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试谈机房专用空调与舒适性空调在机房应用上的性能差异 [2006-11-11]来源:www.chinazedo.com

摘 要 :针对通信机房对工作环境要求的特点,从空调设备的技术特性,使用可靠性,应用效能等方面进行分析比较,指出机房专用空调与舒适性空调在应用上存在较大的差异性,提出正确合理配置空调机组的重要性,并阐明了机房专用空调在通信机房建设中更具有重要的应用价值。

一、引言
  
当前通信机房有两种配置:一是使用多台舒适性空调,同时安装加湿器;二是采用机房专用空调。目的都是为了及时排出计算机或通信设备所散发的热量,维持机房内的恒温、恒湿状态,将经过空调机组处理过的新鲜冷空气送往通信设备,并保证机房的空气洁净度达到要求,使通信设备及工作人员具备正常的符合要求的工作环境。但是实际使用中,这两种空调机组在应用上,显示出了一定的差异性。以下仅从机房特点、产品技术和应用效果等方面对两种空调设备进行简要的分析和比较。

二、通信机房配置和使用空调的现状
  
目前许多电信企业在通信机房的环境配置上存在两种情况:一是在大容量、重要的程控交换机房,采用的多是机房专用空调,配置容量充裕;而在容量较小的交换机房、传输机房、模块局、接入网等局站,多采用老式配置,即使用常见的舒适性空调。

该种空调属办公场所及一般场所使用,有一定的工作时间,主要起调节空气温度的作用,而且部分能量用作了保湿,湿环境更加干燥,这显然是达不到通信机房要求恒温恒湿、持续工作的要求。

这种老式配置,弊端有二:一是舒适性空调连续工作,容易损坏、故障多、寿命短;二是通信设备得不到符合要求的恒温恒湿工作环境,电子元器件及绝缘容易老化,工作不稳定,通信设备容易损坏或不能正常工作,通信网络容易造成瘫痪,通信安全得不到保障,这种情况是十分危险的,在全程全网的通信领域也是不能允许的。

三、通信机房的环境特点及要求

1、通信设备散热特点及对环境的要求
  
(1)通信机房内各种类型的电子设备,除少数部分由机械传动装置外,约80%以上都是由高密度的集成电路及电子组件、部分和联结线路组成。内部电子元器件主要采用IC、LSI等半导体组成,密集电路中的电流会产生大量的热量,同时,随着电子和计算机技术及工艺水平的高速发展,功能越来越强的电子设备,其运行速度也就越快,而机柜的体积又日益趋向小型化,这样就造成设备内的电子原件异常密集,设备的散热量很大且异常集中,所以通信机房内热密度远大于一般办公环境,这就要求通信机房的空调机组无论是炎热的夏天还是寒冷的冬季都必须能够持续、稳定地降温或加温运行。
  
(2)由于较大的稳定变化率,即在单位时间内空气的温度变化较大,会使电子元器件产生内应力,加速电子元器件及其他材料的机械损伤和电气参数的变化,影响到通信设备或计算机网络工作的稳定性,所有进、出设备的空气温差应该越小越好,因此要求机房内的空调系统送、回温差要小,送风量要大。
  
(3)由于机房通信设备的95%是显湿,如不及时排出散热,就会使电子组件自身和周围环境温度逐步升高,电子组件长期处于高温状态,会导致电力工作不正常,造成使用寿命缩短,严重时该组件会被烧毁;另外,为保证电路工作绝缘安全,通信机房内任何情况下均不得出现结露状态,因此,机房空调制冷系统必须具有高显热比特性,而且送风温度要高,保证进端设备不出现结露现象。
  
(4)有数据表明,相对湿度为20%时,静电压为1000V,相对湿度为5%时,静电压可高达2000V,足以造成对电子设备的运行故障。为防止机房内由于过于干燥,而产生对通信设备极为有害的静电,这就要求空调机组必须对室内空气进行加湿,使机房内的相对温度保持在30-70%RH。对于新疆典型干燥的大陆性气候来说,通信机房在冬季尤其需要加湿。

2、空调维护规程对机房温度、湿度的要求
  
中国电信集团公司颁发的电源、空调维护规程对各种机房的温度、湿度指标都作了明确规定。作为通信企业的建设和运行维护部门,就应针对“维护规程”规定不同要求在通信机房配置合适的空调设备,严格制定科学合理的运行参数,加强检测和巡检,给机房提供适宜和符合要求的工作环境,保证通信设备和通信网络系统安全、可靠、正常运行。

四、机房专用空调于舒适性空调技术的特性差别
 
1.技术参数

一般来说,机房专用空调是为保证机房内的各种计算机或通信设备能工作在恒定的温度和湿度及洁净的环境中而设计的精密空调设备。舒适性空调主要针对办公室及生活环境,对象是人,保证人的舒适度。根据上面我们对通信机房工作条件的分析,可以看出,通信机房内的温湿度和一般办公、生活环境要求也有很大不同,因此两种空调设备在技术参数上也有很大的区别,性能也有所不同。

