精密空调优于舒适性空调的七项环境控制性能

精密空调优于舒适性空调的七项环境控制性能

概要    处理关键业务的计算机系统的有效、可靠运行是各行业公司取得成功必不可少的要素。 计算机系统停止运行的成本很高，即便短暂的中断也会导致生产力、利润和客户商誉的潜在损失。处理关键业务的计算机系统不再局限一个地方，现在许多组织有多个数据中心，包括远程的小型数据中心。    小型或远程数据中心不能像大型数据中心一样，在支撑系统设计上得到相同的关注度，尽管系统故障造成的损失相当高。特别是，环境控制可能不太受关注：无论是由于快速增长（导致数据中心“增长快于”支撑系统）或是缺乏对敏感电子设备制冷要求的理解，有些用户最终还是尝试采用舒适性空调系统为精密电子设备提供制冷。    结果是加大了被保护设备过早失效的风险，提高了必要运营成本。    精密空调是专门设计用于满足高热密度电子类负载的需求，此类负载产生的显热高于一般的舒适性环境，且需要全年365 天、每天24 小时的不间断制冷。电子设备对湿度变化更为敏感，要求空气质量要求比一般舒适性环境高。    通常由于精密空调的初期投资成本较高，因此客户常常选择舒适性空调，并承受由此导致的敏感电子设备的风险。但由于精密空调专用于高显热环境，并且全年不间断运行，因此，在整个使用寿命期内的运行费用比舒适性空调要低。因此，同时考虑初期投资成本和运营成本时，精密空调实际上是费用最低的解决方案。

精密VS 舒适性制

对数据中心可靠运行所需的支撑设备规划的考虑，通常比对主设备的考虑要少，规模较小的设施或远程设施尤为如此。诸如支持关键计算机系统的环境控制、供电可靠性和有效监控等领域，受关注的程度低于服务器、操作系统和网络配置等领域。然而，这些系统性能不仅仅依赖于网络连接，也依赖供电和环境支持系统。

数据中心计算机和网络系统内电子元件的发热和敏感度要求温度、湿度、空气流动和空气洁净度维持在严格的范围内。

精密空调是专为此目的而设计的。舒适性空调偶尔也应用于这些场合；但通常是因为人们难以区分舒适性空调和精密空调之间的差异。

舒适性空调系统包括普通空调、住宅区中央空调和办公室与商用写字楼内的空气调节系统。它们主要为工作人员提供舒适的环境。

精密空调主要为主设备提供全年不间断制冷，精密湿度控制，和比舒适性空调更高的制冷能力/平方英尺。    具体而言，精密空调与舒适性空调之间有七个主要差异。

1. 优化制冷以满足电子系统要求    电子设备比一般舒适性环境产生更高的显热，这极大改变了对制冷系统的要求。

有两种制冷类型：潜热制冷和显热制冷。

潜热制冷是指空调系统消除湿气的能力。这在一般舒适性制冷场合下很重要，例如办公写字楼、零售商店及人群密度较高的其他地方。潜热制冷的重点是保持人们工作环境的温湿度平衡。这些地方通常有直接通往外面的门和进出口通道。

显热制冷是空调系统消除热量的能力，可采用温度计进行测量。数据中心产生的热量/平方英尺比写字楼要高，并且人群密度相对较低。

在大多数情况下，除平时很少用的紧急出口外，数据中心无直接通往写字楼外面的出口。

舒适性空调的显热比为0.60~0.70 。这意味着60%~70% 的制冷量用于降温，30%~40% 的制冷量用于除湿。为实现高效制冷，数据中心环境要求显热比达到0.80~0.90。精密空调的显热比为.85~1.0。 这意味着80%~100% 的制冷量用于降温，仅0%~20% 是用于除湿。因此，在处理相同显热负载的情况下，“标称”20 冷吨的舒适性空调所需数量要多于精密空调。

图1 普通办公环境中，60%-70% 为显热负载（.6-.7 SHR ），而计算机机房有90%-100% 的显热负载（.85-1.0 SHR ）。

随着潜热输出的减少，除湿需求也在减少。 数据中心对潜热制冷的需求最低，除湿需求也最低。由于精密空调主要用于消除显热，而不是除湿，具有较高的显热比。因此，精密空调最适用于数据中心。2. 符合数据中心高热密度要求的系统容量设计    电子设备环境下的热密度是一般办公环境热密度的3-5 倍，而且还在以更快的速度增加。    具体而言，每250-300 平方英尺的办公室要求1 冷吨的制冷量（12,000 BTU /小时或3,413 瓦），平均为15 瓦/平方英尺。然而，每50-100 平方英尺的数据中心就要求1 冷吨的制冷量，平均为75 瓦/平方英尺。这是数据中心在某一年度的平均值，有些站点的负载热密度高达 200~300 瓦/平方英尺。    从气流角度来看，精密空调的设计与舒适性空调不同，其设计的目的是为了解决数据中心内较大负载热密度。精密空调可实现较高的显热比，有助于维持设定温湿度水平，并可通过较大的空气流动，实现更好的空气过滤。

