南方沿海城市數據中心結露分析與濕度控制策略*

周 游 侯 婕 廉新科

（海軍研究院 北京 100036）

1 引言

在高度數字化的今天，數據中心容納著大量的存儲設備、服務器以及通信設備，這些設備因為它們具有相同的對環境的要求以及物理安全上的需求而被放置于相同的位置［1］。數據中心中電子設備是否能夠穩定運行，直接決定了這些設備所承載業務的質量。數據中心中空氣濕度必須保持一個合適的范圍，才能夠給其中的電子設備提供較為安全的環境。如果濕度過低容易產生靜電，存在靜電擊穿電子元器件而損害電子設備的風險；如果濕度過高，會加速金屬氧化，縮短電子設備壽命，降低絕緣材料的性能［5］。根據2017版《數據中心設計規范》中的規定［2］，機柜進風區域要求露點溫度5.5℃～15℃，同時相對濕度不大于60%，主機房環境要求濕度8%～80%，同時露點溫度不大于27℃。我國南方沿海城市在特定季節空氣非常潮濕，雨后空氣相對濕度甚至可接近100%，室內墻壁經常發霉甚至結露，這使得建設在南方沿海城市數據中心的濕度控制十分困難。本文僅針對南方沿海地區濕度過高的情況，討論降低濕度的濕度控制方法。本文所討論的均為一個大氣壓不變的情況下。

2 相關定義與焓濕圖

含濕量d表示空氣中含水量的多少，定義為濕空氣中與單位質量（1kg）干空氣并存的水蒸氣的質量，單位g/kg。

相同溫度下，空氣中的水含量越多，空氣越濕潤，空氣中水蒸汽分氣壓也越大。當空氣中水含量達到最大，即濕空氣達到飽和狀態時，此時的水蒸汽分氣壓為當前溫度下的飽和水蒸汽分氣壓［3］。相對濕度?反映空氣的潮濕程度，定義為空氣中水蒸汽分氣壓與相同溫度下飽和水蒸汽分氣壓的百分比。

焓h表示單位質量空氣中含有能量的多少，定義為1kg的物質含有多少千焦的能量，單位kj/kg。

熱濕比表示熱量和含濕量變化的比值，定義為焓的變化與含濕量變化的比值。

焓濕圖能夠用來表示濕空氣中各參數之間關系的曲線圖，是用來分析濕空氣狀態變化應用最廣泛的工具圖［9］，如圖1所示。被稱為“空調之父”的Willis Haviland Carrier［8］找到了干濕球溫度和露點溫度關系及潛熱和顯熱關系，發表了溫濕度基本原理，并繪制了焓濕圖，這是空調計算的里程碑。焓濕圖中有等焓線（h線）、等濕線（d線）、等溫線（t線）和等相對濕度線（?線）組成。

圖1 焓濕圖

等溫線是平行排列的橫線，在等溫線上，各點溫度相同，空氣含濕量越大，相對濕度越大，同時焓值也越大。等焓線是平行排列的斜線，在等焓線上，焓值相同，溫度越高，含濕量越低，相對濕度也越低。等濕線是平行排列的豎線，在等濕線上，空氣含濕量相同，空氣溫度越低，焓值越低，相對濕度越高。等相對濕度線是一簇互不交叉的曲線，在等相對濕度線上，各點相對濕度相同，溫度越高，含濕量越高，同時焓值也越大。

請注意相對濕度100%的等相對濕度線即最右側的等相對濕度線，表示空氣達到飽和狀態，線上的每個點都表示對應溫度下空氣中能承受的最大的含濕量。同時線上的點也表示在對應含濕量情況下，保證空氣中的水蒸汽不液化的最低溫度，若溫度再繼續下降，空氣中的水蒸氣會凝結［12］。如果使特定含濕量下的空氣逐漸降溫，當空氣中水蒸氣凝結時的溫度叫做露點溫度。露點溫度反映的是空氣中的含濕量大小，含濕量越大，露點溫度越高。由于空氣達到露點溫度時，空氣為飽和狀態，因此空氣結露時的狀態點均在相對濕度100%的等相對濕度線上滑動。

3 恒溫恒濕空調工作原理

空調制冷是靠制冷劑在不同位置的液化放熱和汽化吸熱實現熱量的轉移?？照{工作時，低溫低壓的制冷劑液體流經空調室內機的蒸發器（銅管），吸收大量的熱量蒸發變為低溫低壓的氣體，低溫低壓的制冷劑氣體經過壓縮機的壓縮后變為高溫高壓的氣體，氣體經過空調室外機的冷凝器（銅管）時，由于冷凝器的溫度低于此時的氣態制冷劑，制冷劑液化成中溫高壓的液體，同時在室外放出大量的熱量。中溫高壓液體再經過膨脹閥、毛細管等變為低溫低壓液體再進入室內機的蒸發器。制冷劑在壓縮機的驅動下，在室內吸收熱量，在室外釋放熱量，循環往復［11］。室內的空氣在風機的吹動下，流經低溫的蒸發器表面，溫度下降，實現空調制冷。

