數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)計(jì)淺談

金哲秀

摘要 簡要介紹數(shù)據(jù)中心的機(jī)房內(nèi)環(huán)境要求重要性、相應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、特點(diǎn)及適用性。

關(guān)鍵詞 室內(nèi)環(huán)境 熱密度 氣流組織 冷源設(shè)備

中圖分類號(hào)：X32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

隨著我國改革開放的深入和現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，我國的國民經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大批國際級(jí)企業(yè)。在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛躍發(fā)展及人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)也出現(xiàn)爆炸式增長，網(wǎng)絡(luò)連接和協(xié)作服務(wù)也已成為了企業(yè)部署IT服務(wù)的必備選擇，金融行業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生等大型企業(yè)及政府機(jī)構(gòu)相繼建立起許多數(shù)據(jù)中心。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，數(shù)據(jù)中心的熱密度呈現(xiàn)處逐年上升的趨勢。在這種趨勢下如何加大節(jié)能減排力度，降低用戶直接成本等問題就成了擺在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)者和運(yùn)行管理者面前的重要課題。

二 、數(shù)據(jù)中心環(huán)境要求

按照我國對(duì)電子信息系統(tǒng)機(jī)房的分級(jí)與性能要求，電子信息系統(tǒng)機(jī)房劃分為A、B、C三級(jí)。相應(yīng)空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也依據(jù)機(jī)房的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有不同的要求。?表1所列數(shù)據(jù)為A級(jí)、B級(jí)及C級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房推薦的環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)值和允許的環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)值。這些參數(shù)主要是數(shù)據(jù)通信設(shè)備所處環(huán)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(jí)、B級(jí)及C級(jí)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)

1）空氣溫度要求

機(jī)房內(nèi)的溫度條件直接關(guān)系到設(shè)備工作的可靠性和使用壽命，而機(jī)房內(nèi)的局部溫度變化也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不良影響。機(jī)房的溫度偏高會(huì)產(chǎn)生諸如導(dǎo)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(huì)使電子元器件的參數(shù)改變，引起金屬和塑料絕緣部分因收縮系數(shù)不同而接觸不良，直接影響到計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定工作。

2）環(huán)境溫度變化速率要求

在單位時(shí)間內(nèi)空氣的溫度變化較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)電氣參數(shù)的變化、結(jié)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(jì)算機(jī)工作的情況。對(duì)此一些數(shù)據(jù)通信設(shè)備制造商也制定了各自生產(chǎn)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備允許環(huán)境溫度變化速率的標(biāo)準(zhǔn)，以避免環(huán)境溫度的突然變化對(duì)數(shù)據(jù)通信設(shè)備造成沖擊。

3）濕度要求

機(jī)房內(nèi)的濕度偏高會(huì)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(qiáng)度減弱，材料的老化，變形，引起結(jié)構(gòu)的損壞。濕度偏低又容易產(chǎn)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(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，嚴(yán)重的會(huì)劃傷盤片，損壞磁頭。

4）空氣過濾要求

在對(duì)機(jī)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(jìn)入機(jī)房，會(huì)劃傷電子設(shè)備和整機(jī)的表面保護(hù)層，還會(huì)加速精密機(jī)械活動(dòng)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(dǎo)致金屬材料氧化腐蝕，改變電氣參數(shù)，還會(huì)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(jìn)入機(jī)房后會(huì)快速破壞印刷電路板上的金屬薄膜和導(dǎo)電體，導(dǎo)致末端連接處電阻值增大，嚴(yán)重影響機(jī)房設(shè)備的可靠性和使用壽命。因此室外新風(fēng)在進(jìn)人數(shù)據(jù)通信機(jī)房之前，必須經(jīng)過過濾和預(yù)處理，去除塵粒和腐蝕性氣體。

當(dāng)然隨著電子元器件可靠性的逐步提高，計(jì)算機(jī)所受的影響也會(huì)逐漸下降，對(duì)機(jī)房的要求也逐漸在放寬。

三、數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)機(jī)房對(duì)溫度、濕度及潔凈度均有較嚴(yán)格的要求，因此，機(jī)房空調(diào)在設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)的舒適性空調(diào)有著很大區(qū)別：

