入数据中心，热通道经常与室外空气交换，导致热通道内湿度陡增。同时室内人员的呼吸也加重的室内空气湿度。热通道空气湿度远超出设定范围，除湿模式开启，经过空调蒸发器的热通道空气温度不会瞬间降为C点温度，而是如D点所示。冷通道内机柜门等物体温度与C点温度相同，而D点状态下的空气结露温度高于C点温度，所以进入冷通道的空气遇到机柜门时会产生结露。

5 南方沿海城市数据中心湿度控制建议

增加密封性能，对数据中心运行环境进行密封，尽量减少室外空气进入数据中心。在工程验收过程中尽量减少开关门次数，验收数据中心设备运行环境时，建议经过空调长时间运行环境稳定后再验收。如是有人值守的数据中心，建议运维人员与运行环境采取密封隔离的措施，以减少人员因呼吸增加的湿热负担。同时在机柜空闲的槽位安装隔板，减少冷热通道之间气流的交换。

合理组织气流，建议在数据中心内空调和除湿机搭配使用，热通道内加装除湿机。由于除湿机的蒸发器冷凝器均在室内，空气经过除湿机后只降低湿度，温度不会降低，能够减少空调除湿再热的负担。同时除湿机的冷媒运行距离不长，主要配件功率不高，使它的能耗远低于空调除湿，能够减少降低数据中心能源消耗［10］。