淺議一種數據中心機房通風換氣系統的設計

王文新 楊瑞仙 丁善磊

1.濮陽市科學技術情報研究所 河南 濮陽 457000

2.鄭州大學信息管理學院 河南 鄭州 450001

3.濮陽市電子計算機技術開發中心 河南 濮陽 457000

進入新世紀以來，隨著社會信息化、數字化的深入發展，數據中心機房數量激增。機房里存放的服務器、存儲設備、網絡設備、監控設備等設備都是不間斷運行的，為了保證這些設備的正常運轉，保持這些設備所需要的溫濕度，建設通風換氣系統就成為數據中心機房建設的重要內容之一。

1 引言

電力自19世紀70年代出現以來，逐漸成為可供人類直接應用的重要能源之一，人類社會的發展和進步離開電的廣泛運用，特別是進互聯網時代，電腦、服務器、網絡設備只有通過電力才能進行工作。當前發電的主要方法有燃燒可燃燒物(煤、生物質等)、太陽能，以及大容量風力發電、核能發電、氫能發電、水利發電等。黨的十八大以來，“綠水青山就是金山銀山”的綠色發展理念深入人心，全社會倡導綠色、低碳、循環、可持續的生產生活方式，履行節能減排義務逐漸成為人們的自覺行動，建設天藍、地綠、水清的美麗中國，共建舒適美麗的綠色家園是我們共同的愿望。踐行新發展理念，實現綠色發展，一方面需要大力開發綠色能源技術，另一方面則需要采用“節”盡所“能”技術。當今世界是信息化時代，支撐信息化社會的其實就是互聯網，組成互聯網的是一個個一年365天24小時持續工作的數量龐大的服務器、存儲及網絡設備，依靠眾多的數據中心機房提供信息服務。然而，數據中心建設良莠不齊。在機房建設中尤其要考慮的是能源消耗問題，電力成本是必須面對加以考慮的重要問題之一。本文通過對應用于本單位數據中心機房的全新通風換氣系統設計建設，為現代化機房節能降耗提供一種全新設計方案。

2 通風換氣系統的物理環境

2.1 設計背景 一直以來，機房都是通過空調來控制數據中心的溫度和濕度。國家制冷與空調工程協會的“數據處理環境熱準則”中建議：大數據機房溫度范圍為20-25℃(68-75℉)，濕度范圍為40-55%，適宜數據中心環境的最大露點溫度是17℃。數據中心電源會對室內空氣加熱，如果熱量無法被排放出去，就會引起環境溫度上升，進而導致電子設備失靈。通過控制空氣溫度，服務器組件能夠保持設備制造商規定的溫度/濕度范圍。空調系統通過冷卻室內空氣下降到露點，幫助控制濕度；如果濕度太大，水可能在內部部件上開始凝結。在干燥的環境中，輔助加濕系統可以添加水蒸氣，如果濕度太低，就有可能導致靜電放電，從而會損壞元器件，防止靜電也是保護電子設備安全的重要問題之一。

2.2 設計目標 保證機房設備正常運轉需要，同時必須考慮通風換氣系統電力消耗問題。

2.3 節能降耗 機房的溫度、濕度以及防靜電措施都有嚴格的要求。機房通常采用活動地板下送風，電源機房采用上送風的方式精確控制機房空間的溫度及濕度。機組制冷功率完全能滿足機房設備制冷功率要求并有較大冗余，為網絡系統提供最佳運行條件。盡管空調技術不斷發展，如采用變頻技術來降低電能損耗，但機房空調長年累月不間斷運行，耗電量仍相當大，成為機房運行成本居高不下的一個重要原因。