从比较可以看出机房专用空调和舒适性空调特性主要区别在于两者的显热比、焓差、蒸发温度等参数不同,性能及功能也有明显区别,最大区别是一个能连续工作和恒温加湿,一个只能阶段性工作,不能加湿。

2、对关键技术参数的进一步分析比较
  
(1)风量和进出风温差
  
出风口温度随风量的增加而提高,以减少进、出风之间的温差。根据公式Q=PV×(h1-h2),其中Q为空调吸收的制冷量,P为湿空气的密度,设为常数,V为空调的风量,h1为回风的焓值,h2为出风的焓值)。当冷量Q固定时,风量V越大,h1-h2差值就越小,即大风量小焓值。由于湿空气焓h=(1.01+1.84d)t+2500d,(其中d为湿空气的含湿量)。如果空调未除湿,即含湿量d不变,那么进出风的温差与焓差(h1-h2)近似正比,所以随风量V的增大,进出风温差减小,由于回风温度为定值,故出风口温度会随空调风量的增加而提高。
  
(2)除湿量与显热比
  
查湿空气含湿图(大气压=1013.25mbra)可得出空气状态参数。

由于机房专用空调风量大,结构设计的蒸发盘管面积大,只是实现高显热比的重要途径。通过表二和表三的对比可以看到,如机房专用空调的出风温度为13-15℃是,高于22-24℃/50%环境下的露点温度值(11.2-13.2℃)。在此情况下,机房专用空调除湿量很小,基本无除湿功能,显热比在95%以上。
  
而舒适性空调在室内温度为22-24℃运行时,出风温度为9-11℃,其出风温度明显低于24℃/50%环境条件下的露点温度值(13.2℃),很容易引起除湿。一方面,除湿消耗了部分冷量,同时,长期除湿会造成室内温度过低,对通信设备不利,另外,加湿器要投入工作,能量消耗也要增加。由此看出,舒适性空调对机房高显热负荷是不适宜的。

(3)机房专用空调在大风量、高出风温度、高显热比方面有明显的优势
  
空调大风量可以提供每小时几十次的空气循环次数,使机房内温度场均匀,避免局部温度过热,同时由于空气过滤器对机房内空气的过滤作用,保证了机房环境的洁净度,较高的出风温度可以避免出风时携带雾滴和过度除湿,而对近端设备造成影响。

高显热比可以降低空调的运行费用,即空调提供的冷量全部用在降低机房的温度上,而不是用作空气除湿的无用功。同时可以稳定机房的湿度,防止过度除湿又加湿情况的出现,避免能源的浪费。

3、温湿度的控制功能
  
(1)舒适性空调在技术上采用的是比例控制法,易造成温度的波动,控制精度低,当某些机房内的温度较低时,舒适性空调需人工改变空调的工作模式,否则,机房内就会达不到规定的温度。而机房专用空调采用的是PID(比例、微分、积分)回路控制法,控制精度高,能自动使机房保持恒温。
  
(2)舒适性空调只能在制冷的同时除湿,不能加湿。在除湿的同时又无法对温度进行控制。由于加湿器和舒适性空调是各自独立的设备,所以无法很好的协调,对湿度控制精度差,必然形成空调机除湿,加湿器又加湿的能源浪费现象。机房专用空调本身配有加湿装置,不但能加湿,而且在加湿的同时控制机房温度的恒定,保证温度和湿度的统一稳定。
  
(3)机房空调系统的送风有下送风上回风、上送风下回风等多种方式。因机房许多设备的散热要求是直接从设备底部送风散热,空调可以利用防静电地板下的空间,作为静电箱向设备机柜底部直接送风,自顶部回风。这种循环方式与热空气上升的自然规律相吻合,形成顺流,在机房的工作区可以形成比较稳定的工作环境。同时冷空气对敷设在防静电地板下的电缆也起到了很好的散热作用,而舒适性空调送风方式比较单一,只有上送下回方式,不能很好的满足通信设备的要求。
  
(4)机房专用空调的主要服务对象是机房设备,所以一般采用大风量小焓差。大风量主要有利于机房温度场的分布,防止局部过热情况的出现,以保证精确的温湿度控制,而舒适性空调在这方面是无法做到的。

4、空气过滤器
  
机房专用空调机选用中效过滤器,在一些引进的国外特殊型机组中,在结构设计上预留了亚高效过滤器或高效过滤器的安装位置,可根据需求选用(如净化手术室等场地均选用亚高效过滤器),以防止蒸发器结灰并提高房间的洁净度,当机组过滤器进出口风压差超过一定值时,过滤器堵塞开关自动动作,提示操作人员清扫或更换过滤器。

而舒适性空调一般只配有初效过滤器,过滤效果差,维护清洁周期由人工掌握。如果需要提高空气过滤效率,对空调机进行改装,还需增加风机、加大风压,避免原空调机因安装了中效或亚高效过滤器而使送风能力大幅度下降。

