丁 聪 沈 巍 黄 赟

1 上海邮电设计咨询研究院有限公司 上海 200092

2 中国移动通信集团上海有限公司 上海 200092

引言

伴随着大数据时代的到来，互联网数据中心(Internet Data Center，IDC)作为支撑云计算服务和移动互联网业务的重要基础设施，面临着广阔的发展前景。IDC数据中心不断朝着超大规模、高度集中方向快速发展，对机房内IT设备运行环境的要求也越来越苛刻。

近年来，由于空气污染导致机房IT设备运行不正常的情况不断发生，设备寿命下降、板件腐蚀、状态异常、耗能增加、故障频发、损坏率上升等。

据不完全统计，空气污染是影响机房内IT设备持续健康运转的头号“硬件杀手”，空气污染所造成的影响，均是大面积、隐形和缓慢累积的，诱发的故障涉及整个机房。

如何有效及时地检测机房内空气质量，评估机房空气中有害物的危害程度，根据检测结果和机房的具体情况，实施空气净化方案，观察效果，持续改进，确保机房空气质量良好，提高整个机房系统的可靠性和可用性，在机房运维中越来越重要。

1 IDC机房空气质量对设备的影响

机房空气质量是IT设备正常运行的前提，影响机房空气质量的因素主要是以下三个方面。

1) 空气洁净度(含尘浓度)。IT设备工作时，会产生一定的静电和磁场，再加上风扇运转产生的吸力，会使室内悬浮在空气中的尘埃颗粒吸进设备内部，形成静电吸附。导电性的尘埃会使绝缘材料的绝缘性能降低甚至短路，绝缘性的尘埃会使金属接插件或金属接点接触不良，应采取措施减少机房内空气的含尘浓度，提高空气洁净度。

2) 腐蚀性气体浓度。机房内腐蚀性气体(特别是硫化氢和二氧化硫)的存在，会腐蚀正在运行的设备板件(特别是镀银的重要电路板件)，日积月累，电路板中的银和铜腐蚀产生的衍生物逐渐在电路板上蔓延，形成所谓的“蠕变腐蚀”现象，“蠕变腐蚀”发展到一定程度会造成电子线路短路、断路、变形或失效，造成设备故障，影响到业务运行，甚至造成严重的安全事故。

3) 相对湿度。在相对湿度偏低的情况下，易造成静电吸附，不但会影响交换机和其他通信设备的运行寿命，而且容易造成严重通信故障(灰尘落在设备上还会影响正常散热，造成短路，导致严重的安全隐患)；在相对湿度大于80%的情况下，会加剧金属板件腐蚀，缩短设备寿命，导致故障发生。

空气品质不良造成的设备故障涉及面广、发现难度大、处理周期长，破坏性强，根治困难，损失难以估量。

2 IDC机房空气质量检测技术

2.1 机房空气洁净度检测

《GB 50174-2008电子信息系统机房设计规范》中规定：主机房的空气含尘浓度，在静态条件下，每升空气中大于或等于0.5μm的尘粒数，应少于18 000粒(相当于洁净度8.7级)[1]。IDC数据中心主机房内机柜通常采用冷热通道分开设置的方式布局，空气含尘浓度以冷通道的测量参数为主。目前，业内普遍采用激光粒子计数法进行空气含尘浓度检测。

激光粒子计数器基于光散射原理设计制造，由光源、采样管、测量腔、光检测器、流量监控、气泵及过滤器、电路系统等部件构成，能实时测量空气中尘埃粒子的尺寸与颗粒数浓度。

测量应在IDC数据中心主机房空调系统正常运行状态下进行，50m2及以下的主机房区域内选择对角线交点及其四分点共5个检测点，每增加20m2～50m2，增加3～5个检测点，将计数器的采样管口正对气流方向，测试人员站在采样管口下风侧，对每个检测点连续三次测试，取其平均值为该检测点的实测空气含尘浓度。

激光含尘粒子计数器具有测量精度高、速度快、使用方便、便于携带等特点，机房运维人员可随时随地对机房内某一位置空气含尘浓度进行测量和记录，但难以实现24小时连续不间断的、较大范围的检测。

