數據中心的空調設計淺談

金哲秀

摘要 簡要介紹數據中心的機房內環境要求重要性、相應空調系統的設計要求、特點及適用性。

關鍵詞 室內環境 熱密度 氣流組織 冷源設備

中圖分類號：X32 文獻標識碼： A

引言

隨著我國改革開放的深入和現代化建設的快速發展，我國的國民經濟得到了快速發展，涌現出大批國際級企業。在計算機、網絡技術飛躍發展及人們對互聯網業務應用的需求，數據處理業務也出現爆炸式增長，網絡連接和協作服務也已成為了企業部署IT服務的必備選擇，金融行業、交通運輸、醫療衛生等大型企業及政府機構相繼建立起許多數據中心。隨著大數據時代的來臨，數據中心的熱密度呈現處逐年上升的趨勢。在這種趨勢下如何加大節能減排力度，降低用戶直接成本等問題就成了擺在數據中心設計者和運行管理者面前的重要課題。

二 、數據中心環境要求

按照我國對電子信息系統機房的分級與性能要求，電子信息系統機房劃分為A、B、C三級。相應空調設計標準也依據機房的分級標準有不同的要求。?表1所列數據為A級、B級及C級電子信息系統機房推薦的環境設計參數值和允許的環境設計參數值。這些參數主要是數據通信設備所處環境的空氣溫度、空氣溫度變化速率、濕度、空氣過濾要求等。

表1A級、B級及C級環境設計參數

1）空氣溫度要求

機房內的溫度條件直接關系到設備工作的可靠性和使用壽命，而機房內的局部溫度變化也會對設備產生不良影響。機房的溫度偏高會產生諸如導致電子元器件的性能劣化、降低使用壽命、加速絕緣材料的老化、變形、脫裂、降低絕緣性能等問題。另一方面如果溫度偏低又會使電子元器件的參數改變，引起金屬和塑料絕緣部分因收縮系數不同而接觸不良，直接影響到計算機的穩定工作。

2）環境溫度變化速率要求

在單位時間內空氣的溫度變化較大時會出現電氣參數的變化、結合部位開裂、離層、密封件漏氣、灌封材料從電氣元器件和包裝表面剝落等影響計算機工作的情況。對此一些數據通信設備制造商也制定了各自生產的數據通信設備允許環境溫度變化速率的標準，以避免環境溫度的突然變化對數據通信設備造成沖擊。

3）濕度要求

機房內的濕度偏高會使金屬材料氧化腐蝕，促使非金屬材料的元件或絕緣材料的絕緣強度減弱，材料的老化，變形，引起結構的損壞。濕度偏低又容易產生靜電，靜電容易吸附塵埃，如被粘在磁盤的讀寫頭上，輕則出現數據誤差，嚴重的會劃傷盤片，損壞磁頭。

4）空氣過濾要求

在對機房影響較大的塵埃有礦物性的和塵土纖維性的兩種。礦物性塵埃的固體粉粒進入機房，會劃傷電子設備和整機的表面保護層，還會加速精密機械活動部位的磨損，造成故障。塵土纖維性的塵埃由于具有吸濕性，如附著在電子元器件上，能導致金屬材料氧化腐蝕，改變電氣參數，還會使電子元器件散熱不良，絕緣性下降。另外二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）、二氧化氮（NO2）等有害氣體在進入機房后會快速破壞印刷電路板上的金屬薄膜和導電體，導致末端連接處電阻值增大，嚴重影響機房設備的可靠性和使用壽命。因此室外新風在進人數據通信機房之前，必須經過過濾和預處理，去除塵粒和腐蝕性氣體。

當然隨著電子元器件可靠性的逐步提高，計算機所受的影響也會逐漸下降，對機房的要求也逐漸在放寬。

三、數據中心空調系統的特點

計算機機房對溫度、濕度及潔凈度均有較嚴格的要求，因此，機房空調在設計上與傳統的舒適性空調有著很大區別：

冷量分配（顯冷與總冷的比例）不同

傳統的舒適性空調主要是針對人員設計，送風量小，送風焓差大，降溫和除濕同時進行；而機房內顯熱量占全部熱量的90%以上，它包括設備本身發熱、照明發熱量、通過墻壁、天花、窗戶、地板的導熱量，以及陽光輻射熱，通過縫隙的滲透風和新風熱量等；這些發熱量產生余濕量很小，因此采用舒適性空調勢必造成機房內相對濕度過低，而使設備內部電路元器件表面積累靜電，產生放電損壞設備，干擾數據傳輸和存儲。同時，由于舒適性空調制冷量的(40%-60%)消耗在除濕上，使得實際冷卻設備的冷量減少很多，大大增加了能量的消耗。

機房空調需要使空調設備的制冷量大部分用于消除顯熱負荷而減少除濕，要求送風焓差減小，送風量大。

2、 空調風量及輸送動力不同

舒適性空調風量及輸送動力小，由于送風不均勻不能在機房形成整體氣流循環，機房冷卻不均勻，使得機房內存在區域溫差，送風方向區域溫度低，其他區域溫度高，發熱設備因擺放位置不同而產生局部熱量積累，導致設備過熱損壞。

