數據機房溫度控制與空氣質量優化研究

摘要：數據機房溫度控制及空氣質量優化對保證設備平穩運行、延長硬件使用壽命、提高能效比、降低運營成本等具有重要意義。有效溫度控制策略主要有采用高效制冷設備及空調系統、推行溫度監測系統、機房布局及通風系統優化，同時兼顧綠色能源利用等。空氣質量的優化策略包括確保良好的通風、定期清潔空氣過濾器、控制濕度和靜電，以及建立空氣質量監測系統。這幾項措施一起保證數據機房環境穩定、設備高效運轉。

關鍵詞：數據機房；溫度控制；空氣質量

一、前言

溫度與空氣質量是決定數據機房環境的兩個關鍵。溫度過高或過低均會威脅IT設備正常工作，空氣質量好壞與設備清潔度、維護成本等因素直接相關，所以對數據機房溫度控制和空氣質量優化問題進行研究有著實際意義。討論如何在減少運營成本、提升能效比的前提下，通過采取科學策略與措施對數據機房環境進行優化控制，從而確保設備穩定運行、延長使用壽命。

二、數據機房溫度控制的重要性

（一）保障設備穩定運行

數據中心中服務器、路由器、交換機和其他設備在某一工作溫度區間將具有最好性能。若溫度超過建議范圍，則可能發生設備性能降低甚至破壞。高溫可使設備溫度過高、故障率升高，甚至造成硬件故障，不但會影響數據中心運行的穩定性，而且會造成數據丟失或者服務中斷等問題，從而帶來嚴重損失。通過對溫度進行有效控制，能夠保證該裝置處于合適的環境溫度中，避免出現過熱或者過冷帶來的各種問題。保持恒定溫度有利于維護設備正常運行狀態，增強系統穩定性與可靠性。另外，適當溫度也能降低設備功耗、提高能效、降低運行成本。數據中心一般都有精密空調系統或者其他制冷設備對溫度進行控制，以確保設備處于最合適的工作環境[1]。定期對機房溫度進行監控與調節是保證設備平穩運行的一個重要環節，也是數據中心能夠提供連續可靠服務的保障。

（二）延長硬件使用壽命

高溫將加快硬件組件老化進程，如電解電容壽命將隨著溫度的增加而變短。溫度過高的環境使硬件元件出現變脆、電路板老化等問題，造成設備可靠工作時間減少。當溫度太低時，某些硬件元件就有可能不能正常使用，還會造成硬件損壞或者失效。保持恒定適宜溫度可延緩硬件老化速度、延長硬件壽命、減少更換設備次數、減少維護成本。這對數據中心運營商尤其重要，能夠有效地減輕設備更新與維護所產生的成本壓力并增加投資回報率。所以，數據機房溫度控制對保證設備平穩運行、延長硬件使用壽命具有重要意義。定期對機房溫度進行監控與調節，并采取適當措施保證設備處于最佳工作溫度區間，對數據中心平穩運行與長遠發展至關重要。

（三）提高能效比和降低運營成本

數據機房內合適的溫度控制既能保證設備平穩運行，延長硬件使用壽命，又有利于提高能效比。較低的PUE值意味著運營成本下降。合理的溫度控制可減少機房空調系統運行動力，機房溫度保持在合適的范圍內，空調系統就不需要太多的能量去冷卻，減少能耗。節約能源既利于降低能源消耗成本，又利于減少環境負面影響，與可持續發展理念相一致。對機房溫度進行監控與調節可優化機房內空氣循環與散熱效果并提升整體能效比，合理進行溫度控制能夠降低因設備過熱而導致的能量損耗和運行效率。通過溫度精細管理可實現設備能效比最大化、機房整體能耗下降、數據中心運營成本下降，同時確保設備正常工作[2]。提高能效比、降低運營成本不僅對于數據中心運營商來說經濟意義重大，而且與節能減排社會責任相一致。數據中心作為大型能耗單位之一，優化溫度控制，提升能效比能夠在節能降耗方面盡綿薄之力，對構建綠色數據中心，促進可持續發展起到積極的促進作用。