2.2 机房内腐蚀性气体浓度检测

2.2.1 分光光度检测法

机房内空气中的腐蚀性气体浓度一般很低，其主要危害是在潮湿环境中会加快金属部件的腐蚀。目前业界对空气中SO2、H2S、Cl2、NOx、甲醛等气体含量的检测方法主要采用分光光度法进行即时性检测。1）SO2采用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法[2]。2）H2S采用亚甲蓝分光光度法[3]。3）Cl2采用甲基橙分光光度法[4]。4）NOx采用盐酸萘乙二胺分光光度法[5]。5）甲醛采用酚试剂分光光度法[6]。

检测时，依据标准分别准备吸收瓶、吸收液等，在主机房区域内均匀选择检测点，对每个检测点采样5份空气样品，分别进入对应的吸收液中，根据生成化合物颜色或吸收液颜色减弱的程度进行吸光度测定或比色定量计算，从而得出各种污染气体的浓度。采用分光光度检测法的时效性很强，只能检测采样时采样区域的气体成分，如果当时污染源没有散发出有害气体或者散发量降低的话，检测数据就不具备代表性；运维人员也无法24小时不间断地检测。

2.2.2 铜片腐蚀增重法

考虑到分光光度检测法的时效性，实际运维检测中，需要有一种适合于机房持续检测的方法，目前业内也常采用铜片(或镀银板)腐蚀前后增重对比的方法来表征机房内空气质量。腐蚀增重法简单直观、经济适用，其缺点是时间较长，可与分光光度检测法有机结合起来，在检测初期在机房的较大范围内布置铜片，一段时间后观察铜片表面腐蚀程度情况，对铜片腐蚀严重的机房区域再使用分光光度法进行定量测量，这样更有针对性，避免了盲目选点，可有效节约检测费用。

检测前选取相同尺寸、厚度、材质的正方形铜片若干，四角打孔用于细线悬挂，洗净，去除表面脏污和氧化物，气枪吹干，双面研磨抛光，称重记录，细线贴上标签编号。选取空调机房空调设备区域、最里面抽风口、顶部出风口、主机房回风口、架空地板下方出风口、冷通道内、部分机柜内，用细线悬挂布置处理过的铜片，记录悬挂日期并拍照，一个月后取回对比铜片表面腐蚀变色变黑情况，称重记录。

2.2.3 ECM环境腐蚀监测仪

近年来，市面上已有成型的环境腐蚀实时监测仪，能够连续测量并显示出空气的腐蚀速率、相对湿度、温度、压差、ISA环境等级等参数，内置多种传感器、铜片或银片试片和数据记录器，灵敏度高，可实时观测或通过接口与监控系统平台相连输出数据进行分析。腐蚀速率按ISA环境等级由不同颜色的指示灯显示，可发现环境空气劣化趋势，以便及时对环境要求较敏感的IT设备建立和实施保护措施。

2.3 机房空气相对湿度检测

IDC数据中心机房内温湿度环境监控系统早已成为监控系统平台的标准配置模块之一，湿度检测普遍采用湿度传感器。

2.3.1 电信号湿度传感器

湿度传感器普遍采用电信号传感器，包括传统的电容式、电阻式等，通常在IDC数据中心机房内每条冷通道、热通道内适当位置均匀布置3～5个电信号湿度传感器，用于实时测量所在点位的环境湿度，通过组网送至监控中心，可在监控系统平台3D视图上实时显示，并可设定告警阈值。电信号湿度传感器测量精度高、响应速度快、信号易于处理和控制，但存在单点测量范围小、布线复杂、易损坏、维护工作量大等局限性。

2.3.2 光纤式湿度传感器

近年来，国际上很多学者在基于光纤作为载体进行分布式湿度传感测量技术上做了大量的研究，各种光纤式湿度传感器迅速发展起来。

基于分布式光纤测湿度的基本工作原理是，在光纤外表面涂覆湿膨胀线性度好的材料作为湿敏薄膜，当不同湿度的空气与湿敏薄膜接触后，湿敏薄膜的光学参数会发生改变，通过测量湿敏薄膜光学参数的变化即可获得相应的湿度。