機房空調雖然具有大風量，但由于有冷凝水的產生，為不危害服務器設備，需要布置在遠離服務器設備處，為減少送風不均勻而需要加大空氣輸送動力（風機動力），以使冷空氣通過高架地板盡量均勻送至各設備處。

3、 可靠性不同

因大多數機房內的電子設備均是連續運行的，工作時間長，因此要求機房專用空調在設計上可大負荷常年運轉，并要保持極高的可靠性。舒適性空調較難滿足要求，尤其是在冬季，計算機機房因其密封性好而發熱設備又多，但仍需空調機組制冷工作，此時，一般舒適性空調由于室外冷凝壓力過低已很難正常工作，局部冷卻空調系統由于采用仍能正常保證冷循環工作。

4、 可控制的濕度處理

舒適性空調一般不配備加濕系統，只能控制溫度且精度較低，濕度則較難控制，不能滿足機房設備的需要。

雖然機房內能使室內環境濕度產生變化的因素只有偶爾進入機房的少量工作人員及為滿足工作人員衛生需求的最低新風，其濕度波動很小。但由于機房空調在制冷過程中除去了一部分室內濕度。而計算機設備對濕度又具有一定要求，所以機房空調內需要配置加濕設備從而對機房內濕度進行控制。

5、 制作成本不同

舒適性空調在設計上考慮到實際使用時的季節性和時段性，每一年的實際工作時間核算成連續工作時間并不會太長，另外，舒適性空調是民用產品，設計和生產工藝均需要盡量簡單，并要大批量的生產以降低成本。因此，一臺設計使用壽命10年的舒適性空調機組，如果在機房內24小時x365天的運行，在2-3年后就達到它的使用壽命，出現故障的可能性會迅速增加。

機房空調要求能夠24小時x365天不間斷的運行。因此，一臺設計使用壽命10年的節能型空調的制造成本會遠大于相同制冷量的舒適性空調機組。

四、數據中心空調系統設計

數據中心在運行的整體能耗中需要有35%~45% 用于機房的制冷系統。伴隨著全社會節能意識的提高，制冷系統自然就成了最具挖掘潛力的部分，如何選定制冷方案關系到整個數據中心建設的節能工作。

1、氣流組織的選擇

主機房的空調系統、應根據電子信息設備本身的冷卻方式（如自然冷卻、機柜自帶風機的強制送風冷卻、用冷卻水或冷卻液冷卻、冷卻水和冷空氣綜合冷卻等）、設備布置方式（如面對面、背對背等）、布置密度、設備散熱量、室內風速、防塵、噪聲等要求，并結合建筑條件綜合確定。主要的氣流組織形式包括下送上回、上送側回、側送側回、上送上回等方式。

各種氣流組織形式的主要特點及適用范圍：

1）下送上回方式

電子信息設備機房內通常設有架空的活動地板作為電纜的布線空間，空調設計時常常借用活動地板下的空間作為空調送風的通道?？諝馔ㄟ^在活動地板上裝設的送風口進入機房和機柜，回風通過機房頂棚上裝設的風口回至空調裝置。這種氣流組織形式由于在機柜進行增減、更新時可方便調動或新增地板送風口及機柜接線口位置和數量，所以具有可靈活應對機柜布置變化的優點。

采用這種氣流組織方式時需要注意為保證送風氣流能夠送到距離空調設備最遠處的機柜下方，其活動地板下的高度需要有所變動，并注意活動地板內電纜的布置對于送風氣流帶來的影響，當機房面積較大或者單臺機柜設備發熱量大時時為了達到送風距離，需要加大送風壓頭及活動地板下的高度，因此這種氣流組織形式適用于單臺機柜發熱量不大，并且機房面積較小的情況。

2）上送側回方式

上送側回方式的送風經過頂棚上的空調風口下送冷空氣至機柜吸氣側，通過設備自帶的風機，再進入需送風冷卻的機柜。這種氣流組織方式能使工作區的空氣流速小且均勻，人有良好的舒適感。但機柜排出的熱空氣在靠近回風口處形成聚集，與冷空氣混合，容易導致靠近回風口處的機柜吸氣空氣溫度偏高，影響計算機的正常工作。

采用這種氣流組織方式時要需要注意機柜的布置情況，因此這種氣流組織形式適用于機房內機柜熱通道與回風口距離較短的情況。

3）側送側回方式

側送側回方式是將送風從機房的側墻處送出，至室內先與機房內的空氣混合，通過設備自帶的風機，再進入需送風冷卻的機柜。這種氣流組織方式可以減少頂棚上方及活動地板下方用于通風的空間。

采用這種氣流組織方式時要充分注意機柜的布置方向，如果送風氣流被機柜阻擋，便形成不了一個通暢的氣流回路，造成局部滯留或出現小區的渦流。機房內出現不均勻溫度場，以致影響部分機柜的冷卻效果。因此這種氣流組織形式適用于機房內機柜的冷熱通道距離較短，受到建筑高度限制的情況。

