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          機房空調內機循環風量設計探討

          責任編輯:精密空調廠家  發布時間:2018-01-29
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          機房空調設備質量監督檢驗中心是通過CMA和CNAS認證的國內機房空調檢測的權威機構,集中放置計算機系統或程控交換機系統,并能滿足這類設備各項環境要求的特殊空間稱為機房。實踐證明,機房環境中的溫度、濕度、潔凈度及空氣流動速度直接關系到設備的可靠運行以及使用效率和壽命。而機房內合理空氣環境的實現主要通過空調來完成.相較于舒適性空調空間,機房空間有以下獨特特點:

          1)設備散熱量大且熱密度集中.

          2)設備散濕量很小,平均散濕量只有8-16g/(m2.h).

          3)空調送風焓差小,送風量大,空氣處理過程以制冷為主,除濕為輔.在小焓差情況下,要消除設備產生的大熱量,增大通風量是必然的.

          4)合適的送風方式及機組的高穩定性和高可靠性.

          因此,要滿足機房空間的這些特殊要求就要求機房空調在性能上必須具有較高的顯熱比和較大的循環風量,而這也是機房空調開發過程中首先要解決的兩個關鍵問題.

          1  行業市場情況

          目前中國市場上主要機房空調品牌有20多個,其中80%以上為外國品牌.并以法國索克曼(SOCOMAN)、美國愛默生旗下的力博特(Libert)、意大利海洛斯(Hiross)、德國施圖茲( Stulz)、加拿大佳力圖(Canatal)4大品牌知名度和銷量為最高。在20世紀80-90年代,我國機房空調設備全部依靠進口,近些年這些品牌大部分開始以獨資、合資等方式在國內本土生產,而國內的一些空調廠商如美的、格力等也開始涉足機房空調領域,只是市場占有率還比較低,機房空調檢測知名度不高,

          根據圖1可以看到2009年國內機房空調市場上,4大品牌合計占據了60.4%的份額。且78.1%的市場份額全部為外資品牌壟斷,在外資品牌占絕對主導的機房空調行業,國內企業作為后來的跟進者,在新產品開發中就既要注意對外國技術的學習又要枳極貫徹執行我國的機房空調國家標準.在這樣一條原則的指導下,筆者在機組風量和顯熱比設汁中碰到了一些問題,下面將機房空調檢測進行詳細的分析.

          2  國標規定的理論分析

          我國于2003年II月25日發布了機房空調國家標準《GB 19413-2003-T計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機》,其中對機房空調名義制冷性能的一般要求在5.4.1條款規定如下:

          1)空調機應有較大的送風量和較小的冷風比,送風溫差不大于7℃,且送風溫度應高于機房露點溫度.

          2)空調機蒸發器的面積應足夠大,使顯熱比不小于0.87.

          風冷式機組名義制冷的標準工況見表1.

          查濕空氣焓濕圖知,當干球溫度23℃,濕球溫度17℃時,空氣的相對濕度為55%,含濕量為9.7g/kg,露點溫度為13.5℃,焓值為48 kJ/kg.

          焓差法計算空調能力:

          全熱制冷能力


          顯熱制冷能力


          其中,Q1為全熱制冷能力,kW;Qs為顯熱制冷能力,kW;Ma為循環風量,kg/s;hi為空調進口空氣焓值,kJ/kg;ho為出口空氣焓值,kJ/kg;ti為進口空氣干球溫度,℃;to為出口空氣干球溫度,℃;Cp為空氣的定壓比熱,取1.005 kJ/( kg.℃).機房空調檢測
          定義顯熱比用Rs表示,由式(1)和(2)可以得到

           

          由式(3)可見,在進口空氣狀態一定的條件下,顯熱比主要取決于出口空氣的干球溫度和焓值,與循環風量沒有關系。
          國標5.4.1條款2)中要求顯熱比不小于0.87,


          國標5.4.1條款1)中,要求送風溫差不大于7℃,且送風溫度應高于機房露點溫度,即

          將上述兩個條件及ti=23℃,hi=48kJ/kg,Cp=1.005kJ/(kg.℃)代入式(2)~(4)可推出


          由式(1)、(3)可以看到,在保證機組制冷能力的前提下,出口空氣的焓值和干球溫度越低,機組所需要的循環風量就越小,這樣就可以節省電機耗功,而且也可以最大限度地降低機組送風噪音。
          由式(5)可以看到,要使送風溫差不大于7℃,機組出風干球溫度的最小值只能取16℃,此時,要使循環風量最小,式(5)左右兩邊只能均取等號,可計算出:出口空氣焓值ho= 39.9 kJ/kg.將to、ho、hi代入式(1),可以得到在保證顯熱比為0.87的條件下,1kW制冷量所需要的最小風量為376m3/h。

          3  外資品牌產品手冊分析

          機房空調市場上主流品牌樣本參數見表2、3、4、.5.


