空气品质将不再是新风直接自然冷却的绊脚石,但是新风直接自然冷却在国内还没有火起来,难道是它不节能吗?对于新风直接自然冷却,新风进来就一定节能吗?除了温度以外,还有什么因素会影响新风直接自然冷却的节能效果呢?
　　
　　首先,我们来了解一下《数据中心设计规范》(GB50174-2017)对于服务器吸入空气的温湿度要求,如图1所示,国标要求冷通道或机柜进风区域的温度为18～27℃,湿度保持在露点温度5.5～15℃之间,且相对湿度≤60%。这里不仅规定了温度而且限制了湿度,湿度对于新风直接自然冷却也是重要的影响因素。
　　
　　露点温度、相对湿度及绝对湿度,数据中心需要确保的究竟是哪个湿度参数?在上海随便用那个参数,但是在拉萨呢?在乌鲁木齐呢?不同海拔高度得出的结果是不一样的。《数据中心设计规范》(GB50174-2017)的第55页条文解释中特别说明:根据有关环境对印刷线路板及电子元器件的影响研究表明,影响静电积累效应和空气中各种盐类粉尘潮解度的是空气含湿量,在气压不变的情况下,由于露点温度可以直接体现空气中的含湿量,因此采用露点温度更具有可操作性。这里明确了是含湿量,即绝对湿度。那么露点温度5.5℃对应的绝对湿度是多少呢?5.6g/kg干空气,也就是数据中心服务器吸入空气的含湿量不得低于该值。
　　
　　我国典型城市室外空气含湿量低于5.6g/kg干空气的年时间占比如表1所示,表1涵盖了省会城市及港澳台地区,同时确保每个二级气候区属都有城市,增加了呼伦贝尔及思茅。从表1可以看出,除海口外,其余城市室外空气含湿量均有低于5.6g/kg干空气的时段,大部分城市的占比高于20%,而呼伦贝尔及拉萨全年将近70%的时间低于这个最低限值。而靠近海边,通常认为比较湿润的上海全年也有超过25%的时间低于这个最低限值。低于这个限值的室外空气进入数据中心就需要加湿。
　　
　　1 数据中心的常用加湿方式
　　
　　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4种加湿过程如图2所示。
　　
　　而数据中心常用的加湿方式有属于等温加湿的远红外加湿、电极加湿器,属于等焓加湿的湿膜加湿器、超声波加湿及高压微雾加湿。这5种加湿方式的性能对比如表2所示。
　　
　　2 不同加湿方式的性能表现
　　
　　某一个模块化机房面积为620平方米,层高5米,室内负载合计1200kW,配置10台150kW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5.6g/kg干空气。按照维持机房10Pa的正压设计新风量,正压新风量以2次换气次数计算;而室外空气温度点的自然冷却新风量可以依据室内外温度的差值、制冷量及空气定压比热容求出。加湿量则可以通过新风量与室内外含湿量差的乘积得出。
　　
　　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39kg/h,8台主用机组平摊,每台机组需求的加湿量不足5kg/h,即使单台加湿能力小的电极加湿与远红外加湿都可满足。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161kg/h,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3种方式均可按需组合提供足够的加湿量。
　　
　　仍以上述模块化机房为例,按照干球温度为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含湿量低于5.6g/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。
　　
　　依据表2中数据中心常用5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,定义加湿的节能损失率等于加湿功耗除以压缩机理论节省功耗。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3显示了我国典型城市5种加湿方式的节能损失率曲线,由图3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%,而高压微雾加湿节能损失率甚至不超过3%。利用等焓加湿后,加湿功耗仅对新风直接自然冷却产生轻微的节能损失。
　　
　　3 最后一根稻草的锅 等焓加湿坚决不背
　　
　　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,而且利用等焓加湿后,加湿功耗对于新风直接自然冷却的节能影响并不大。等焓加湿不仅不是压垮新风直接自然冷却的最后一根稻草,而是扩大新风直接自然冷却室外空气适用范围的救命稻草。
　　
　　(来源:E说数据中心冷却)
　　
　　编辑：Harris