2.4 物理環境 在本地，我們注意到農民或農業公司蔬菜大棚也需要進行大棚內的溫濕度控制與調節，雖然他們不像機房那樣對溫濕度的要求高，但他們采用的溫濕度調節做法對于機房溫濕度調節系統卻有借鑒意義。例如：一種日光溫室除濕與通風換氣系統。該系統主要包括除濕系統、通風換氣系統以及控制單元。除濕系統由室內進風口、空氣過濾器、電動調節風閥、變頻軸流風機、蒸發器、膨脹閥、貯液器、冷凝器、油分離器、壓縮機、電加熱器、室內出風口、保溫風管以及若干銅管組成；通風換氣系統由室內進風口、空氣過濾器、電動調節風閥、變頻軸流風機、保溫風管、室內出風口、室外進風口以及室外排風口組成；控制單元能夠根據日光溫室內溫濕度需求控制除濕系統和通風換氣系統中電動調節風閥、變頻軸流風機、電加熱器和壓縮機運行工況的啟停與開關切換。這對機房建設的通風換氣系統運行具有很好的借鑒意義。

3 通風換氣系統

3.1 設計思路 針對蔬菜大棚溫濕度調節系統的優點和缺點，我們設計出了一種應用于數據機房的通風換氣系統。首先，在不同季節，特別是冬季利用室內外換氣來降溫，春秋季盡可能少開空調，以達到節能的目的；其次，若室外濕度過大而室外溫度過高的情況下，關閉風機，開啟空調降溫；再次，所有告警信息完整，告警信息類型及發生時間，并且當告警消除后能夠將告警信息記錄下來，同時記錄告警發生和消除的時間，通過歷史告警實現追蹤；能夠自動更換防塵過慮網，過慮網過臟時系統可自動更換干凈的過慮網，一般情況下，一年只需更換一次過慮網即可。

3.2 系統的原理

3.2.1 設計理念 機房溫度的升高主要是因電氣設備的長期運行自然發熱所致，并非外部環境溫度。如果常年均用空調來保持機房溫度(一般是降溫)，那么春、秋、冬三季室外低溫便可散熱降溫的有利條件被忽視，必然導致電能的浪費，電能成本突出。機房通風換氣系統暢通機房內外的空氣流通，充分利用機房內外的溫差形成熱交換，將機房內的熱量向外傳導，以實現室內散熱，如此一來，不僅可以大幅度降低電能消耗和營運成本，而且可以減少空調使用，進而延長空調使用壽命。

3.2.2 系統構架 本文討論的機房通風換氣系統，更具體的說是一種應用于大數據機房的通風換氣系統，包括滑軌、驅動絲桿、推動機構、滑動支架、升降機構、支撐框Ⅱ、通風架、動力機構、通風機構和船型板。該系統可以通過對一天中機房溫度變化的大數據分析，調整動力機構啟動數量，推動機構依次升降機構上設置的多個伸縮機構，并依據其伸縮端的長度不同，調整升降機構上設置的多個船型板升降高度，再根據船型板升降不同的高度，推動不同數量的動力機構啟動，通過大數據預訂一天中不同時段所需啟動通風機構的數量。

3.2.3 系統組成及運行機理 本通風換氣系統包括滑軌、驅動絲桿、推動機構、滑動支架、升降機構、支撐框Ⅱ、通風架、動力機構、通風機構和船型板。轉動的滑軌連接驅動絲桿，推動機構滑動連接再驅動滑軌；推動機構通過螺紋連接在驅動絲桿上。設置兩個滑動支架，兩個滑動支架分別固定連接在滑軌兩端，兩個滑動支架之間滑動再連接升降機構；滑軌中部固定連接支撐框Ⅱ，通風架、動力機構和通風機構構成一個通風系統。通風系統設置有多個，通風架連接在支撐框Ⅱ的上端，通風架內設置有動力機構和通風機構，船型板固定連接在其中一個滑動支架上，驅動絲桿轉動驅動機構在滑軌上滑動，驅動機構依次推動升降機構上設置的多個伸縮機構，多個伸縮機構依據伸縮端不同長度，反饋推動升降機構在滑動支架上進行豎直滑動，船型板升降不同的高度推動不同數量的動力機構啟動。

