数据中心加湿系统计算及方法探讨【新规范加湿方式对比及计算分析】

// 摘要

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NOCITCE

数据中心机房的电子信息及IT 设备需要在一个合适的环境下稳定、安全的运行。数据中心室内环境设计参数应满足国家相关规范的要求，湿度是数据中心环境控制的一个重要参数。加湿量的大小与系统设定的湿度上下限有关系，同时也受项目所在地的气候分区约束，应当分别计算冬、夏季加湿量取大值确定，当机柜进风露点温度低于5 ℃时，系统需启动加湿，同时应根据冷源方案选择合适的加湿气流组织。

数据中心服务器对于整个数据中心环境湿度有一定的要求，湿度过低，容易造成电子元器件的静电累积，从而导致较高的静电电压，最终对服务器构成危害，数据中心机房湿度保持在恰当水平将发挥有益作用，湿度过高或过低都会导致潜在的问题，将湿度保持在恰当水平可以让空气本身稍微提高电导性并让空气的接触面稍微湿润，从而减少导致静电释放的“电荷效应”，当数据中心环境湿度低于要求的下限时，需要对数据中心环境进行加湿，目前数据中心加湿计算及加湿控制方法还存在着一些不合理现象，从而导致了数据中心加湿系统的过度耗能，因此分析加湿系统的计算方法并选择合理的加湿气流组织方式显的尤为重要。

1 规范对环境湿度的要求

1.1 新旧规范对比

如表1 所示新旧规范关于数据中心温湿度控制范围对比^[1-2]：

表1  新老规范对温湿度要求对比

新规不再注重使用相对湿度作为数据中心控制的主要参数，而是选用露点温度作为控制数据中心湿度的参数，且新版规范在条文解释中也明确指出：影响数据中心静电累计效应和空气中各种盐分潮解度的是空气含湿量d，而不是空气的相对湿度，新规范基本上也定义了数据中心的含湿量范围，如表2:

表2   新规范对温度及含湿量的要求

新规范基本规定数据中心内部的含湿量范围即：5.6 g/kg≤d≤10.6 g/kg，由于在干球温度 27 ℃，露点温度 5.5 ℃时，相对湿度为 25.3%，为规范所规定的相对湿度低限，因此数据中心的相对湿度范围为含湿量不小于 5.6 g/kg 且相对湿度不大于 60%，图 1 为数据中心温湿度范围在焓湿图中的表达。

如图 1 所示阴影区域为数据中心温湿度控制的范围区间。

图1 数据中心温湿度范围

理解规范对湿度上下限的要求，将有助于寻找数据中心系统加湿量的计算方法。

2 加湿系统启动的影响因素

2.1 空调机组过度除湿导致的环境含湿量下降

当冷却器表面温度低于被处理空气的露点温度时，空气所含水蒸气被凝结出来。如果精密空调机组的表冷器温度不提高，精密空调机组将不断的有冷凝水析出并排至室外空间，同时环境中空气的含湿量逐渐降低，当表冷器的温度低于环境温度所要求的露点温度时，空气中的含湿量将低于规范所要求的范围，此时需要对环境进行加湿，工程中可采用温湿度传感器和露点温度传感器来监控进风湿度的上限和下限，露点温度传感器可安装在精密空调出风口处于监控送风含湿量的下限。温湿度传感器、露点温度传感器会将采集的信号反馈给加湿器，当低于下限时启动加湿系统。

2.2 新风系统引入导致的环境含湿量下降

新风引入导致的数据中心含湿量下降主要发生在北方的过度季节或冬季，如根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，北京冬季室外通风平均温度-3.6℃，相对湿度44%，此时空气中的含湿量只有2.2g/kg，远低于数据中心要求的含湿量下限，若持续的引入未加湿的干燥空气进入数据中心，将导致数据中心的含湿量持续下降，达不到规范所要求的范围，增大了信息设备受高静电电压的影响。

3 数据中心加湿计算方法

3.1 加湿系统计算公式

加湿系统的计算公式为^[3]：

式中：w 为系统加湿量，kg/h；ρ 为空气的密度，kg/m³；V为房间体积，m³；n 为换气次数，一般为 1~2 次；d1 为加湿前空气的含湿量，g/kg；d2 为加湿后空气的含湿量， g/kg。

举例：以一个 250 ㎡，层高 4.5 m 的数据中心为例，冬季室外通风温度 -3.6 ℃，RH=35%，精密空调系统露点传感器报警温度为 6.5℃，加湿器启动温度为5 ℃，加湿器停止加湿线为 RH=45%，冷通道进风温度为 26 ℃，新风换气次数 1.5 次 /h，分别计算其过度出湿导致加湿量和因新风引入导致的加湿量，查湿空气

