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浅谈等焓加湿技术在通信机房的应用

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前言:

温度、湿度、洁净度;电场、磁场、气场,三度三场一直是通信机房动力环境不可或缺的一部分。当今通信行业,机房动力环境主要靠机房空调——恒温恒湿机来保障。机房专用空调具有大风量小焓差的特点,非常适合机房使用。然而机房空调的加湿系统主要是等温加湿,具有耗能大、有潜热、加湿效果低等缺点。本文主要通过对机房常用加湿方式的对比阐述来凸显湿膜加湿器在通信机房湿度保障中的应用优势。

市场上常见的有电极式、红外式、湿膜式、干蒸汽式、超声波式、高压微雾式、干蒸汽、汽水混合式加湿,湿膜加湿器式几种商用加湿模式。其中高压微雾、汽水混合、湿膜式、超声波式是等焓加湿,红外、电极、干蒸汽属于等温加湿。

从机房环境标准说开去:机房环境标准如下所示

通信机房的温度、相对湿度及温度变化率可根据通信设备自身的技术要求及对环境的不同要求而确定。

通信机房内的温度划分为三类:

一类通信机房: 10℃ ~ 26 ℃;

二类通信机房: 10℃ ~ 28 ℃;

三类通信机房: 10℃ ~ 30 ℃。

通信机房内的相对湿度划分为三类:

一类通信机房: 40% ~ 70%;

二类通信机房: 20% ~ 80%(温度≤ 28℃,不得凝露);

三类通信机房: 20% ~ 85%(温度≤ 30℃,不得凝露)。

通信机房内的灰尘粒子不能是导电的、铁磁性的和腐蚀性的粒子,其浓度可分为三级:

一级:直径大于0.5 μm的灰尘粒子浓度≤ 350 粒/ 升;

直径大于5μm的灰尘粒子浓度≤ 3.0 粒/ 升。

二级:直径大于0.5 μm的灰尘粒子浓度≤ 3500 粒/ 升;

直径大于5μm的灰尘粒子浓度≤ 30 粒/ 升。

三级:直径大于0.5 μm的灰尘粒子浓度≤ 18000粒/ 升;

直径大于5μm的灰尘粒子浓度≤ 300 粒/ 升。

各类通信机房内灰尘粒子浓度要求见表3

电磁场干扰

按照GB/T 2887-2000 中4.3.5 条要求即:

无线电干扰环境场强

机房内无线电干扰场强,在频率范围0.15MHz~1000MHz时不大于126Db。

磁场干扰场强

机房内磁场干扰场强不大于800A/m(相当于10 Oe)。

 

部分中枢机房温湿度有特殊要求,达到A级标准

当今机房动力环境主要靠机房空调来保障,机房空调主要有五大系统组成:制冷系统、制热系统、风循环系统、加湿系统、控制系统。由于通信机房设备比较密集,散热量比较大,机房空调的制热系统一般处于待机状态,这部分能耗可以忽略不计,于是机房空调最大的耗电系统为制冷系统与加湿系统。

一般一台30KW制冷量的精密空调,以海洛斯M30为例,能耗比是3.94,制冷系统的耗能约为7.5KW/h,此空调的加湿量是9Kg/h, 加湿功率却是9kw/h, 加湿功率竟然比制冷耗能还要高,而且由于专用空调的加湿系统是等温加湿(电极加湿或红外加湿),有极大的潜热,会增加专用空调自身的热负荷,影响专用空调的制冷能力,并且蒸发出来的水蒸汽首先会遇到表冷器,很大一部分水蒸汽被冷凝器冷凝转化成冷凝水,空调的制冷功能也极大的影响力空调的加湿功能。所以机房机房空调自身就是制冷与加湿的矛盾载体。据有关专家统计,专用空调的耗能(仅仅加湿与制冷两部分功能)占机房总耗能的45%左右,并且机房的动力环境状况还同样不尽人意,除夏天以外,机房相对湿度很难达到30%,与A级机房标准尚有30%的差距。

如何提高专用空调的制冷效率,如何达到机房的湿度要求,如何降低机房动力环境保障所需要的能耗成了我们每个设备维护人员面临的严峻问题。

 