将分布式传感光纤敷设或盘绕在IDC机房内每条通道内部、重要设备机柜外围，实现对光纤沿线湿度分布数据实时准确的信息采集。IDC机房监控系统平台通过处理采集到的湿度信息，结合机房3D建模和CFD模拟技术生成一套实时的、连续的机房湿度分布的3D视图，便于维护人员直观监控机房内空气相对湿度情况。

光纤式湿度传感器相对于传统的湿度传感器有很多优势，光纤布放灵活、体积更小、稳定性好，不受电磁干扰和辐射影响；湿度测量范围较宽、响应速度快、湿滞回差小、灵敏度高、温度系数小，比较易于进行温度补偿，寿命长，且复用功能强，非常适合作为机房空间多点长期监测的湿度传感器。

3 IDC机房空气净化技术

空气尘埃和腐蚀性气体污染源分为机房外部引入和机房内部释放两种情况。机房外部引入是机房周边有污染性工业或大气粉尘，由新风系统引入机房内部造成的污染。机房内部释放是机房的装修材料或其他设备或进出人员释放出的粉尘和硫化气体。

3.1 从建设层面降低空气污染

IDC数据中心在规划初期，应合理选址，充分考虑周边环境情况，远离产生粉尘、油烟、有害气体以及生产或贮存具有腐蚀性、易燃、易爆物品的场所，例如冶炼厂、煤矿、化工、橡胶、电镀、食品、皮革加工厂、禽畜饲养场、化肥仓库、尘土飞扬的道路、沙石厂等；选址还应远离海边、盐湖边；若无法避开这些污染源，则机房一定要选在污染源的常年上风向[7]。

在IDC数据中心局房外围尽量减少门窗数量，主机房不宜设置外窗，在通风口布置过滤网；形成全封闭式机房，把机房内的设备同恶劣的外部环境隔离开，使外界污染空气不会从门窗的缝隙或其它缝隙进入机房。

3.2 从管理层面降低空气污染

IDC数据中心应在主机房完成设备安装、调试结束后进行保洁工作。主机房内应整洁、无杂物；对门窗和地板、地面进行清洁；对空调、机柜及设备外表清洁；对网络设备，特别是设备电源和风扇进行除尘。

设置合理的除尘周期，定期组织专业的清洗工程人员对处在正常运转状态下的通信设备进行带电清洗。

机房应配备专用工作服和拖鞋，并经常清洗。进入机房的人员必须更换专用拖鞋或使用鞋套，尽量减少穿着纤维类或其他容易产生静电附着灰尘的服装进入。

同时，还要严格控制机房空气湿度，避免空气湿度过大使金属部件产生锈蚀和短路。

3.3 从技术层面降低空气污染

机房内空气尘埃的过滤原理主要有扩散作用、惯性作用、拦截作用、筛分效应、静电作用等。

机房内空气腐蚀性气体的净化原理主要有吸附作用、光催化、负离子等。其中吸附作用分为物理吸附和化学吸附；物理吸附通过范德华力在吸附剂载体表面吸附气态污染物使之进入载体内的孔洞中，在低温低湿的环境中，吸附效果较好；化学吸附具有选择性，被吸附气态污染物在吸附剂表面进行化学反应生成无害的无机盐形式并留存在吸附剂的孔洞内。

3.3.1 高压静电过滤网除尘系统

当前IDC数据中心普遍采用专用空调空气过滤网进行除尘，综合考虑风机压降、空气过滤效率以及能耗等因素，建议选择低阻力、过滤效率高、采用静电原理的高压静电两段板式过滤网。

高压静电两段板式过滤网，根据高压静电吸附的净化原理，采用二段板式高压电子集尘室装置，利用紫外线、纳米光催化、负氧离子等技术为辅助手段，采用三级过滤的方式实现气、固分离，彻底过滤空气中的颗粒物、微生物，可有效控制机房内空气洁净度。

