數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)國內外設計標準的分析和探討

朱濱，吳曉暉，聶志華

（中國建筑標準設計研究院有限公司）

1 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、虛擬化等技術的快速發(fā)展，IT設備對能源的消耗越來越多。近期勞倫斯國家實驗室的最新研究報告中顯示：IT設備的耗電量已經(jīng)占到美國總耗電量額的1.2%[1]，并呈逐年增加趨勢。在這些能源消耗中，制冷系統(tǒng)是除IT設備之外的第二能源消耗大戶，約占能源消耗總量的1/3[2]。

由此可見空調系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排中占有重要地位，機房設計溫度每升高1℃，空調系統(tǒng)可以節(jié)能3%～5%左右。目前，世界很多組織機構都制訂了數(shù)據(jù)中心基礎設施建設的標準，對數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)都做了推薦規(guī)定，但要求不盡相同。本文就國內外標準對數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的要求進行對比和分析。

2 可靠性及可用性的要求

可用性（availability）是關于系統(tǒng)可供使用時間的描述，以丟失的時間為驅動（Be Driven By Lost Time）?？煽啃裕╮eliability）是關于系統(tǒng)無失效時間間隔的描述，以發(fā)生的失效個數(shù)為驅動（Be Driven By Number of Failure）。兩者都用百分數(shù)的形式來表示。在一般情況下，可用性不等于可靠性，只有在沒有宕機和失效發(fā)生的理想狀態(tài)下，兩者才一致。表1列舉了國標《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》（GB 50174—2008）[3]和美國TIA標準，ANSI/TIA-942-A-2012[4]對數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的要求。

由表中可以看出國標和美國標準的每個級別都對空調系統(tǒng)的可靠性有所要求。從總體上來看，國標的A級和TIA標準的第Ⅲ級和第Ⅳ級的要求相對應，國標的B級與TIA標準的第Ⅱ級的要求相對應，國標的C級與TIA的第Ⅰ級的要求相對應。根據(jù)The Uptime institute對TIA等級的解釋，對各級的闡述如下[5]。

1）第Ⅰ級基本級

Tier I 的基礎設施提供一個最基本的設施環(huán)境，投入IT系統(tǒng)固定的空間，有UPS系統(tǒng)過濾電流尖峰和低谷，保證暫時斷電設備能運行。保證制冷系統(tǒng)在正常工作時間不出現(xiàn)故障；設置發(fā)電機組，保證IT系統(tǒng)在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時正常工作。

表1 空調系統(tǒng)可靠性和可用性的要求

表2 各規(guī)范標準對數(shù)據(jù)中心溫濕度要求

2）第Ⅱ級部件冗余級

Tier Ⅱ在關鍵點元和空調的容量方面都有冗余，以保證基礎的配置發(fā)生故障時能夠正常的工作。備份的設備有UPS模塊、制冷機組、散熱裝置、水泵、制冷單元和發(fā)電機等。一次正常的維修或者故障會導致系統(tǒng)容量的損失。

3）第Ⅲ級在線維護級

Tier Ⅲ的基礎設施在Tier Ⅰ和TierⅡ之外提出了一個并行維護的概念。并行維護的意思是數(shù)據(jù)中心IT設備能夠有計劃地運行，而不受周圍環(huán)境的影響。這在基礎設施建設拓撲上的影響就是：相對于Tier Ⅱ，增加關鍵設備的制冷系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，需要增加冗余的傳送通道?？梢詫υO備進行經(jīng)常的或者基礎的維護，使設備處于全新的水平。

因此，這個系統(tǒng)會像最初預設的一樣可靠，可以按預測去運行。此外，為了同時維護數(shù)據(jù)中心基礎設施和IT操作的能力，要求每一個系統(tǒng)或組件支持IT設備能夠脫機進行在線維護，而不受環(huán)境的影響。這個概念延伸到重要的子系統(tǒng)，例如：控制系統(tǒng)，啟動系統(tǒng)的發(fā)動機組，動力源、冷卻設備、水泵泵，閥門等設備和部件。

4）第Ⅳ級容錯級

TierⅣ級是在TierⅢ數(shù)據(jù)中心基礎設施上增加容錯的概念拓撲。類似于并行維護的概念，將容錯延伸到每一個系統(tǒng)或每一個組件來支持IT運營。TierⅣ級認為，這每一個系統(tǒng)或每一個部件可在任何時候發(fā)生故障或非計劃停運。TierⅣ定義是基于單個組件或路徑故障的。

