金哲秀

摘要 简要介绍数据中心的机房内环境要求重要性、相应空调系统的设计要求、特点及适用性。

关键词 室内环境 热密度 气流组织 冷源设备

中图分类号：X32 文献标识码： A

引言

随着我国改革开放的深入和现代化建设的快速发展，我国的国民经济得到了快速发展，涌现出大批国际级企业。在计算机、网络技术飞跃发展及人们对互联网业务应用的需求，数据处理业务也出现爆炸式增长，网络连接和协作服务也已成为了企业部署IT服务的必备选择，金融行业、交通运输、医疗卫生等大型企业及政府机构相继建立起许多数据中心。随着大数据时代的来临，数据中心的热密度呈现处逐年上升的趋势。在这种趋势下如何加大节能减排力度，降低用户直接成本等问题就成了摆在数据中心设计者和运行管理者面前的重要课题。

二 、数据中心环境要求

按照我国对电子信息系统机房的分级与性能要求，电子信息系统机房划分为A、B、C三级。相应空调设计标准也依据机房的分级标准有不同的要求。 表1所列数据为A级、B级及C级电子信息系统机房推荐的环境设计参数值和允许的环境设计参数值。这些参数主要是数据通信设备所处环境的空气温度、空气温度变化速率、湿度、空气过滤要求等。

表1A级、B级及C级环境设计参数

1）空气温度要求

机房内的温度条件直接关系到设备工作的可靠性和使用寿命，而机房内的局部温度变化也会对设备产生不良影响。机房的温度偏高会产生诸如导致电子元器件的性能劣化、降低使用寿命、加速绝缘材料的老化、变形、脱裂、降低绝缘性能等问题。另一方面如果温度偏低又会使电子元器件的参数改变，引起金属和塑料绝缘部分因收缩系数不同而接触不良，直接影响到计算机的稳定工作。

2）环境温度变化速率要求

在单位时间内空气的温度变化较大时会出现电气参数的变化、结合部位开裂、离层、密封件漏气、灌封材料从电气元器件和包装表面剥落等影响计算机工作的情况。对此一些数据通信设备制造商也制定了各自生产的数据通信设备允许环境温度变化速率的标准，以避免环境温度的突然变化对数据通信设备造成冲击。

3）湿度要求

机房内的湿度偏高会使金属材料氧化腐蚀，促使非金属材料的元件或绝缘材料的绝缘强度减弱，材料的老化，变形，引起结构的损坏。湿度偏低又容易产生静电，静电容易吸附尘埃，如被粘在磁盘的读写头上，轻则出现数据误差，严重的会划伤盘片，损坏磁头。

4）空气过滤要求

在对机房影响较大的尘埃有矿物性的和尘土纤维性的两种。矿物性尘埃的固体粉粒进入机房，会划伤电子设备和整机的表面保护层，还会加速精密机械活动部位的磨损，造成故障。尘土纤维性的尘埃由于具有吸湿性，如附着在电子元器件上，能导致金属材料氧化腐蚀，改变电气参数，还会使电子元器件散热不良，绝缘性下降。另外二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、二氧化氮（NO2）等有害气体在进入机房后会快速破坏印刷电路板上的金属薄膜和导电体，导致末端连接处电阻值增大，严重影响机房设备的可靠性和使用寿命。因此室外新风在进人数据通信机房之前，必须经过过滤和预处理，去除尘粒和腐蚀性气体。

当然随着电子元器件可靠性的逐步提高，计算机所受的影响也会逐渐下降，对机房的要求也逐渐在放宽。

三、数据中心空调系统的特点

计算机机房对温度、湿度及洁净度均有较严格的要求，因此，机房空调在设计上与传统的舒适性空调有着很大区别：

冷量分配（显冷与总冷的比例）不同

传统的舒适性空调主要是针对人员设计，送风量小，送风焓差大，降温和除湿同时进行；而机房内显热量占全部热量的90%以上，它包括设备本身发热、照明发热量、通过墙壁、天花、窗户、地板的导热量，以及阳光辐射热，通过缝隙的渗透风和新风热量等；这些发热量产生余湿量很小，因此采用舒适性空调势必造成机房内相对湿度过低，而使设备内部电路元器件表面积累静电，产生放电损坏设备，干扰数据传输和存储。同时，由于舒适性空调制冷量的(40%-60%)消耗在除湿上，使得实际冷却设备的冷量减少很多，大大增加了能量的消耗。

机房空调需要使空调设备的制冷量大部分用于消除显热负荷而减少除湿，要求送风焓差减小，送风量大。

2、 空调风量及输送动力不同

舒适性空调风量及输送动力小，由于送风不均匀不能在机房形成整体气流循环，机房冷却不均匀，使得机房内存在区域温差，送风方向区域温度低，其他区域温度高，发热设备因摆放位置不同而产生局部热量积累，导致设备过热损坏。