冷量分配（顯冷與總冷的比例）不同

傳統(tǒng)的舒適性空調(diào)主要是針對(duì)人員設(shè)計(jì)，送風(fēng)量小，送風(fēng)焓差大，降溫和除濕同時(shí)進(jìn)行；而機(jī)房內(nèi)顯熱量占全部熱量的90%以上，它包括設(shè)備本身發(fā)熱、照明發(fā)熱量、通過墻壁、天花、窗戶、地板的導(dǎo)熱量，以及陽光輻射熱，通過縫隙的滲透風(fēng)和新風(fēng)熱量等；這些發(fā)熱量產(chǎn)生余濕量很小，因此采用舒適性空調(diào)勢必造成機(jī)房內(nèi)相對(duì)濕度過低，而使設(shè)備內(nèi)部電路元器件表面積累靜電，產(chǎn)生放電損壞設(shè)備，干擾數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。同時(shí)，由于舒適性空調(diào)制冷量的(40%-60%)消耗在除濕上，使得實(shí)際冷卻設(shè)備的冷量減少很多，大大增加了能量的消耗。

機(jī)房空調(diào)需要使空調(diào)設(shè)備的制冷量大部分用于消除顯熱負(fù)荷而減少除濕，要求送風(fēng)焓差減小，送風(fēng)量大。

2、 空調(diào)風(fēng)量及輸送動(dòng)力不同

舒適性空調(diào)風(fēng)量及輸送動(dòng)力小，由于送風(fēng)不均勻不能在機(jī)房形成整體氣流循環(huán)，機(jī)房冷卻不均勻，使得機(jī)房內(nèi)存在區(qū)域溫差，送風(fēng)方向區(qū)域溫度低，其他區(qū)域溫度高，發(fā)熱設(shè)備因擺放位置不同而產(chǎn)生局部熱量積累，導(dǎo)致設(shè)備過熱損壞。

機(jī)房空調(diào)雖然具有大風(fēng)量，但由于有冷凝水的產(chǎn)生，為不危害服務(wù)器設(shè)備，需要布置在遠(yuǎn)離服務(wù)器設(shè)備處，為減少送風(fēng)不均勻而需要加大空氣輸送動(dòng)力（風(fēng)機(jī)動(dòng)力），以使冷空氣通過高架地板盡量均勻送至各設(shè)備處。

3、 可靠性不同

因大多數(shù)機(jī)房內(nèi)的電子設(shè)備均是連續(xù)運(yùn)行的，工作時(shí)間長，因此要求機(jī)房專用空調(diào)在設(shè)計(jì)上可大負(fù)荷常年運(yùn)轉(zhuǎn)，并要保持極高的可靠性。舒適性空調(diào)較難滿足要求，尤其是在冬季，計(jì)算機(jī)機(jī)房因其密封性好而發(fā)熱設(shè)備又多，但仍需空調(diào)機(jī)組制冷工作，此時(shí)，一般舒適性空調(diào)由于室外冷凝壓力過低已很難正常工作，局部冷卻空調(diào)系統(tǒng)由于采用仍能正常保證冷循環(huán)工作。

4、 可控制的濕度處理

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

雖然機(jī)房內(nèi)能使室內(nèi)環(huán)境濕度產(chǎn)生變化的因素只有偶爾進(jìn)入機(jī)房的少量工作人員及為滿足工作人員衛(wèi)生需求的最低新風(fēng)，其濕度波動(dòng)很小。但由于機(jī)房空調(diào)在制冷過程中除去了一部分室內(nèi)濕度。而計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)濕度又具有一定要求，所以機(jī)房空調(diào)內(nèi)需要配置加濕設(shè)備從而對(duì)機(jī)房內(nèi)濕度進(jìn)行控制。