          按國標名義制冷工況室內干球溫度23℃,濕球溫度17℃,相對濕度55%,顯熱比不小于0.87,送風溫差不大于7℃的規定,根據前面分析得到的每千瓦制冷量所需最小風量376 m3/h的最低標準進行評價,各廠家風量標稱數據不足情況對比機房空調檢測.
          根據圖2可以看出如果同時滿足國標對循環風量、送風溫差和顯熱比的要求,市場上主流外資品牌標稱的機組循環風量不足百分比在10%-37%之間,顯然達不到要求。

          4  突際測試數據驗證

          下面以某著名外資品牌3匹機房空調銘牌參數與實際測試數據為例進行驗證,表6為某外資品牌機房空調室內機銘牌參數.


          依據前面的理論分析,本文可以對這個銘牌參數做實際效果分析:
          1)從風量經濟性角度考慮,本文設計出風干球溫度為16℃.按國標規范已知進風干球溫度23℃,濕球溫度17℃,進風空氣焓值48kJ/kg.C。為空氣的定壓比熱,取1.005 kJ/( kg.℃),空氣密度為1.18 kg/m3.

          2)要保證7500W額定制冷量的前提下顯熱比大于等于0.87,根據式(1)、(2)、(4)可以得到機組的設計風量至少應為


          代人數據計算得出Ma=2 830 m3/h.
          由此可見,該機房空調機組若要保證制冷量滿足銘牌要求,同時符合國標要求測試工況下的顯熱比不小于0. 87及送風溫差不大于7℃的要求,其標稱的額定風量值偏小20.5%.而根據其銘牌的標稱值,顯冷量與額定制冷量的比值卻高達0.91.機房空調檢測

          為檢驗該機組的實際使用效果,在廣東美的商用空調研發中心12匹焓差實驗室進行了實際機房空調檢測.


          將實測的制冷量、顯熱比、出風干球溫度數據代人式(6),倒推機組的實際送風風量,以檢驗式(6)的正確性.根據式(6)計算出的風量為2371m3/h,這與實際測試的風量數據2328m3/h,誤差小于5%.基本可以認為一致.由以上實驗結果的分析可知,用理論的方法進行倒推來校核機組風量是否滿足顯熱比設計要求的方法是可行的.
          5  問題原因分析

          以上風量不足的推斷是基于國標送回風溫差不大于7℃的規定做出的,由于風量和送回風溫差是相互制約的關系,外資品牌風量設計普遍偏小,其送回風溫差的設計必定會大于7℃.

          根據各廠家的標稱數據和相對應的測試工況(干球溫度24℃,相對濕度50%,查濕空氣焓濕圖,知濕球溫度17. 06℃,露點溫度12. 96℃,相對濕度50%,焓值48. 18 kJ/kg,空氣密度1.18 kg/m3)可以計算其相對應的送風溫差:


          根據圖3可以看到,主流品牌在樣本標稱的測試工況下,大部分廠家采取的送風溫差在9-11℃之間,即可以歸結為一個結論:送回風溫差不大于11℃.這與國標里規定的“送回風溫差不大于7℃”有4℃的差異.如果按國標要求的測試條件,結合式(7)計算可得各廠家機組出風溫度如圖4所示.可知,主流品牌機組設計出風溫度在13 - 15℃,在于球溫度24℃,相對濕度50%的條件下,空氣露點溫度為12. 96℃,就是說外資品牌在機組出風溫度設計上的基本思路是保證大于空氣露點溫度的前提下,取得一個更大的送回風溫差.這樣可以使機組的風量降低很多,根據第2節的計算方法可以得出將送回風溫差由7℃增大到11℃,每千瓦制冷量需要的最小風量就由376 m3/h降低為264 m3/h,降低百分比為29.8%.這就基本可以解釋本文第3節分析得出的市場上主流外資品牌標稱的機組循環風量不足百分比在10%-37%之間的現象。機房空調檢測

          6  新觀點的論證
          若將機組送回風溫差的限制由不大于7℃調整為不大于11℃,則機組每千瓦全熱制冷量需求的最小風量就由376 m3/h降低為264 m3/h.機組風量的大幅度降低一方面可以降低機組的設計尺寸和風機噪音,另一方面也可能對機房空間的溫度控制精度及換氣次數產生影響,進而影響機房設備的散熱效果機房空調檢測.