4 系統工作流程

圖 機房通風換氣系統設計示意圖

4.1 傳動系統 通過大數據分析一天中機房溫度的變化，溫度較高時需要使用較多的通風機構提高冷卻效果，當溫度較低時需要使用較少的通風機構節約能源，調整升降滑動板上設置的多個伸縮機構伸縮端的長度，使得伸縮機構伸縮端的長度分別不同的檔位，啟動滑軌上固定連接的驅動電機，驅動電機的輸出軸帶動驅動絲桿以自身軸線為中心進行轉動，驅動絲桿通過螺紋帶動推動支架Ⅰ在滑軌內進行滑動。

4.2 支撐系統 推動支架Ⅰ帶動推動支架Ⅱ進行滑動，推動支架Ⅱ帶動調整電機和推動凸輪進行運動，推動凸輪的兩側均設置有一定的錐度，兩個升降滑動板上均固定連接有多個伸縮機構，每個升降滑動板上的多個伸縮機構之間的間距相同，其中一個升降滑動板位于水平腰孔的一端時，另一個升降滑動板位于豎直腰孔的下端，推動凸輪依次推動位于中部的多個伸縮機構進行升降，多個伸縮機構的伸縮端的長度依次根據一天中的不同時段進行設置，當需要啟動通風機構的數量較多時，位于這個時段位置的伸縮機構的伸縮端較長，當需要啟動通風機構的數量較少時，位于這個時段位置的伸縮機構的伸縮端較端短。

4.3 送風系統 驅動電機帶動推動凸輪在滑軌滑動一次的時間為一天，推動凸輪推動對應時段的伸縮機構向上進行運動，伸縮機構可以是液壓缸或者電動推桿等，伸縮機構伸縮端的長度不同，伸縮機構被推動上升的高度也不同，對應時段的伸縮機構在豎直腰孔內進行滑動，推動彈簧推動板向上進行運動，彈簧推動板帶動船型板向上進行運動，船型板升降不同的高度推動不同數量的滑動桿向靠近支撐板Ⅰ側進行滑動。

4.4 通風系統 滑動桿帶動彈簧擋板向靠近支撐板Ⅰ側進行滑動，彈簧擋板擠壓動力電機開關，對應的動力電機啟動，滑動桿通過連桿推動滑動摩擦輪在連接鍵上進行滑動，滑動摩擦輪和摩擦輪進入摩擦傳動，摩擦輪被對應的動力電機帶動進行轉動，摩擦輪帶動對應的通風風扇進行轉動，對機房進行通風。

4.5 驅動系統 當驅動絲桿驅動推動機構在滑軌滑動一次時，對應的一天的時間，當一天的時間過去時，推動凸輪不再推動任何伸縮機構，升降滑動板在彈簧推動板的作用下落回水平滑槽內，并使得水平滑動板插入升降滑動板內，推動水平滑動板進行滑動，使得原先位于中部的升降滑動板向水平滑槽的一端進行滑動，原先位于另一端的升降滑動板滑動至水平腰孔的中部位于豎直腰孔的下方，兩個升降滑動板上設置的多個伸縮機構的伸縮端的長度相反設置，裝置再次運行時，方向轉動驅動電機，驅動電機推動推動機構在滑軌進行運動，在依次推動多個伸縮機構的伸縮端，重復工作，完成多天的重復工作；推動凸輪的寬度和每兩個伸縮機構伸縮端的距離相等，保證在通風機構工作時，不會出現斷檔的情況。

5 結論

本文討論了在數據中心機房建設過程中，一種應用于數據機房的通風換氣系統的設計與實現，它借鑒了農民蔬菜大棚溫濕度控制調節系統，通過大數據分析一天中機房溫度的變化，溫度較高時需要使用較多的通風機構，提高冷卻效果，當溫度較低時使用較少的通風機構，從而達到節約能源的目的。