在研究以上难题的同时,我们来看各种加湿模式对照表

上表仅仅从加湿形态、加湿效率、饱和效率、控制特新、控制精度、水质要求、单台加湿最大能力、能耗等几个方面综合阐述了几种加湿方式的优劣,等焓加湿法除湿膜加湿器以外其他所有的加湿效率和饱和效率都不是很高,不能满足机房的加湿的实效性,另外高压喷雾及汽水混合、超声波加湿的加湿形态是水微粒子,不符合机房加湿的应用范围条件,而干蒸汽式加湿器必须有蒸汽源,也不能满足每个地区每个机房的条件限制。

 

所以,机房加湿往往只采取电极式、电热式、湿膜加湿器三种方式。下面我们详细比较一下三种加湿方式的优劣。目前,电极加湿有专门的加湿机,电热式主要用于专用空调的加湿单元,如艾默生PEX系列专用空调;湿膜加湿只有单独的加湿系统,由于体积及蒸发特性受限制,很难融入机房空调的加湿系统。下表就三种加湿机的加湿效率、加湿能耗、加湿洁净度、加湿维护费用四个方面做了直观的描述:

可见,湿膜加湿器加湿方式无论从加湿效率、能耗、洁净度、对机房制冷的影响、饱和效率、维护费用等各个方面的优势非常明显。我们从常规角度一一阐述这些优势:

加湿效率:电极加湿是电极把水烧开沸腾产生水蒸汽,水蒸汽通过喷笛经过表冷器(或直接)被风机直接送入房间。由于蒸汽的含水粒子的颗粒比较大,不太容易被空气吸收,所以饱和效率略低,加湿效果反而变慢;另外,水蒸汽经过表冷器时,由于温差比较大,很大一部分湿润空气,被表冷器冷凝,结成冷凝水,从空调的排水系统排出,实际加湿量与空调机的标准加湿量相比就打了折扣,加湿效果大的降低。电热加湿方式与电极式雷同。而采用独立的湿膜加湿系统,利用自然蒸发的原理,室温在18 摄氏度以上就能正常使用,机器表明的加湿量不打折扣,而机房的温度一般在22 摄氏度左右,完全符合加湿所需的温度条件。

对制冷的影响:电极加湿将加湿电极的电能直接转化成水的内能,喷到房间里面以后,跟房间的冷(相对蒸汽温度)空气发生热交换,会增加机房的焓值(机房整体空气的内能),会给机房带来一定的升温影响,从而影响机房空调的制冷,给机房空调的制冷系统带来一定的热负荷。电热加湿方式与电极式雷同。湿膜加湿器是自然蒸发加湿,蒸发有制冷的作用,我们利用公式计算这个问题:

湿膜加湿器在工作过程中,加湿量受四个因素影响:空气的温度、湿膜表面的气流速度、加湿用水的温度、湿膜的蒸发面积。湿膜加湿机制造商在风量与湿膜的蒸发面积上已经做了精确的计算,我们只研究湿膜加湿器对机房温度的影响.

如果机房空调和加湿机都是下送风

计算工况条件:加湿前 t1=22 ℃?1=45%RH

加湿后 t2= ? 风速= 2.5m/s

加湿量15kg/h:

风量: 6000m3/h

湿膜加湿器降低温度值计算:

假定湿膜加湿器的进水温度为20℃,经过湿膜加湿后,气化为20℃的水蒸气,则需从空气中吸收的热量为:

Q =⊿h.W = (2550-84)15 = 36990 kJ

经过湿膜的空气放出热量,空气温度发生变化,若加湿后的空气温度为t2 ’则

Q = C.(W+M).(t1- t2 ’) = 1 ×(15+1.29 ×6000)×(22- t2 ’)= 36990

计算出t2=17.28 ℃

则加湿后温度降低为22-17.28=4.76 ℃.