五、应用及可靠性的比较

1、控制系统
  
机房专用空调的控制系统功能比舒适性空调要完善的多,机房专用空调都配有后备机组或后备控制单元,微机控制系统能自动对主机组运行状态进行检测诊断,及时对出现或将要出现的故障发出警报,自动用后备机组或后备控制单元切换故障机组或故障单元。

机房专用空调机的控制器还具有较完善的管理功能,它能把同一区域内的各机组分别在不同的时间内作为运行机组和后备机组。即当某台运行主机组发生故障时,能把该机组的负荷自动地切换到后备机组上。

正常情况下,每台机组可按一定的时间轮流作为运行机组和后备机组,从而均衡各机组的运行时间,有利于提高空调机组的使用寿命和运行可靠性,而舒适性空调机则无此项功能,因而工作可靠性较低。

2、设备机组
 
机房专用空调和舒适性空调所选用的零部件有明显不同,机房专用空调机采用的是高可靠性部件和高质量工艺,这就保证了机房专用空调设备工作运行故障率低可靠性高,这对通信机房是极其重要的。

3、同环境条件下的应用差异
  
如果把舒适性空调机应用于计算机或通信机房时,由于机房要求其工作点为23±2℃,而舒适性空调机设计工作点一般为27℃,湿度50%,室外温度35℃,所以造成其蒸发压力和蒸发温度下降,对给定的压缩机而言,随着蒸发温度的下降,制冷量将迅速下降,机组的时间供冷能力会大大低于其标称值。
  
此外,当运行工作点偏离设计工作点时,由于舒适性空调机的节流部件使用的是毛细管,而不是膨胀阀,无法自动调节制冷系统的压力和制冷剂的流量,从而影响机组整体的匹配状态,不利于机组性能的充分发挥和高效率运行,在偏离最佳设计工作点运行时蒸发温度和压力降低,对空调的工作效率和使用寿命均有较大的影响。
  
而机房专用空调机在产品设计出厂时,已把运行工作点定为设计工作点,因而机组始终处于最佳运行状态,这就从根本上避免了以上问题。

(1)冬季制冷特点
  
通信机房要求空调设备能全年制冷运行。舒适性空调在设计上只是在夏季发挥降温功能,室外温度在-5℃以下时,即无法进行正常制冷。因夏季室外环境温度较高,舒适性空调可以正常制冷运行,随着冬季室外温度的下降,冷凝压力降低,蒸发压力也随之下降,蒸发温度低,产生蒸发器低温保护,同时空气处理时过度除湿,蒸发器容易结霜,导致空调机组不能正常工作,而且制冷剂循环量减少,制冷量下降。通信机房的特点是设备多,排列密集,发热量大,要求空调机即使在冬季也要制冷降温,因而舒适性空调在冬季不能适应通信机房的要求。
  
机房专用空调采用可调速冷凝风扇或加装冷凝压力调节阀等方法,来保持制冷系统的冷凝压力,适应各种室外温度变化的要求,能在-15℃至+44℃条件下保证空调24小时连续正常工作,采用乙二醇作制冷剂的空调机组,可在室外气温降到-45℃时,仍能正常工作。

(2)机组的故障率及寿命
  
机房专用空调设备的可靠性高,平均无故障率MTBF一般都在10万小时以上,设计寿命可达到10年。舒适性空调一般设计寿命为5-8年,每年只允许运行6-7个月,按每天平均运行10小时计算,即一年只能运行2000小时左右,而且长期不在其最佳工作点运行,对其寿命也有极不利的影响。

(3)节能及建议
  
由于程控交换机房内的热负荷分配与普通办公及生活场所不同,如将舒适性空调用于高显热负荷的程控交换机房就会造成很大的能源和投资浪费。
  
如一台总制冷量为3万大卡的舒适性空调,由于其显热比为0.6,则其显冷量为1.8万大卡,潜冷量为1.2万大卡。
  
同样一台总制冷量为3万大卡的机房专用空调,由于其显热比高达0.9,则总制冷量为2.7万大卡,潜冷量为0.3万大卡。
  
如将两台空调同样用于需制冷量为3万大卡的程控交换机房内,由于室内的热负荷分配为0.9,即显热负荷设备发热量为2.7万大卡,潜热负荷为0.3万大卡,制冷量为3万大卡的机房专用空调则能完全满足室内热负荷的需求;而制冷量为3万大卡的舒适性空调所提供的显冷量仅为1.8万大卡,显热不能满足室内的显热负荷要求。

其结果是温度不能很快达到设计要求,空调压缩机会增加工作时间。同时,相对湿度也会相应降低,增加了耗电量。为达到机房和设计要求,只有选大制冷量的空调机组才能满足室内的显热负荷,按以上机房要求,舒适性空调需选用总制冷量为:2.7/0.6=4.5万大卡方可满足机房温度要求,这就从依次建设投资上造成了浪费。
  
也可以从运行费用上对比两种空调的用电量消耗。由此可见,如用在高显热负荷的程控交换机房内,舒适性空调比机房专用空调的运行费用高。

 

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