焓湿图得到参数为：ρ=1.16kg/m³，换气次数 n=2， RH=45%时，d2=9.6g/kg，温度 5 ℃，d1=5.5 g/kg，冬季室外空气含湿量 d=1.2g/kg[1]。

过度除湿导致的加湿量：w1=1.16×1125 ×2 × (9.6-5.5)/1000=10.7 kg/h

新风引入导致的加湿量：w2=1.16×1125 ×1.5 × (9.6-1.2)/1000=16.4 kg/h

通过以上计算可以知道，在北方地区[4-5]，其冬季需要的加湿量是远大于夏季由于过度除湿所需的加湿量，选择加湿器时，应以冬季工况为准，对于南方地区，应区别对待，分别计算冬、夏季两种工况的加湿量，并取大值为准。

3.2 湿度参数设定对加湿系统的影响

由计算举例可知，由过度除湿导致的加湿量和加湿系统设定的参数值有关系，启动加湿参数值设置越低，停止加湿参数值设置越高，则系统的加湿量越大，所以数据中心的内部的湿度目标上限不宜偏高，否则会造成加湿系统功耗增加，同时启动加湿点，不宜设置过高，这样将会缩小湿度控制范围，导致加湿系统频繁进行启停控制，同时加湿时段增长，不利用节能和节水，综上所述数据中心应尽量扩大湿度的控制范围，这样可以缩减加湿时段，由于过度除湿导致的数据中心含湿量下降主要发生在采用风冷直膨式精密空调的机房，因为机组超配或风冷直膨式空调机组本身不具备蒸发温度调节功能，如未采用电子膨胀阀的定频机组，所以数据中心应尽可能采用配置电子膨胀阀[6]和变容量压缩机的空调产品来提高蒸发温度的调节范围[7]，通过提高蒸发温度来避免过度除湿对加湿系统的影响，目前市场上风冷直膨式的空调大都采用涡旋压缩机技术，实际工作中技术人员应主动与厂家沟通产品电子膨胀阀的参数与功能，是否采用了变容量涡旋压缩机技术，通过选择合适产品来优化数据中心加湿系统，提高加湿系统的节能效益。

4 加湿设备及加湿方式的选择

4.1 不同加湿设备的比较

目前市场上的加湿器品类较多，但最常使用的还是红外加湿器，湿膜加湿器以及电极加湿器这三种加湿设备[8-11]。根据比较，湿膜加湿器有很好的节能效益[12]，尤其是大型数据中心，所以是机房工程中普遍使用的加湿设备。

4.2 加湿气流组织方式

数据中心采用湿膜加湿器控制湿度时，通常都是独立设置的，为了节能，大多数数据中心都采用了冷通道封闭措施，精密空调机组采用静电地板下送风的气流组织形式，精密空调机组设置在热通道内，加湿器通常也放在热通道内，加湿气流组织通常有以下两种方式：

方式一：加湿器采用上送风形式，湿空气与回风混合后进入精密空调机组，然后再由精密空调送到冷通道内，如图 2 所示。

图 2 加湿器上送风简图

方式二：加湿器采用下送风形式，加湿器吸取热通道的空气进行加湿后送入地板下，通过下送风通道与精密空调送风混合后送到冷通道内，如图 3 所示。

图 3 加湿器地板下送风简图

采用第一种加湿方式的缺点在于，如果数据中心采用了风冷直膨式的精密空调机组且不具备蒸发温度调节功能，就会出现加湿后的空气与回风一起进入空调机组，又被表冷器提前冷凝除湿，导致空气还未进入冷通道就被除湿，导致加湿效率降低，加湿时间延长，所以采用风冷直膨的空调机组适合采用第二种方式，与精密空调送风混合后一起送至冷通道。对于采用了高温冷冻水的精密空调机组，由于其表冷器温度较高，被处理空气经过表冷器时，不会被冷凝除湿，空调机组运行在干工况，以上两种气流组织的加湿方式都可以采用。

5 结束语

通过分析讨论：数据中心所处的地理气候位置，以及数据中心采用的冷源方案，都会影响数据中心加湿系统，在加湿量计算上应根据工程的实际气候分区及全年气象参数选择合适的加湿量计算方法，同时也应根据数据中心的冷源方案和机房内部布局要求选择合理的加湿气流组织方案。

来源：余是知乎

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