          6.1  機組風量降低對噪聲的影響

          風機的聲功率級Lw(單位為dBA)與風全壓H(單位為Pa)、風量L(單位為m3/h)存在以下近似關系:


          根據式(8)可知,在機組出風全壓不變的條件下,送回風溫差由7℃提高到11℃,噪聲降低情況如圖5所示。


          6.2機組風量降低對機房空間溫度控制精度的影響
          國家標準《電子計算機機房設計規范》對電子計算機機房的溫度要求如下:保持溫度恒定[溫度波動控制在24±(1-2)℃之內];國標GB/T 19413 -2010《計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機》對機房的溫度控制精度要求如下:當機房空調的回風溫度設在17-28℃時,溫度控制精度為±1℃,根據有關資料介紹,經驗允許進、出風溫差是:在室溫允許波動范圍≥±1℃時,進、出風濕差應≤15℃;在室溫允許波動范圍=±1℃時,溫差值應為6 -10℃。機房風量的變化會影響機房空間的溫度控制精度。機房空調檢測

          機房中的風量需求主要包括兩部分,機房設備散熱所需要的風量以及新風需求所需要的風量,前若主要由機房空調機組提供.若在機房設備的技術規格中已經給出所需要的風量,則可以直接計算到總風量中,若沒有特別規定,一般可以按式(9)計算:


          其中,Q為計算機設備的熱負荷,kW;p為空氣密度,kg/m3,可取1. 2;c為空氣比熱,kJ/( kg.℃),可取4.187;Δt為設備的進出口溫度差,℃.
          由以上分析可知,若要保證機房溫度控制精度為±1℃,則式(9)中設備的進、出口溫差在6-10℃之間取值.

          當溫差取10℃時,代人式(9)得:G=301Qm3 /h.

          當溫差取6 ℃時,代入式(9)得:G=498Q m3/h.

          要保證機房溫度控制精度在±1℃,機房空調每千瓦全熱制冷量需要的風量在301 - 498 m3/h之間.

          6.3  機組風量降低對機房換氣次數的影響

          較小的IDC主機房面積一般在200 - 300m2,凈高一般為2.4 -3.0 m,機房熱負荷一般按0.3 -0.4 kW/m2計算.但是對予小型機比較多的機房則需要單獨計算。

          假定某機房面積為250 m2,凈高為2.7 m,機房熱負荷按0. 35 kW/( m2.h)計算,校核不同送風溫差條件下風量是否滿足換氣次數的要求。

          空調機組額定制冷量:87.5 kW,則各條件下機房的換氣次數見表8.


          結合表9的數據可以看到,若機房估算熱負荷為0.35kW/(m2.h)時,國外設計的換氣次數各不相同,分別為:俄羅斯(22次/h)、日本(34次/h)、美國(43次/h)、英國(51次/h).可見,將機房空調送同風溫差限定為不大于11℃,此時的換氣次數是可以滿足機房散熱需求的.
          在國內早期的研究中,對于送風溫差的理解也基本是要保證大風量,天津大學李新禹在2004年的一篇文章中提到送風溫差一定時(通常送風溫差為4 -6℃)的說法,由文獻[14]可知,可以說國標GB/T I9413-2003在一定程度上對機房空調送風溫差的限制過顯嚴格.隨著機房空調在中國市場的不斷推廣和國內研究者的深入研究,。一些新的觀點也不斷涌現,哈爾濱空調股份有限公司張紅娣指出機房空調的設計出風溫度為13-15℃,為大風量小焓差,而舒適性空調為小風量大焓差,出風溫度設汁為6-8℃。鐘志鯤,丁濤在《數據中心機房空氣調節系統的設計與運行維護》一書中也提出了相同的觀點.機房空調檢測

          7  結論

          本文通過對國標《GB/T 19413-2003計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機》關于循環風量和顯熱比相關條款的分析,以及分析結果和機房空凋市場七主流外資品牌樣本和實驗測試數據的對比,得出以下結論:

          1)嚴格按照國標要求,機組送回風溫差≤7℃,則每千瓦制冷量所需的最小風量為378m3/h.而主流外資品牌機房窄調設計送回風溫差為≤11℃,在保證相同顯熱比的條件下,每千瓦制冷量所需要的最小風量為264 m3/h,風量降低29.8%,噪音平均可降低1.2dBA.另外,從機房溫度控制精度、機房換氣次數兩個方面的分析也說明將每千瓦全熱制冷量需求的最小風量設計為264m3/h基本是可以的。

          2)機房空調新的國家標準GB/T19413-2010中也取消了對送回風溫差不大于7℃的限制,僅保留了對濕熱比的要求,由文獻[11]可知,這一改變與本文的觀點不謀而合.相信新的國標一定會更好地指導產業的產品設計和促進市場的健康有序發展.

          3)較大的送風量雖然有助于快速帶走機柜的熱量,但隨著IDC產業的快速發展,單機柜負荷的快速升高,儀儀依靠大循環風量來帶走熱量將會受到嚴重考驗,必須探求新的更高效的冷卻方式.

          文章來源:雷諾威空調公司 http://www.oyho.icu/

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