該級別的設計必須很好地考慮破壞系統(tǒng)和輸送路徑累計的影響。一個TierⅣ級的數(shù)據(jù)中心將容忍這些累積誤差，而不影響機房的正常運行。

由此可以看出，美國TIA和Uptime Institute共同提出的TIA942標準，要求較為概念化，只是規(guī)定需要實現(xiàn)什么功能，建成之后系統(tǒng)能夠如何去運行，關于怎么去實現(xiàn)，沒有做強制的規(guī)定；而我國的標準要求較為具體，只規(guī)定了空調末端系統(tǒng)、冷源和配送系統(tǒng)應該去怎么備份。

3 溫濕度的要求

比較有權威的對數(shù)據(jù)中心溫濕度的要求和建議，有我國標準、美國TIA標準和美國ASHRAE（美國采暖、制冷與空調工程師學會）的TC9.9工作組提出的數(shù)據(jù)中心設備環(huán)境指南。對比可以發(fā)現(xiàn)，美國TIA標準對環(huán)境溫度的要求完全按照美國ASHRAE環(huán)境分級的A1、A2標準進行規(guī)定，因為絕大部分的數(shù)據(jù)中心都是7×24小時不間斷工作的，因此對于規(guī)范內規(guī)定的停機時候的參數(shù)不列出。

從表2可以看出，我國的國家標準要求較為嚴格，A級、B 級機房數(shù)據(jù)中心內的溫度嚴格控制在(23±1)℃。相對濕度也要控制在一個較小的范圍內。這和2005年版的TIA規(guī)范要求類似。這是因為之前的電子設備對環(huán)境的適應能力較弱，溫度、濕度過低或過高都會影響IT設備的性能和壽命。但是，從表中可以看到，2012年版TIA規(guī)范中數(shù)據(jù)中心內的溫度和濕度范圍有了較大的擴展，不再要求那么精密，這是因為隨著電子工業(yè)的不斷發(fā)展，各大廠家都研發(fā)出新型產(chǎn)品，能夠適應更寬泛的溫度和濕度范圍，由此降低了精密空調系統(tǒng)的設計精度；另一方面，能夠提高數(shù)據(jù)中心的室內設計溫度，對整個數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的節(jié)能有重要意義。相信今后我國也會推出對溫濕度的要求有所放寬的數(shù)據(jù)中心的設計規(guī)范。

4 潔凈度的要求

我國國家標準對潔凈度的規(guī)定是：A級和B級機房的空氣含塵濃度，在靜態(tài)條件下測試，每升空氣中大于或等于0.5μm的塵粒數(shù)應不少于18000粒。主要的實現(xiàn)方法是在新風系統(tǒng)中設置初效和中效過濾器，并且維持主機房的正壓，主機房與其他房間及走廊的壓差不宜小于5Pa,與室外靜壓差不宜小于10Pa。美國的TIA規(guī)范中，TireⅠ級別的主機房對保持正壓沒有要求，其他級別的主機房需要與附屬房間或機房外保持正壓。

5 其他要求

美國TIA規(guī)范還規(guī)定每一個級別的機房需要有排水管道，我國相應的國家規(guī)范也有相應的規(guī)定。除此之外，我國國家標準對機房建設的規(guī)定更為具體，更有指導性。比如，建議氣流組織形式、根據(jù)不同的條件推薦采用不同的節(jié)能措施、設備冗余量的推薦等。這對我們進行機房的實際設計有更好的指導意義。

6 結束語

本文主要對比分析了中外主要機構相關規(guī)范對數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)的要求，最后得出以下結論：

1） 關于可靠性的要求，美國TIA規(guī)范更注重于規(guī)定結果，實現(xiàn)什么功能，更有利于設計人員采用不同的技術方案達到預期目標，而我國的標準更注重于關注具體操作方法，更有利于現(xiàn)實的設計操作；

2） 關于溫濕度的規(guī)定，隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對溫濕度的要求將越來越寬泛，對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能有重要意義；

3） 對于潔凈度的要求，我國國家標準的要求較為具體，而美國TIA規(guī)范則只要求主機房需要保持正壓；

4） 除上述之外，我國國家標準還要求了其余一些建議性的規(guī)定，而美國的TIA規(guī)范沒有此方面的規(guī)定。