淺談數據中心機房上送風空調運行模式

陳翼翔，陳慧敏

（湖南工程職業技術學院，湖南 長沙410100）

0 引 言

數據中心機房是以對信息化服務提供技術支撐和數據支撐為目的，確保電子信息系統設備安全、穩定、可靠地運行，以及提供氣象、軍事、通信、科研、容災、備份、結算、管理、監控等信息服務的基礎環境，實現數據設備的集中存放和運行的場所。目前，國內外均將數據設備集中放置于數據中心機房中，此房間的經濟價值、意義、能耗的密度均很高。

摩爾定律揭示，集成電路上可容納的晶體管數目，每隔18～24個月便會增加一倍。而數據設備的發展正是符合這條定律一直向高容量、高性能化發展。設備對耗電和散熱的要求也在不斷增加。2000～2010年設備每年熱密度的增長率將是7%（如磁帶庫）到28%（如通信設備）之間［1］。現代電子設備由大規模集成電路構成，其中的半導體PN結的導通特性和溫度息息相關的。溫度會影響其擴散電流、傳導電流、結間勢壘等參數，進而影響導通、截止角、溫飄系數，使性能參數改變。一般電子器件溫度適應范圍：民用級－15～85℃，軍工級－55～165℃。數據設備長期運行在高溫之下，會造成設備過早老化、設備運行失常、停止工作等危害。

數據中心機房保有量巨大的通訊運營商指定的行業規范［2］指出：特別是大型IDC機房里的IP網絡設備耗電量、發熱量都非常大，導致數據中心機房的電源、空調需求量比傳統通信機房大很多，這類機房的環境溫度嚴重超標和電源缺乏足夠的保障已成為制約IDC業務發展的一個瓶頸。不僅在放置計算機服務器的主要機房，而且一些網管、監控、計費、支撐等重要IT系統機房也開始出現了環境溫度過高、電源掉電的運行安全隱患。數據設備發熱的現狀客觀存在，且發展形勢越來越嚴峻［1］。

數據機房空調的研究趨向于數值化、精確化，已取得不少成果，這些成果大多集中在研究、設計、安裝、初始調試階段；但是，對機房空調運行模式存在的可變性和可操作性卻關注甚少。

1 數據機房上送風專用空調

機房冷卻概念按機房構造形式可分為無活動地板機房（或標準機房）和活動地板機房兩種，與之相匹配的空調送風也就有了上送風（over head deliver y）和地板下送風（underneath raised floor）兩種形式［3～5］。作為建設周期快、投資相對較少的上送風機房專用空調被廣泛采用，現今采用這種形式的機房保有量仍然巨大，圖1是常見的上送風機房專用空調機。

圖1 上送風機房專用空調機

數據中心機房，因其空間密閉，機架體積高大，電子設備發熱的大小和位置固定，上送風空調室內機位置固定，出風口位置也隨之固定，且出口風速較大（據各生產廠家樣本均大于3 m／s），形成了它獨特的穩態氣流場。這種氣流場在機房內各機架、空調機位置確定后即已形成，并很難改變，在某些局部區域，氣流場呈現不利狀態，冷量輸送不夠，造成局部溫度過高［6～10］。基于上述，唯一能改變機房內空調系統獨特的穩態氣流場的方式就是改變空調機的開啟狀態。

2 上送風機房專用空調運行模式

以開啟運行后形成最有利的氣流場、盡可能顧及到每個局部為目的，選擇空調機的主用與備用、開啟與關閉，即為上送風機房空調的運行模式。無論在政府、電信、移動等單位的數據機房管理制度［11～13］，還是在國家、行業規范中，均沒有機房空調運行模式的相關規定；文獻［14～16］中對空調運行模式進行分析的方法可以借鑒。國務院第531號令，《公共機構節能條例》第四章第33條：公共機構應當對網絡機房、食堂、開水間、鍋爐房等部位的用能情況實行重點監測，采取有效措施降低能耗。

目前空調專業人員對機房空調工作的介入止于初始空調狀態調試，而廣大數據機房維護人員均為電子專業人員，缺乏流體和傳熱等學科知識，沒有氣流組織的概念，在運行模式選擇上憑經驗、想當然，以為無論開啟哪幾臺空調機，選擇何種空調運行模式，只要制冷量足夠大，開啟時間夠長，機房內空氣溫度、數據設備本體的溫度就一定能降下來；而如果某局部的溫度無法維持正常，則本能、武斷地判斷為機房空調的制冷量不夠，首先會違背規范調低空調機設定溫度，緊接著報請上級主管部門要求增設空調機。這種請求因其重要性，往往被順暢地采納。