5、 制作成本不同

舒適性空調(diào)在設(shè)計(jì)上考慮到實(shí)際使用時(shí)的季節(jié)性和時(shí)段性，每一年的實(shí)際工作時(shí)間核算成連續(xù)工作時(shí)間并不會(huì)太長，另外，舒適性空調(diào)是民用產(chǎn)品，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝均需要盡量簡單，并要大批量的生產(chǎn)以降低成本。因此，一臺(tái)設(shè)計(jì)使用壽命10年的舒適性空調(diào)機(jī)組，如果在機(jī)房內(nèi)24小時(shí)x365天的運(yùn)行，在2-3年后就達(dá)到它的使用壽命，出現(xiàn)故障的可能性會(huì)迅速增加。

機(jī)房空調(diào)要求能夠24小時(shí)x365天不間斷的運(yùn)行。因此，一臺(tái)設(shè)計(jì)使用壽命10年的節(jié)能型空調(diào)的制造成本會(huì)遠(yuǎn)大于相同制冷量的舒適性空調(diào)機(jī)組。

四、數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行的整體能耗中需要有35%~45% 用于機(jī)房的制冷系統(tǒng)。伴隨著全社會(huì)節(jié)能意識(shí)的提高，制冷系統(tǒng)自然就成了最具挖掘潛力的部分，如何選定制冷方案關(guān)系到整個(gè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的節(jié)能工作。

1、氣流組織的選擇

主機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)、應(yīng)根據(jù)電子信息設(shè)備本身的冷卻方式（如自然冷卻、機(jī)柜自帶風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制送風(fēng)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(shè)備布置方式（如面對(duì)面、背對(duì)背等）、布置密度、設(shè)備散熱量、室內(nèi)風(fēng)速、防塵、噪聲等要求，并結(jié)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(cè)回、側(cè)送側(cè)回、上送上回等方式。

各種氣流組織形式的主要特點(diǎn)及適用范圍：

1）下送上回方式

電子信息設(shè)備機(jī)房內(nèi)通常設(shè)有架空的活動(dòng)地板作為電纜的布線空間，空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)常常借用活動(dòng)地板下的空間作為空調(diào)送風(fēng)的通道?？諝馔ㄟ^在活動(dòng)地板上裝設(shè)的送風(fēng)口進(jìn)入機(jī)房和機(jī)柜，回風(fēng)通過機(jī)房頂棚上裝設(shè)的風(fēng)口回至空調(diào)裝置。這種氣流組織形式由于在機(jī)柜進(jìn)行增減、更新時(shí)可方便調(diào)動(dòng)或新增地板送風(fēng)口及機(jī)柜接線口位置和數(shù)量，所以具有可靈活應(yīng)對(duì)機(jī)柜布置變化的優(yōu)點(diǎn)。

采用這種氣流組織方式時(shí)需要注意為保證送風(fēng)氣流能夠送到距離空調(diào)設(shè)備最遠(yuǎn)處的機(jī)柜下方，其活動(dòng)地板下的高度需要有所變動(dòng)，并注意活動(dòng)地板內(nèi)電纜的布置對(duì)于送風(fēng)氣流帶來的影響，當(dāng)機(jī)房面積較大或者單臺(tái)機(jī)柜設(shè)備發(fā)熱量大時(shí)時(shí)為了達(dá)到送風(fēng)距離，需要加大送風(fēng)壓頭及活動(dòng)地板下的高度，因此這種氣流組織形式適用于單臺(tái)機(jī)柜發(fā)熱量不大，并且機(jī)房面積較小的情況。

2）上送側(cè)回方式

上送側(cè)回方式的送風(fēng)經(jīng)過頂棚上的空調(diào)風(fēng)口下送冷空氣至機(jī)柜吸氣側(cè)，通過設(shè)備自帶的風(fēng)機(jī)，再進(jìn)入需送風(fēng)冷卻的機(jī)柜。這種氣流組織方式能使工作區(qū)的空氣流速小且均勻，人有良好的舒適感。但機(jī)柜排出的熱空氣在靠近回風(fēng)口處形成聚集，與冷空氣混合，容易導(dǎo)致靠近回風(fēng)口處的機(jī)柜吸氣空氣溫度偏高，影響計(jì)算機(jī)的正常工作。

采用這種氣流組織方式時(shí)要需要注意機(jī)柜的布置情況，因此這種氣流組織形式適用于機(jī)房內(nèi)機(jī)柜熱通道與回風(fēng)口距離較短的情況。