机房空调虽然具有大风量，但由于有冷凝水的产生，为不危害服务器设备，需要布置在远离服务器设备处，为减少送风不均匀而需要加大空气输送动力（风机动力），以使冷空气通过高架地板尽量均匀送至各设备处。

3、 可靠性不同

因大多数机房内的电子设备均是连续运行的，工作时间长，因此要求机房专用空调在设计上可大负荷常年运转，并要保持极高的可靠性。舒适性空调较难满足要求，尤其是在冬季，计算机机房因其密封性好而发热设备又多，但仍需空调机组制冷工作，此时，一般舒适性空调由于室外冷凝压力过低已很难正常工作，局部冷却空调系统由于采用仍能正常保证冷循环工作。

4、 可控制的湿度处理

舒适性空调一般不配备加湿系统，只能控制温度且精度较低，湿度则较难控制，不能满足机房设备的需要。

虽然机房内能使室内环境湿度产生变化的因素只有偶尔进入机房的少量工作人员及为满足工作人员卫生需求的最低新风，其湿度波动很小。但由于机房空调在制冷过程中除去了一部分室内湿度。而计算机设备对湿度又具有一定要求，所以机房空调内需要配置加湿设备从而对机房内湿度进行控制。

5、 制作成本不同

舒适性空调在设计上考虑到实际使用时的季节性和时段性，每一年的实际工作时间核算成连续工作时间并不会太长，另外，舒适性空调是民用产品，设计和生产工艺均需要尽量简单，并要大批量的生产以降低成本。因此，一台设计使用寿命10年的舒适性空调机组，如果在机房内24小时x365天的运行，在2-3年后就达到它的使用寿命，出现故障的可能性会迅速增加。

机房空调要求能够24小时x365天不间断的运行。因此，一台设计使用寿命10年的节能型空调的制造成本会远大于相同制冷量的舒适性空调机组。

四、数据中心空调系统设计

数据中心在运行的整体能耗中需要有35%~45% 用于机房的制冷系统。伴随着全社会节能意识的提高，制冷系统自然就成了最具挖掘潜力的部分，如何选定制冷方案关系到整个数据中心建设的节能工作。

1、气流组织的选择

主机房的空调系统、应根据电子信息设备本身的冷却方式（如自然冷却、机柜自带风机的强制送风冷却、用冷却水或冷却液冷却、冷却水和冷空气综合冷却等）、设备布置方式（如面对面、背对背等）、布置密度、设备散热量、室内风速、防尘、噪声等要求，并结合建筑条件综合确定。主要的气流组织形式包括下送上回、上送侧回、侧送侧回、上送上回等方式。

各种气流组织形式的主要特点及适用范围：

1）下送上回方式

电子信息设备机房内通常设有架空的活动地板作为电缆的布线空间，空调设计时常常借用活动地板下的空间作为空调送风的通道。空气通过在活动地板上装设的送风口进入机房和机柜，回风通过机房顶棚上装设的风口回至空调装置。这种气流组织形式由于在机柜进行增减、更新时可方便调动或新增地板送风口及机柜接线口位置和数量，所以具有可灵活应对机柜布置变化的优点。

采用这种气流组织方式时需要注意为保证送风气流能够送到距离空调设备最远处的机柜下方，其活动地板下的高度需要有所变动，并注意活动地板内电缆的布置对于送风气流带来的影响，当机房面积较大或者单台机柜设备发热量大时时为了达到送风距离，需要加大送风压头及活动地板下的高度，因此这种气流组织形式适用于单台机柜发热量不大，并且机房面积较小的情况。

2）上送侧回方式

上送侧回方式的送风经过顶棚上的空调风口下送冷空气至机柜吸气侧，通过设备自带的风机，再进入需送风冷却的机柜。这种气流组织方式能使工作区的空气流速小且均匀，人有良好的舒适感。但机柜排出的热空气在靠近回风口处形成聚集，与冷空气混合，容易导致靠近回风口处的机柜吸气空气温度偏高，影响计算机的正常工作。

采用这种气流组织方式时要需要注意机柜的布置情况，因此这种气流组织形式适用于机房内机柜热通道与回风口距离较短的情况。

3）侧送侧回方式

侧送侧回方式是将送风从机房的侧墙处送出，至室内先与机房内的空气混合，通过设备自带的风机，再进入需送风冷却的机柜。这种气流组织方式可以减少顶棚上方及活动地板下方用于通风的空间。

采用这种气流组织方式时要充分注意机柜的布置方向，如果送风气流被机柜阻挡，便形成不了一个通畅的气流回路，造成局部滞留或出现小区的涡流。机房内出现不均匀温度场，以致影响部分机柜的冷却效果。因此这种气流组织形式适用于机房内机柜的冷热通道距离较短，受到建筑高度限制的情况。