4）上送上回方式

上送上回方式的送風通過設置在機柜上方的局部空調設備將冷空氣送至機柜吸氣側，通過設備自帶風機進入需要冷卻的機柜，升溫后的空氣由機柜排氣側排出后回風至局部空調設備的吸氣側。這種組織方式可以大幅減少空氣的搬送距離，節省空氣輸送能耗。并可將局部空調設備隨機柜移動，增加了靈活性，并有效減少機柜附近的局部滯留現象。

采用這種氣流組織方式時設計人員需要結合機柜的布置考慮將機房分隔成冷區和熱區。并注意設置局部空調設備的相應防護措施。因此這種氣流組織形式適用于機房內單臺設備發熱量大、設備布置變化大、建筑條件受限的情況。

2、冷源及空調設備的選擇

數據中心的空調系統在冷源及空調設備選擇時需要依據數據中心規模的大小、數據中心所在地域的氣候特點、市政能源的規劃、節能減排、投資回收期等條件綜合考慮。

1）冷源設備的選擇

小型計算機工作站由于總冷負荷比較小，機房空調通常采用小型壓縮機輸送冷媒的方式傳遞冷量，但其能效比（制冷量與輸入電量之比）往往比較低，出于投資回收期的經濟因素考慮，這種冷源一般只適用于小型或既有建筑條件受到限制的改造型計算機工作站。

大型數據中心或者新建的數據中心，往往起總冷負荷比較大，其冷凍機多采用能效比（制冷量與輸入電量之比）大的螺桿式甚至離心式壓縮機，相比采用能效比低的小型分散式壓縮機的方式可節約20%左右的能耗。這種冷源適用于總冷量大的大型數據中心。

當數據中心所在地域的氣候特點為全年室外平均溫度較低時，可采用自然新風制冷空調方式，當建在濕球溫度較低的區域時，通過冷卻水管路的切換實現部分免費制冷也是實現降低數據中心整體能耗的有效方式。

2）空氣處理設備的選擇

機房內使室內環境濕度產生變化的因素只有偶爾進入機房的少量工作人員及為滿足工作人員衛生需求的最低新風，其濕度波動很小。

如果空調冷水盤管內的冷水溫度低于機房內空氣的露點溫度時，空調設備就會在對機房內循環空氣進行冷卻時產生除濕效果，為使室內濕度達到機房內濕度要求又需要再進行加濕。這種方式將產生大量的能源浪費。因此機房的空調設備如果選用不使循環空氣結露的“干盤管”，新風及人員引起的濕負荷由單獨設置的新風機組根據各傳感器反饋回來的數據控制機房內濕度，這樣便可最大程度避免這部分能源浪費。

五、 與其他專業的配合

在數據中心的設計工作中由于工藝要求的嚴格性，暖通與其他專業的配合及溝通往往對整個設計的成敗有著至關重要的影響。

1）與建筑專業的配合

在設計中計算機機房的冬季保溫、夏季隔熱以及防凝露等技術問題是重要考慮因素。尤其在夏季室外溫度較高，空氣相對濕度大，機房內外存在較大的溫差的地區如果機房地面沒有保溫處理，會造成機房區域界面產生凝露對線纜插件造成損壞。因此空調設計人員也需提醒建筑專業將機房布置在內區，并對機房進行墻體，地面進行保溫處理，減少外界冷熱空氣通過外墻體對機房內溫度的影響，以及機房內冷空氣通過外墻傳導至機房外。另外對于機房內冷熱通道的劃分、空調系統的構想等也需要與建筑專業進行充分溝通。

2）與電氣專業的配合

在設計中根據電子信息系統機房設計級別的不同對于空調專業和電氣專業所提出的冗余要求也有所不同。根據不同的冗余要求、市政電源的供給情況以及電氣設計人員的構想，其供電方式、布線走向等也會對空調專業的設備布置、負荷計算方面帶來一定的影響。另一方面空調專業的設備可靠性也是在供電保證的基礎上實現的，這就要求空調設計人員必須與電氣設計人員協同設計，并根據具體情況及時調整自己的設計思路。

3）與給排水專業的配合

在設計中根據電子信息系統機房設計級別的不同以及區域的不同，給排水專業在消防系統的設計上會分別采用不同的滅火方式，例如當采用機房采用氣體滅火時，其封閉區域大小及動作時間等都會對空調的系統構成具有影響。因此空調設計人員只有在一定程度上了解消防系統的構成及原理，才能達到預期的消防要求，保護人員及機房設備的安全。

六、 結論

數據中心的空調系統與常規舒適性空調有很大區別。對于規模不同、要求不同、負荷密度不同的數據中心，采用何種形式的空調系統，應經詳細經濟、技術論證后確定。由于各生產廠商在數據中心的建設和研究中已經有一定先進經驗，因此在具體的設計過程中可與各生產廠商進行溝通，詳實掌握各廠商設備之間的異同，以便完善自己設計。

參考文獻：

【1】陳重文，倪友剛. 計算機房空調設計