3）側(cè)送側(cè)回方式

側(cè)送側(cè)回方式是將送風(fēng)從機(jī)房的側(cè)墻處送出，至室內(nèi)先與機(jī)房內(nèi)的空氣混合，通過設(shè)備自帶的風(fēng)機(jī)，再進(jìn)入需送風(fēng)冷卻的機(jī)柜。這種氣流組織方式可以減少頂棚上方及活動(dòng)地板下方用于通風(fēng)的空間。

采用這種氣流組織方式時(shí)要充分注意機(jī)柜的布置方向，如果送風(fēng)氣流被機(jī)柜阻擋，便形成不了一個(gè)通暢的氣流回路，造成局部滯留或出現(xiàn)小區(qū)的渦流。機(jī)房內(nèi)出現(xiàn)不均勻溫度場，以致影響部分機(jī)柜的冷卻效果。因此這種氣流組織形式適用于機(jī)房內(nèi)機(jī)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(fēng)通過設(shè)置在機(jī)柜上方的局部空調(diào)設(shè)備將冷空氣送至機(jī)柜吸氣側(cè)，通過設(shè)備自帶風(fēng)機(jī)進(jìn)入需要冷卻的機(jī)柜，升溫后的空氣由機(jī)柜排氣側(cè)排出后回風(fēng)至局部空調(diào)設(shè)備的吸氣側(cè)。這種組織方式可以大幅減少空氣的搬送距離，節(jié)省空氣輸送能耗。并可將局部空調(diào)設(shè)備隨機(jī)柜移動(dòng)，增加了靈活性，并有效減少機(jī)柜附近的局部滯留現(xiàn)象。

采用這種氣流組織方式時(shí)設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合機(jī)柜的布置考慮將機(jī)房分隔成冷區(qū)和熱區(qū)。并注意設(shè)置局部空調(diào)設(shè)備的相應(yīng)防護(hù)措施。因此這種氣流組織形式適用于機(jī)房內(nèi)單臺(tái)設(shè)備發(fā)熱量大、設(shè)備布置變化大、建筑條件受限的情況。

2、冷源及空調(diào)設(shè)備的選擇

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)在冷源及空調(diào)設(shè)備選擇時(shí)需要依據(jù)數(shù)據(jù)中心規(guī)模的大小、數(shù)據(jù)中心所在地域的氣候特點(diǎn)、市政能源的規(guī)劃、節(jié)能減排、投資回收期等條件綜合考慮。

1）冷源設(shè)備的選擇

小型計(jì)算機(jī)工作站由于總冷負(fù)荷比較小，機(jī)房空調(diào)通常采用小型壓縮機(jī)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(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)工作站。

大型數(shù)據(jù)中心或者新建的數(shù)據(jù)中心，往往起總冷負(fù)荷比較大，其冷凍機(jī)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(jī)，相比采用能效比低的小型分散式壓縮機(jī)的方式可節(jié)約20%左右的能耗。這種冷源適用于總冷量大的大型數(shù)據(jù)中心。

當(dāng)數(shù)據(jù)中心所在地域的氣候特點(diǎn)為全年室外平均溫度較低時(shí)，可采用自然新風(fēng)制冷空調(diào)方式，當(dāng)建在濕球溫度較低的區(qū)域時(shí)，通過冷卻水管路的切換實(shí)現(xiàn)部分免費(fèi)制冷也是實(shí)現(xiàn)降低數(shù)據(jù)中心整體能耗的有效方式。

2）空氣處理設(shè)備的選擇

機(jī)房內(nèi)使室內(nèi)環(huán)境濕度產(chǎn)生變化的因素只有偶爾進(jìn)入機(jī)房的少量工作人員及為滿足工作人員衛(wèi)生需求的最低新風(fēng)，其濕度波動(dòng)很小。