可见,在机房环境使用湿膜加湿器,排除门、窗等因素,温度降幅约5 摄氏度。

能耗:电极式加湿器的耗能要略小于电热式加湿器的耗能,加湿每千克水耗能约1000W左右,湿膜加湿器的加湿仅仅水泵和风机动作,耗能极小,加湿一公斤水约40W左右,仅仅从加湿的角度来说,电极式、电热式加湿机的能耗就是湿膜的25 倍之多。再加湿电极、电热式、湿膜加湿对制冷的影响,达到相同的环境要求,前两种加湿方式的耗能将是湿膜加湿的30 倍之多。

运行维护费用:电极式对水质要求很高,必须使用浓度适中的离子水,如果水质太硬,钙镁离子在高温情况下很容易形成水垢,加湿罐的更华频率将大大增高,每年至少四次以上;如果水太软,阴阳离子的活性不够,水很难烧开,影响加湿的能效比。所以电极式加湿设备如需达到预计的加湿效果必须配备离子交换式水处理设备。综上所述,一台电极加湿机在使用前年必须配备一套离子交换设备,更换四个以上加湿罐,并耗费一定量的交换盐。电热式加湿方式对水质的要求很低,但是水的硬度过大,会让加湿托盘结垢,增加人员的维护量和降低排水系统的寿命。湿膜加湿器对水质基本没要求,普通的自来水即可,如果选用好的湿膜,有效寿命可达五年,更换一次湿膜的费用极低,运行维护费用最低。

洁净程度:这三种加湿方式的洁净程度都很高,湿膜材料本身就有净化室、过滤空气的作用,而电极式电热式蒸发出来的水也比较干净,但是没有过滤空气的功能,所以相比之下,湿膜加湿器的洁净程度最高。

然而,市场上的加湿产品鱼龙混杂,不是所有的湿膜加湿机都能达到机房加湿的最佳效果,如何擦亮眼睛,选择一款适合机房用的加湿产品,也是每个设备维护人员的难题。现就从技术及机器设计方面来探讨此问题。

一、机房有严格的电磁标准(参照GB/T 2887-2000 中4.3.5 条),机房新增设备必须经过防电场磁场处理。直观上说,要用钢板做机器外壳,塑料外壳必须内衬钢板,防止机器内部电器元件起停产生的电场磁场污染机房电磁环境。

二、湿膜的选择:湿膜材料有两种,一种是有机湿膜,一种是无机湿膜。有机湿膜抗菌、防腐、亲水性好、耐用,但阻燃效果不好;无机湿膜阻燃,但抗菌、防腐、亲水性等性能较差。机房发生火灾的概率比较小,所以湿膜加湿器选择湿膜以有机湿膜优先。湿膜表面的光洁度直接影响湿膜的亲水性,从而影响加湿量、加湿效率、及加湿效果。表面太光洁,挂不住水,加湿效果差,表面微孔太多,容易吸水,加湿效果好,但湿膜容易膨胀,胶结处容易松动,此等湿膜的寿命比较短。所以选择湿膜还要选择表面光洁度适中的湿膜。

三、风机的选择: 湿膜加湿器的加湿量、加湿效率与三个参数有关系。湿膜的蒸发面积、室内温度、湿膜表面的气流速度。至于湿膜的蒸发面积与风量风速的匹配,这个比值一般各个生产厂商有自己的参数,然而我们要考虑的是机房加湿一天24 小时,一年365 天基本不停的运转,所以要考虑风机的工作稳定性的问题,所以要选择标准商用风机。此外,结合安装现场,我们还要考虑风压与送风距离的问题,此不累述。

四、控制系统的选择:为了减小人员的维护量,通信机房的湿膜加湿器需要全自动的控制系统,此系统主要靠室内温度、湿度及水箱浮子传感器控制加湿系统的起停,并能提供标准的RS485/232 监控接口,联网监控,便于远程操作。控制精度要适中,一般为±5%(控制精度太高,加湿系统会频繁起停,严重缩短加湿机的使用寿命,增加机器的故障率,控制精度太低,不能适应通信机房湿度高要求的现状)。

五、完善的防漏水系统:为缩小人员的维护量,通信机房加湿机一般采取自动上下水,漏水成为机房加湿的一大隐患,选择湿膜加湿机一定要看厂商是否能合理的控制湿膜加湿器的漏水概率。

 

六、为了节约设备的占地面积,建议在合适的情况下选择内置水箱。