2.1 不同運行模式的不同效果

無論哪種空調運行模式、開啟多長時間，計算冷負荷并不能保證每臺數據設備的發熱都能得到很好的消化，數據設備間的工作溫度存在差異，局部差異還較大。不同的空調運行模式給機房內的溫度場、氣流場帶來較大的變化，使得數據設備的工作溫度也不相同。

如圖2所示，在同一機房、同一剖面處、不同運行模式下，高溫區域出現的位置不同、溫度高低也不同，盡管不能完全消去差異，但是其中必有一種模式是所有模式中最佳的。

圖2 不同模式在同一剖面處溫度云圖比較

2.2 機房專用空調機初投資分析

計算機、通訊、數據、IT設備對工作環境的空氣品質要求很高，在各種規范及通信行業規范中都對機房空氣溫濕度、空氣含塵濃度做了量化的要求。為實現符合要求的機房室內空氣品質，國內外大多數數據機房都選擇配備了恒溫恒濕精密空調，又稱機房專用空調。因室內外機對應，且獨立性較強，屬于單元式空調機。機房專用空調的價格是單元式空調機中最高的，每瓦制冷量單價對比如圖3。

圖3 我國單元式空調機價格對比

依據上述數字計算，一個200 m2的數據中心機房，其專用空調機的購置費將近120萬元人民幣。新增單臺空調機的投資至少在十萬元以上。

2.3 機房專用空調機能耗分析

典型數據中心機房設計時考慮的總電源配給在1 080 W／m2～3 230 W／m2之間［12，13］，相比中國國內電氣相關規定中對普通辦公樓要求配給的85 W／m2（實用面積），高達13～38倍，而在這些能源當中，數據機房空調機的耗能份額如圖4所示。依據上述數字計算，一個200 m2的數據中心機房，其專用空調機的能耗將近90 k W。美國國家標準局認為把夏季設定溫度從24℃改為26.7℃，約可節約能量15%。以日本辦公樓為例夏季室溫設定值從26℃，提高到28℃，冷負荷可減少21%～23%［17］。雖然目前沒有針對數據中心機房的具體能耗調查，但是調低空調設定溫度非但沒有解決局部溫度過高的現象，反而還引起大量的能源浪費。基于此，國家及各行業規范對數據機房環境溫度，均規定為23±1℃，不得隨意升降。

綜上所述，隨意增加空調設備和設低機房溫度，將會在絕大多數數據機房空調運行模式上，普遍存在著隨意性、經驗性、模糊性和粗放性，導致機房空調的初始運行狀態在日常運行中被破壞，浪費了前期所有研究成果，缺乏機房空調運行中的運行模式選擇的科學論證，缺乏運行模式的預評價和評價方法，導致投資和能耗方面的極大浪費。

圖4 新加坡數據機房能耗結構圖［20］

在筆者十余年的工作實踐當中，湖南省內電信、移動、原聯通、網通數家通信運營商在每個地區的數據中心機房，湖北武漢移動公司的數據中心機房，電業、交警、廣電的數據中心機房等，筆者都參與過機房局部溫度過高的難題的會診。由運行模式不當造成的機房局部溫度過高占據相當大的比例。

簡單地把數據中心機房內空調機設定溫度調節下來，機房內原有的溫度場性態沒有發生質的改變，反而拉大了機房內的局部溫差，原溫度高的局部沒有得到改善，而只是導致原溫度低的地方溫度更低。

而加裝的新空調機投入運行后，所有空調機壓縮機的自動開機頻率減少，呈現出機房內總體冷量過剩的現象。這時如新舊空調機的運行模式選擇不當的話，機房內的溫度場雖然會有質的改變，但是仍有可能解決不了某些局部區域溫度過高的問題。機房專用空調機造價昂貴，增設新空調則造成固定資產大的浪費。

3 上送風空調運行模式的研究方向

因為上送風空調運行模式的改變就是改變機房內的氣流組織，所以可以借鑒前人在此領域內的豐碩成果。文獻［6～10，21～23］中研究者進行了數據中心機房內的氣流組織的研究，國外研究者主要研究在計算機房內采用防靜電架空地板下送風情況下，機架內和機房內的氣流組織的特性，也嘗試著形成一些較高水平的理論，并對下一步研究提供較成熟的研究方法；部分國內研究者方向和國外研究者類似，另一部分是研究目前國內較為普遍采用的空調機上送風直吹情況下，機房內整體的氣流組織。

在國內外科研工作者的既得成果基礎上，采用成熟的科研方法，分析數據機房空調運行模式的選擇對數據設備安全、空調機投資和能耗的影響；形成數據機房空調運行模式選擇的預評價與評價方法。促進國家和行業規范進一步修訂，摒棄數據機房空調運行中的隨意性，指導機房維護人員選擇科學的空調運行模式，實現數據設備的安全運行，節約機房空調的投資和能耗，完善機房空調研究—設計—安裝—初始調試—運行全過程的數值化、精確化。

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