如果空調(diào)冷水盤管內(nèi)的冷水溫度低于機(jī)房內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，空調(diào)設(shè)備就會(huì)在對(duì)機(jī)房內(nèi)循環(huán)空氣進(jìn)行冷卻時(shí)產(chǎn)生除濕效果，為使室內(nèi)濕度達(dá)到機(jī)房內(nèi)濕度要求又需要再進(jìn)行加濕。這種方式將產(chǎn)生大量的能源浪費(fèi)。因此機(jī)房的空調(diào)設(shè)備如果選用不使循環(huán)空氣結(jié)露的“干盤管”，新風(fēng)及人員引起的濕負(fù)荷由單獨(dú)設(shè)置的新風(fēng)機(jī)組根據(jù)各傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)控制機(jī)房內(nèi)濕度，這樣便可最大程度避免這部分能源浪費(fèi)。

五、 與其他專業(yè)的配合

在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)工作中由于工藝要求的嚴(yán)格性，暖通與其他專業(yè)的配合及溝通往往對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗有著至關(guān)重要的影響。

1）與建筑專業(yè)的配合

在設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)機(jī)房的冬季保溫、夏季隔熱以及防凝露等技術(shù)問題是重要考慮因素。尤其在夏季室外溫度較高，空氣相對(duì)濕度大，機(jī)房內(nèi)外存在較大的溫差的地區(qū)如果機(jī)房地面沒有保溫處理，會(huì)造成機(jī)房區(qū)域界面產(chǎn)生凝露對(duì)線纜插件造成損壞。因此空調(diào)設(shè)計(jì)人員也需提醒建筑專業(yè)將機(jī)房布置在內(nèi)區(qū)，并對(duì)機(jī)房進(jìn)行墻體，地面進(jìn)行保溫處理，減少外界冷熱空氣通過外墻體對(duì)機(jī)房內(nèi)溫度的影響，以及機(jī)房內(nèi)冷空氣通過外墻傳導(dǎo)至機(jī)房外。另外對(duì)于機(jī)房內(nèi)冷熱通道的劃分、空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)想等也需要與建筑專業(yè)進(jìn)行充分溝通。

2）與電氣專業(yè)的配合

在設(shè)計(jì)中根據(jù)電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)級(jí)別的不同對(duì)于空調(diào)專業(yè)和電氣專業(yè)所提出的冗余要求也有所不同。根據(jù)不同的冗余要求、市政電源的供給情況以及電氣設(shè)計(jì)人員的構(gòu)想，其供電方式、布線走向等也會(huì)對(duì)空調(diào)專業(yè)的設(shè)備布置、負(fù)荷計(jì)算方面帶來一定的影響。另一方面空調(diào)專業(yè)的設(shè)備可靠性也是在供電保證的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，這就要求空調(diào)設(shè)計(jì)人員必須與電氣設(shè)計(jì)人員協(xié)同設(shè)計(jì)，并根據(jù)具體情況及時(shí)調(diào)整自己的設(shè)計(jì)思路。

3）與給排水專業(yè)的配合

在設(shè)計(jì)中根據(jù)電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)級(jí)別的不同以及區(qū)域的不同，給排水專業(yè)在消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上會(huì)分別采用不同的滅火方式，例如當(dāng)采用機(jī)房采用氣體滅火時(shí)，其封閉區(qū)域大小及動(dòng)作時(shí)間等都會(huì)對(duì)空調(diào)的系統(tǒng)構(gòu)成具有影響。因此空調(diào)設(shè)計(jì)人員只有在一定程度上了解消防系統(tǒng)的構(gòu)成及原理，才能達(dá)到預(yù)期的消防要求，保護(hù)人員及機(jī)房設(shè)備的安全。

六、 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)舒適性空調(diào)有很大區(qū)別。對(duì)于規(guī)模不同、要求不同、負(fù)荷密度不同的數(shù)據(jù)中心，采用何種形式的空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)經(jīng)詳細(xì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)論證后確定。由于各生產(chǎn)廠商在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和研究中已經(jīng)有一定先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，因此在具體的設(shè)計(jì)過程中可與各生產(chǎn)廠商進(jìn)行溝通，詳實(shí)掌握各廠商設(shè)備之間的異同，以便完善自己設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

【1】陳重文，倪友剛. 計(jì)算機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)