4）上送上回方式

上送上回方式的送风通过设置在机柜上方的局部空调设备将冷空气送至机柜吸气侧，通过设备自带风机进入需要冷却的机柜，升温后的空气由机柜排气侧排出后回风至局部空调设备的吸气侧。这种组织方式可以大幅减少空气的搬送距离，节省空气输送能耗。并可将局部空调设备随机柜移动，增加了灵活性，并有效减少机柜附近的局部滞留现象。

采用这种气流组织方式时设计人员需要结合机柜的布置考虑将机房分隔成冷区和热区。并注意设置局部空调设备的相应防护措施。因此这种气流组织形式适用于机房内单台设备发热量大、设备布置变化大、建筑条件受限的情况。

2、冷源及空调设备的选择

数据中心的空调系统在冷源及空调设备选择时需要依据数据中心规模的大小、数据中心所在地域的气候特点、市政能源的规划、节能减排、投资回收期等条件综合考虑。

1）冷源设备的选择

小型计算机工作站由于总冷负荷比较小，机房空调通常采用小型压缩机输送冷媒的方式传递冷量，但其能效比（制冷量与输入电量之比）往往比较低，出于投资回收期的经济因素考虑，这种冷源一般只适用于小型或既有建筑条件受到限制的改造型计算机工作站。

大型数据中心或者新建的数据中心，往往起总冷负荷比较大，其冷冻机多采用能效比（制冷量与输入电量之比）大的螺杆式甚至离心式压缩机，相比采用能效比低的小型分散式压缩机的方式可节约20%左右的能耗。这种冷源适用于总冷量大的大型数据中心。

当数据中心所在地域的气候特点为全年室外平均温度较低时，可采用自然新风制冷空调方式，当建在湿球温度较低的区域时，通过冷却水管路的切换实现部分免费制冷也是实现降低数据中心整体能耗的有效方式。

2）空气处理设备的选择

机房内使室内环境湿度产生变化的因素只有偶尔进入机房的少量工作人员及为满足工作人员卫生需求的最低新风，其湿度波动很小。

如果空调冷水盘管内的冷水温度低于机房内空气的露点温度时，空调设备就会在对机房内循环空气进行冷却时产生除湿效果，为使室内湿度达到机房内湿度要求又需要再进行加湿。这种方式将产生大量的能源浪费。因此机房的空调设备如果选用不使循环空气结露的“干盘管”，新风及人员引起的湿负荷由单独设置的新风机组根据各传感器反馈回来的数据控制机房内湿度，这样便可最大程度避免这部分能源浪费。

五、 与其他专业的配合

在数据中心的设计工作中由于工艺要求的严格性，暖通与其他专业的配合及沟通往往对整个设计的成败有着至关重要的影响。

1）与建筑专业的配合

在设计中计算机机房的冬季保温、夏季隔热以及防凝露等技术问题是重要考虑因素。尤其在夏季室外温度较高，空气相对湿度大，机房内外存在较大的温差的地区如果机房地面没有保温处理，会造成机房区域界面产生凝露对线缆插件造成损坏。因此空调设计人员也需提醒建筑专业将机房布置在内区，并对机房进行墙体，地面进行保温处理，减少外界冷热空气通过外墙体对机房内温度的影响，以及机房内冷空气通过外墙传导至机房外。另外对于机房内冷热通道的划分、空调系统的构想等也需要与建筑专业进行充分沟通。

2）与电气专业的配合

在设计中根据电子信息系统机房设计级别的不同对于空调专业和电气专业所提出的冗余要求也有所不同。根据不同的冗余要求、市政电源的供给情况以及电气设计人员的构想，其供电方式、布线走向等也会对空调专业的设备布置、负荷计算方面带来一定的影响。另一方面空调专业的设备可靠性也是在供电保证的基础上实现的，这就要求空调设计人员必须与电气设计人员协同设计，并根据具体情况及时调整自己的设计思路。

3）与给排水专业的配合

在设计中根据电子信息系统机房设计级别的不同以及区域的不同，给排水专业在消防系统的设计上会分别采用不同的灭火方式，例如当采用机房采用气体灭火时，其封闭区域大小及动作时间等都会对空调的系统构成具有影响。因此空调设计人员只有在一定程度上了解消防系统的构成及原理，才能达到预期的消防要求，保护人员及机房设备的安全。

六、 结论

数据中心的空调系统与常规舒适性空调有很大区别。对于规模不同、要求不同、负荷密度不同的数据中心，采用何种形式的空调系统，应经详细经济、技术论证后确定。由于各生产厂商在数据中心的建设和研究中已经有一定先进经验，因此在具体的设计过程中可与各生产厂商进行沟通，详实掌握各厂商设备之间的异同，以便完善自己设计。

参考文献：

【1】陈重文，倪友刚. 计算机房空调设计