三、數據機房溫度控制策略

（一）使用合適的冷卻系統來實現精確把控機房溫度

數據機房作為信息存儲與處理的中心單元，機房溫度控制對保障設備平穩運行與數據安全具有重要意義。要想達到對溫度進行有效控制的目的，就必須先選擇適當的冷卻系統。冷卻系統選型要根據機房規模、位置、能源成本和效率因素來考慮。冷卻系統選型中，常用的有水冷卻系統、空氣冷卻系統。對于中小規模的機房來說，空氣冷卻系統更為合適，投入小、易操作，是最常見的冷卻方式。它通過大型的精密空調系統產生的冷氣用風道循環流通來實現降溫，不僅能提供精準的溫度調控，還能帶來顯著的節能效益。精密空調冷卻系統的風道布局也極為重要，應確保冷風能夠均勻分布到機房的每一個角落，避免出現局部過熱或過冷的情況。另外，對精密空調系統進行保養與定期檢查是確保空調系統能夠長期平穩運行的重點。精密空調系統過濾網要經常清洗、制冷劑存量要檢查、壓縮機和其他關鍵部件要維護。

（二）及時發現和解決溫度異常

精密空調系統通過結合環控系統對環境溫度進行實時監控，通過數據分析預先識別出可能出現的溫度異常情況，以便及時地采取必要措施來預防可能出現的各種風險。溫度監測系統一般由若干部件組成，包括溫度傳感器、數據采集器以及監控軟件等。溫度傳感器設置于機房內部各個關鍵部位，例如服務器機架的正面與背面、空調出風口與回風口處，從而保證機房內部溫度變化能得到精確捕捉。由數據采集器將這些傳感器采集到的數據匯總后傳送到監控軟件進行處理分析。監控軟件對該系統起著至關重要的作用，為管理人員實時觀測機房溫度變化和設置溫度閾值提供直觀用戶界面。當被監測溫度超過預置閾值范圍時，監控系統立即報警并告知管理人員采取適當措施，例如調整空調系統運行方式，查看制冷設備運行情況或者加裝散熱措施。此外，溫度監測系統還應具有歷史數據分析功能，以記錄并分析長時間溫度數據來輔助管理人員確定機房內溫度變化趨勢，為了優化溫度控制策略、提高機房能源利用效率、改善設備運行穩定性。安裝該溫度監測系統后，數據中心可以確保其溫度控制策略的有效實施，從而為數據安全及設備穩定運行提供了堅實保障，既有利于保證數據中心正常工作，又能提高整體效率、減少潛在風險，做好對各種突發事件的應急處置。

（三）優化數據機房布局、通風系統等以提高散熱效率

機房布局優化需綜合考慮設備布置、空氣流動路徑和熱源分布。合理布局可保證冷空氣與熱空氣之間的有效交換，降低冷、熱空氣的摻混，以提高制冷效率。服務器等關鍵設備要根據熱密度、發熱量合理安排。高熱密度設備要置于機房冷通道旁，便于冷空氣將其直接降溫。同時要盡量避免熱源設備的密集布置，避免引起局部過熱。另外，機房內還應預留充足空間以利于空氣流通，以免阻礙空氣流動。通風系統設計也是至關重要的，要采取有效的空氣流動設計以保證冷空氣能直接流動到熱源設備上，熱空氣能快速地從機房內排出，通常涉及采用高效的風扇和氣流導向設備，例如空氣分配器和擋板等。空氣分配器能保證冷空氣在機房內各區域分布均勻，同時擋板能避免冷熱空氣直接摻混。另外，機房內裝修材料要選用熱傳導性能好的，這樣才能降低機房內熱量的聚集[3]，例如采用金屬天花板、墻壁等，可增加熱量傳導效率，有利于熱量更快擴散至機房外。

（四）考慮可再生能源和綠色能源供給，減少溫室氣體排放

在現今全球氣候變化與能源危機大環境下，思考利用可再生能源與綠色能源供給對數據機房可持續發展具有重要意義。利用可再生能源，例如太陽能和風能既可減少對傳統化石燃料依賴，又可顯著減少溫室氣體排放。太陽能光伏系統作為一種可再生能源解決方案，在數據機房中得到了廣泛應用。在機房屋頂或者近區設置太陽能板可將太陽能轉化為電能給機房制冷設備等電子設備供電。另外，太陽能熱水系統還可應用于機房供暖需求中，進一步提升了能源利用效率。風能這一清潔能源在數據機房也是如此，在風力資源較多的區域可考慮設置風力發電機來供給機房一部分或者全部需要的電能。風力發電在降低溫室氣體排放的同時，也具有運行成本低、維護方便的優勢。數據機房除直接利用可再生能源外，可通過采購綠色能源證書或者與可再生能源供應商訂立合同等方式為綠色能源生產提供支撐。這一實踐既有利于促進可再生能源產業發展，也有利于改善企業社會責任形象。