空調除濕是利用空調蒸發器制冷時的低溫，使流經空氣的溫度大幅度下降，下降到低于露點溫度，空氣就會在蒸發器上凝結成水，再將水排出室外達到除濕的目的。

空調在制冷時，會產生冷凝水，使空氣中的含水量降低，從焓濕圖中可知，空氣的露點溫度也會隨著降低。當空氣溫度達到了設定溫度范圍，空調的控制系統會使壓縮機以較低功率運轉，防止空氣過冷低于設定的最低溫度。隨著制冷過程中含水量的下降，當空氣露點溫度降低到一定程度后，不產生冷凝水，空氣中的含水量就會維持在一定水平?？照{在除濕時，空調為了盡量快和盡量多地產生冷凝水，使蒸發器處于一個很低的溫度，所以除濕的同時必然會制冷。

當機房溫度較低但濕度較高時，在空調的作用下，溫度先達到設定值，但濕度仍然超標，為了繼續除濕的同時不至于空氣過冷，導致低于設定的最低溫度，恒溫恒濕空調一般都具備除濕再熱功能，在除濕的同時會適當加熱流過蒸發器的空氣［4］。

4 南方沿海城市案例分析

中國南方沿海地區空氣潮濕，數據中心空調的除濕負擔較重［7］。某數據中心選址在某沿海城市的地下一層，氣流組織采用冷熱通道隔離方式［6］，空調布置位置采用行間空調方式，平面布置圖如圖2。

圖2 數據中心平面布置圖

當數據中心建設完成后，業務設備上架前，開啟空調調節數據中心內空氣溫度和濕度，以滿足電子設備使用環境要求。開啟空調前，數據中心機房內空氣與室外空氣相同，溫度高且濕度大，狀態見圖中A點。空調出風溫度遠低于機房內空氣溫度，在出風口處的空氣會形成較大的溫差，產生結霧現象，狀態見圖中B點。隨著溫度的降低和冷凝水的析出，空氣的溫度和含濕量均降低。但由于南方沿海城市氣候濕度大的特點，溫度會先達到設定值，但濕度仍高于設定值，空調開啟除濕模式，但由于溫度已達到設定值，空調會對流經蒸發器的空氣再加熱，以防空氣溫度過低，最終穩定在C點。

在數據中心驗收期間，由于測試驗收人員頻繁出入數據中心，熱通道經常與室外空氣交換，導致熱通道內濕度陡增。同時室內人員的呼吸也加重的室內空氣濕度。熱通道空氣濕度遠超出設定范圍，除濕模式開啟，經過空調蒸發器的熱通道空氣溫度不會瞬間降為C點溫度，而是如D點所示。冷通道內機柜門等物體溫度與C點溫度相同，而D點狀態下的空氣結露溫度高于C點溫度，所以進入冷通道的空氣遇到機柜門時會產生結露。

5 南方沿海城市數據中心濕度控制建議

增加密封性能，對數據中心運行環境進行密封，盡量減少室外空氣進入數據中心。在工程驗收過程中盡量減少開關門次數，驗收數據中心設備運行環境時，建議經過空調長時間運行環境穩定后再驗收。如是有人值守的數據中心，建議運維人員與運行環境采取密封隔離的措施，以減少人員因呼吸增加的濕熱負擔。同時在機柜空閑的槽位安裝隔板，減少冷熱通道之間氣流的交換。

合理組織氣流，建議在數據中心內空調和除濕機搭配使用，熱通道內加裝除濕機。由于除濕機的蒸發器冷凝器均在室內，空氣經過除濕機后只降低濕度，溫度不會降低，能夠減少空調除濕再熱的負擔。同時除濕機的冷媒運行距離不長，主要配件功率不高，使它的能耗遠低于空調除濕，能夠減少降低數據中心能源消耗［10］。

6 結語

本文通過分析得出南方沿海城市數據中心結露的主要原因是數據中心外的高溫高濕空氣直接進入數據中心，空調的除濕再熱功能開啟后回流至冷通道的空氣的露點較高產生結露。防止南方沿海城市數據中心結露的策略主要為加強數據中心密封性，減少因人員活動帶來的濕度影響，同時建議在南方沿海城市數據中心空調和除濕機搭配使用。