图2：计算机房内的热密度一般是办公环境的3-5 倍。

精密空调一般为每冷吨制冷量配置500～900 立方英尺/分钟的风量，这与舒适性空调350～400 立方英尺/分钟的风量形成鲜明的对比。    此外，刀片服务器及其它新一代机架设备对数据中心提出了前所未有的散热要求。新一代服务器和通信交换机产生的热量/平方英尺是十年前的十倍。现在，数据中心设计人员和工程师需要考虑，同时采用高架地板精密空调和专业散热装置。舒适性空调仅仅是采用简易装置，来应对这种新挑战和相关的散热要求。

3. 精密湿度控制    如果忽视湿度的影响，将会导致长期的、严重的问题，包括主设备、其他资源以及基础设施的损失。数据中心环境的最佳相对湿度范围是45%～50%。相对湿度过高时，湿气会腐蚀开关电路，引起功能失效和设备故障。而当相对湿度过低时，会产生干扰设备正常运行的静电放电。由于数据中心一般是需要全年365×24 小时不间断制冷，所以更易产生较低的相对湿度。    舒适性空调一般没有湿度控制，则很难保持数据中心稳定的相对湿度。如果增加了必要的控制和部件，那么它们必须作为一个完整系统运行。精密空调有多种运行模式，可以提供适当比率的制冷、加湿和除湿，更适合于对湿度控制精度要求较高的数据中心。

图3远红外加湿器使精密空调能提供快速、精密的温度控制。

4. 防止灰尘等污染物    即使少量的灰尘或其他颗粒，也会损坏存储媒介和电子元件。大多数舒适性空调采用住宅型空气过滤器，过滤效率仅为10% ，这对于数据中心环境而言是远远不够的。精密空调的过滤器具有更高效的内部过滤腔，其效率可达20%-30% ，且符合ASHRAE 标准。5. 高效的不间断制冷    大多数写字楼内使用的舒适性空调每天平均要运行8 小时，每周运行5 天。假设仅在夏季月份有制冷要求，则相当于每年要运行约1,200 小时。    不管外部环境如何，大多数数据中心要求每年365 天、每天24 小时的不间断散热。精密空调及其部件设计满足高标准的制冷需求。当精密空气调节机组内其他部件可根据需求开启或关闭时，风机系统则需要每年8,760 小时地持续运行。

图4精密空调可提供机房级到机架级保护的多种配置

此外，带有室外热交换器的舒适性空调，当外部环境温度降至32° F 以下时，由于压力过低，一般不能运行。但是精密空调可在-30° F 的条件下正常运行，而乙二醇制冷系统在-60° F 的条件下正常制冷。6. 较低的运营成本    由于基础工程、设计和设备存在差异，因此，舒适性空调与精密空调的初期投资费用不能反映全部问题。较为精确的比较，是考虑两个系统运营成本的差异。基于以下假设，对两种方法的运营成本比较（可针对具体情况进行更为详细的分析）：     • 每冷吨制冷量需要1.0 马力（0.747 kw）功率。     • 压缩机电机和风机的效率为90%。     • 电力成本为$0.06/瓦时。    •11 月～次年3 月（3,650 小时）要求加湿。    •精密空调的显热比（SHR ）为0.90， 舒适性空调的显热比为0.60 。    首先，计算一冷吨制冷量的机组运行一年的成本：

总成本为$436 每冷吨/年。    然后，用总成本除以系统的显热比，得出每冷吨显冷量的成本。对于精密空调而言，每冷吨显冷量的成本是：

对于舒适性空调而言，每冷吨显冷量的成本是：

在上述范例中，舒适性空调每年的运营成本比精密空调的运营成本高出$243/每冷吨显冷量。这和业界普遍认同的原则一致，即舒适性空调3 冷吨制冷量相当于精密空调2 冷吨制冷量。    第二点比较是再加湿成本，通过计算每产生1 冷吨显冷量的同时，会产生的潜冷量来确定。    对于精密空调而言：

对于舒适性空调而言：

舒适性空调每产生1 冷吨显冷量，就会消耗6,667Btu 用于除湿。为了保持数据中心的相对湿度为45%～50% ，则需要消耗同样的能量用于加湿。    增加的成本是：

在上述情况中，当考虑了所有制冷和再加湿成本时，舒适性空调每年的运营成本比精密空调高出$670/ 冷吨显冷量。7. 增强服务与支持    关键环境需要关键支撑系统的高可用性。因此，这些系统运行可靠，并且符合计算机系统运行环境的控制要求很重要。    精密空调的部件冗余比舒适性空调的要多，以保证其出现某些故障时仍能继续运行。此外，精密空调是由厂方培训的服务工程师进行安装，他们更熟悉数据中心的需求和敏感性。制造商可提供对精密空调24 小时紧急服务和预防性维护服务。由于即使短暂的停机都会影响机房安全底线，因此，设计精密空调的首要考虑因素是适用性。结论    计算机系统对环境有独特的要求。舒适性空调适于人员居住或只有常规设备的“舒适”环境。    精密空调具有高效率、高可靠性和灵活性的特点，能满足数据中心和其他高可用性计算机机房日益增加的散热、湿度控制、过滤及其他方面的要求

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