四、數據機房空氣質量優化策略

（一）確保良好的通風系統，保持空氣流通

良好的通風既可以保持機房內空氣清新，又可以對溫度、濕度進行有效控制，使IT設備有理想的工作環境。設計有效的空氣循環系統是達到良好通風目的的根本。該系統要求能根據機房內熱負荷及設備運行情況對風速、風向進行自動調整，確保空氣流通均勻、高效。這就決定了該系統需具有智能調節功能，并能依據實時監控的溫濕度數據及裝置熱輸出動態調節。通風系統設計時需考慮機房內熱源分布情況。合理布置送風、排風口是保證冷、熱空氣高效交換的重點。熱源密集區要有較密送風點，同時排風口要布置在熱源較少的地方，以免產生熱島效應—局部地區氣溫過高，從而影響機房整體氣溫分布。另外，機房內要設置充足的溫度和濕度傳感器，對環境參數進行實時監測。數據監測對通風系統非常關鍵，因為它是實現系統自動調整的基礎。通過這些傳感器實時監測可以使系統按實際要求調節溫、濕度，保證機房內環境溫度穩定。為進一步提高通風效率可采取下送風和上回風布置，該布置方式采用熱空氣向上流動的自然原理使熱空氣更加易于排出，而冷空氣能更加直接到達裝置進風口處，提高冷卻效率。該布置方式既能提高冷卻效率又能降低能源消耗，滿足節能減排需求。機房內布置時還要考慮空氣流通途徑，裝置放置不宜過密，以免影響空氣流通。合理布局可降低空氣流動阻力，使空氣流通更通暢，進而提升機房整體通風效率。實際工作中，通風系統也需定期維護與檢驗，保證系統正常工作，包括清洗過濾器，查看風扇運行情況，保證風道通暢。

（二）定期清潔和更換空氣過濾器，減少灰塵和污染物對空氣質量的影響

數據機房內空氣質量除了受通風系統影響外，也與空氣過濾器清洗保養息息相關。空氣過濾器在機房空氣凈化系統中起著至關重要的作用，能有效地截留空氣中灰塵和顆粒物等污染物，使機房內設備不受污染。為保證空氣過濾器發揮功效，過濾器要經常清洗、檢驗，包括但不僅限于過濾器濾芯更換和過濾器表面灰塵清理。清洗、更換過濾器次數要根據機房實際用途及環境條件而定，一般建議每隔3個月綜合清洗、檢查1次。清洗、更換過濾器時要用專業工具、清潔劑等保證過濾器清洗效果及使用壽命。同時要記錄好每一次清洗與替換的細節信息，包括時間、清洗人員、清洗內容等，便于之后的保養與管理。另外，為了增強空氣過濾器的工作效能，還應當考慮使用高效的過濾材料，例如HEPA（高效顆粒空氣）過濾器，這種過濾器能有效地捕獲更微小的顆粒物，從而創造一個更為潔凈的空氣環境。

（三）控制濕度和靜電，避免設備受潮和靜電干擾

控制濕度與靜電對于數據機房的管理來說是必不可少的環節，濕度過高或過低均會給設備帶來損壞，從而影響設備的性能與壽命。濕度過高易造成設備潮濕，影響電子元件正常工作，甚至會造成短路、設備損壞等；濕度過低會產生靜電，靜電放電會破壞敏感電子設備，使數據丟失或者硬件失效。為有效地對機房內部濕度進行調控，數據中心需安裝專業除濕、加濕設備。這批設備具備根據機房內實際濕度狀況進行智能調整的能力，確保相對濕度維持在一個安全的區間內。通常推薦的濕度區間是40%到60%，只有在這個濕度范圍內，設備才能正常工作而不會受到濕度的干擾。除濕機能有效減少空氣中水分，加濕器能提高干燥環境下空氣濕度并將環境濕度維持在適宜范圍。控制靜電也很關鍵，靜電不但會給設備帶來危害，也會給維護人員帶來安全威脅。為降低靜電，機房應敷設抗靜電地板并用抗靜電材料裝修。另外，機房的設備、工具均應接地，防止靜電累積。運行該裝置時需采取一系列降低靜電產生的措施，如接觸敏感裝置前接觸接地金屬物體釋放體內靜電。對于需經常接觸的器材，可考慮穿戴防靜電手套及衣物，有效降低靜電可能對器材及人員造成的影響。