与传统的粗中效涤纶过滤网方式相比较，高压静电设备过滤效率更高，亦可以减少机房空调系统的电能损耗；但是，其设计、安装、运行、维护都需要配合专用空调CRAC系统建设，工程实施较为复杂。

3.3.2 高效空气化学过滤净化系统

高效空气化学过滤净化系统采用化学吸附的原理，净化器模块内的化学媒介具有超高比表面积，多级、高效的自循环结构，内置多种化学吸附媒体组合，可在腐蚀性气流通过的保留时间内，与气体发生氧化还原、中和反应，从而过滤掉腐蚀性气体，同时也能有效去除空气中的颗粒物，从而保证进入主机房区域的空气质量洁净。

空气依次通过净化系统底部进风口，初效空气过滤器、前置模块化学过滤器、前置中效空气过滤器、风机段、后置模块化学过滤器、后置中效空气过滤器、PTFE高效空气过滤器，顶部出风口；多样化的模块组合系统配置可以满足不同的特定条件和需求并可以灵活组合；组合媒体段允许单个滤料媒体箱更换，使维修不再需要更换整个媒体段而仅仅是消耗的单个部分，达到使用最佳性价比[8]。

由于机房内的空气相对户外空气比较洁净，可对机房的空气进行过滤重复循环，通过自循环高效空气化学过滤净化以期达到更为优化的环境。

3.3.3 模块式新风过滤机组系统

初效、中效可采用独立的模块式新风过滤机组系统，可在入风口加装活性炭、离子树脂等活性或化学过滤器，确保向机房内部持续输入新鲜、过滤好的空气，维持机房内形成正压状态，保证机房外的腐蚀性气体无法侵入，有效地保护机房内精密设备及元件，更好地保证机房的洁净度和正常运行。

4 结束语

随着IDC数据中心机房建设规模越来越大，IT设备的数量越来越多，运维管理也变得越来越复杂，为降低机房内空气污染引发的故障隐患，必须完善IDC数据中心机房内空气质量的检测评估和净化手段。

本文介绍了IDC数据中心机房内由于空气污染导致的静电和蠕变腐蚀等问题，针对空气洁净度介绍了激光含尘粒子计数检测法，针对腐蚀性气体浓度介绍了分光光度检测法和ECM环境腐蚀监测仪，针对空气相对湿度介绍了传统的电信号传感器和尚在发展阶段的光纤测湿度法。基于现状，从建设、管理、技术等层面分别提出IDC数据中心空气净化的方案和措施，为IDC数据中心机房运维管理提供参考，以期改善IT设备运行环境，减少因空气污染导致的IT设备故障率。

参考文献

[1] GB 50174-2008电子信息系统机房设计规范[S].中国计划出版社,2009

[2] GB/T 15262-1994环境空气 二氧化硫的测定 甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法[S].中国标准出版社,1994

[3] GB/T 11742-1989居住区大气中硫化氢卫生检验标准方法 亚甲蓝分光光度法[S].中国标准出版社,1989

[4] GB/T 11736-1989居住区大气中硫酸盐卫生检验标准方法 离子色谱法[S].中国标准出版社,1989

[5] HJ 479-2009环境空气 氮氧化物(一氧化氮和二氧化氮)的测定 盐酸萘乙二胺分光光度法[S].中国环境科学出版社,2009

[6] GB/T18024.26-2000公共场所空气中甲醛卫生检验标准方法[S].中国标准出版社,2000

[7] 唐智文,王强.通信机房洁净度检测及净化探讨[J].通信电源技术,2013(6):114-117

[8] 刘晓彤,周海健,张建国.浅谈高效空气化学过滤净化器在数据中心机房的应用[EB/OL].http://www.jifang360.com/news/2012517/n030436396.html.2012-05-17

[9] 邱耀雄,何建宗,张玉宇,等.3类空调过滤网净化室内空气效果的比较[J].城市环境与城市生态,2013(1):1-4

[10] 孙兰.电子信息系统机房运行维护环境检测及评价方法研究[EB/OL].[2015-08-02].http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10056-1013006344.htm

[11] 曾传卿.光纤湿度传感器研究进展[J].计测技术,2010(S1):11-15