（四）設立空氣質量監測系統，實時監控空氣狀況并采取相應措施

建立綜合空氣質量監測系統應該由各種傳感器組成，對溫度、濕度、顆粒物濃度、有害氣體濃度以及其他關鍵參數進行監測。該監測系統以中央監控平臺為核心，可對各傳感器采集并分析實時數據。通過該平臺，運維人員能夠對機房空氣質量狀況有一個直觀認識，并且能夠根據監測結果做出相應處理。例如，在監控濕度出現異常時，運維人員能夠及時對除濕或者加濕設備進行工況調整；發現顆粒物濃度增加，則可能要對空氣過濾器進行檢查、更換。另外，該監測系統還應具有報警功能，一旦監測參數超過預設安全范圍，該系統可即時報警并告知運維人員進行及時處理，有利于防范可能出現的設備故障，數據丟失等危險。為使監測系統更加準確可靠，應對傳感器定期校準與檢修。與此同時，監測系統也要定期升級優化，使其能夠滿足機房環境不斷變化及新技術不斷發展的需求[4]。數據機房通過高效空氣質量監測系統的建立與維護，能夠保證機房內部環境時刻保持在最優狀態，從而為設備平穩運行與數據安全存儲提供了堅實保障。例如，在一家大型數據中心，為了提升數據機房的空氣質量，實施了一項全面的空氣質量監測系統升級項目。該數據中心擁有超過1000臺服務器，服務于多個企業，提供云服務和數據存儲。在2023年，數據中心對其空氣質量監測系統進行了投資和升級，新的監測系統集成了高精度的PM2.5和PM10粒子傳感器，包括有害氣體傳感器（CO、NO2、SO2和O3）、高精度的溫濕度傳感器，以及集成了數據分析和可視化工具的中央監控平臺。執行新系統之后，數據中心對如下關鍵數據進行記錄。

1.夏季機房溫濕度傳感器所監控的溫濕度

借助中央監控平臺，運維團隊迅速調整了空調系統的運行模式，成功地將溫度控制在22±2°C，濕度維持在40%—60%的范圍內，從而有效地防止了因溫度和濕度異常而引發的設備故障。

2.冬季機房濕度

當中央監控平臺檢測到濕度低于40%時，它迅速啟動了加濕器，確保了機房環境的適應性。

3.顆粒物濃度

新型系統成功地探測出了一次顆粒物濃度異常上升現象，經排查為需更換空氣過濾器。經及時置換，顆粒物濃度恢復至正常。經過此次升級改造后，數據中心空氣質量監測系統更加智能化、高效化，對數據中心平穩運行起到了強有力的保障作用，同時數據中心定期校準并維護傳感器以保證監測數據準確，見表1。

五、結語

數據機房溫度控制及空氣質量優化可保證設備平穩運行、提高能效比。通過采取有效的溫度控制策略及空氣質量優化措施不但能夠延長硬件使用壽命，而且運營成本顯著下降，在環境保護方面亦有積極的意義。在科技不斷進步、綠色能源廣泛使用的今天，數據機房環境控制也會越來越智能化、環保化，從而為信息時代經濟的可持續發展奠定了堅實的基礎。

參考文獻

[1]武志松.新型降溫系統對數據機房熱環境影響的模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

[2]石健宇.中小型數據機房氣流組織模擬及冷卻技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2021.

[3]蘇志.某數據中心機房方案優化及機柜進風溫度分析[J].建筑熱能通風空調，2021，40（04）：55-59.

[4]童超，熊竹雅.小型數據機房雙空調系統的風道設計[J].科學技術創新，2020（29）：129-130.