播出中心數(shù)字機(jī)房的溫濕度探討

張洪

摘要：隨著高熱密度數(shù)字中心的不斷發(fā)展，對(duì)于機(jī)房的溫度、濕度要求更高，新型的服務(wù)器能夠工作在最佳環(huán)境下，做好數(shù)字中心機(jī)房的溫、濕度控制也是節(jié)能的重要方面。

關(guān)鍵詞：數(shù)字中心 回風(fēng)溫度 濕度 能耗 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

隨著電視從標(biāo)清到高清以及多頻道的迅速發(fā)展，電視數(shù)字中心機(jī)房的服務(wù)器和相關(guān)設(shè)備增多，用電功耗急劇增大，當(dāng)前數(shù)字中心的節(jié)能已成為非常重要的課題。

根據(jù)數(shù)字中心的三級(jí)模型分析，服務(wù)器節(jié)能、供配電節(jié)能、精密空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是數(shù)字中心機(jī)房最重要的三個(gè)方向。而其中精密空調(diào)的耗能占整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的37%-45%，因此空調(diào)節(jié)能是其中的重中之重。目前，在國(guó)際電信聯(lián)合會(huì)的TIA942標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)機(jī)房溫度的要求是20℃到25℃，相對(duì)濕度要求40%-55%。而我國(guó)的GB50174-2008標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)機(jī)房溫度的要求是23℃正負(fù)1℃，相對(duì)濕度40%-55%，要求更高。

播出服務(wù)器耗電最大的部分是電源部分，然后才是處理器，因此服務(wù)器電源系統(tǒng)節(jié)能是服務(wù)器節(jié)能的重點(diǎn)。為了提高服務(wù)器工作可靠性，目前服務(wù)器普遍采用冗余電源技術(shù)。它具有均流，故障切換等功能，可以有效避免電源故障對(duì)系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)不停頓運(yùn)行。冗余電源較為常見(jiàn)的是N+1，而我臺(tái)采用的是1+1的方式，可以保證一個(gè)電源發(fā)生故障的情況下系統(tǒng)不會(huì)癱瘓。冗余電源通常和熱插拔技術(shù)配合，即熱插拔冗余電源，它可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)拔下出現(xiàn)故障的電源并換上一個(gè)好的電源，從而大大提高了服務(wù)器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為了提高服務(wù)器電源的工作效率，在標(biāo)準(zhǔn)高度的機(jī)架式機(jī)箱內(nèi)可插多個(gè)服務(wù)器單元，這些服務(wù)器是共用冗余電源，所以服務(wù)器電源的工作效率得到很大提升，更省電與節(jié)能。

播出數(shù)字中心的UPS電源是機(jī)房的心臟，其正常允許運(yùn)行溫度范圍在0-40℃之間，在此溫度內(nèi)無(wú)性能衰減。UPS中的易損件部分為電容，而電容器工作時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度以及內(nèi)部溫度都有要求，一般環(huán)境溫度要求在-25℃-55℃，環(huán)境溫度主要是考慮散熱問(wèn)題，其內(nèi)部介質(zhì)的溫度應(yīng)低于65℃，最高不得超過(guò)70℃，否則會(huì)引起熱擊穿，或引起鼓肚現(xiàn)象。電容器外殼的溫度是在介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度之間，一般為50℃-60℃，不得超過(guò)60℃。目前在電器元件中，AC/DC電源大量使用鋁電解電容，若環(huán)境溫度過(guò)高，可能會(huì)引起鋁電解電容內(nèi)電解液干枯引發(fā)故障。

一般情況下，電容的壽命隨溫度升高而降低。任何電容都有一個(gè)損耗角正切值，即電容器的損耗一般情況下正切值隨著溫度的上升而上升，即溫度越高，電容器的損耗越大。最明顯的是電解電容，一個(gè)極限工作溫度為85℃的電解電容，在溫度為20℃的條件下工作，一般可保證18萬(wàn)小時(shí)的正常工作時(shí)間，而在極限溫度85℃的條件下工作，一般情況僅僅可以保證2000小時(shí)左右的正常工作時(shí)間。因此，即使廠家允許運(yùn)行溫度范圍可到40℃，但考慮其電子元件的壽命損耗，UPS電源等設(shè)備的運(yùn)行溫度不宜設(shè)定太高。由于UPS電源設(shè)備是單獨(dú)放置，一般和電池放在一起，可以和電池房間溫度進(jìn)行統(tǒng)一考慮。

播出數(shù)字中心應(yīng)用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池，電池的主流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是以25℃以下的容量為額定容量。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，電解液流動(dòng)性降低，化合反應(yīng)緩慢，不充分，使其難以達(dá)到額定容量，所以在某些機(jī)房溫度較低的場(chǎng)合，會(huì)出現(xiàn)蓄電池后備時(shí)間不足，放電電流不達(dá)標(biāo)的情況。反之，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，電解液流動(dòng)性提高，化合反應(yīng)加劇使電池內(nèi)部溫度上升，造成惡性循環(huán)，從而降低電池使用壽命。據(jù)分析，環(huán)境溫度每升高1℃，容量上升0.8%，會(huì)降低壽命；當(dāng)環(huán)境溫度在25℃時(shí)，溫度每升高6-10℃，蓄電池的壽命縮短一半；當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到45℃時(shí)，電池壽命老化速度是25℃時(shí)的7倍。當(dāng)蓄電池使用溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熱失控，充電過(guò)程中正極產(chǎn)生的氧到達(dá)負(fù)極，與負(fù)極的絨面鉛反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，造成蓄電池內(nèi)過(guò)熱，水損失加劇，內(nèi)阻增大，逐步發(fā)展為熱失控，最終導(dǎo)致蓄電池產(chǎn)生嚴(yán)重變形、膨脹、失效。每次充電，由于產(chǎn)生氣體速率大于氣體再化合速率時(shí)，會(huì)有一部分氣體逸出，造成水損失。失水速度隨環(huán)境溫度的上升而加快，從而加速了蓄電池干涸失效。綜合考慮，20℃以下蓄電池的壽命最高。但是，考慮到成本與容量的關(guān)系，我們將蓄電池的運(yùn)行溫度保持在25℃，由于UPS一般和電池在同一個(gè)房間，同為25℃。

數(shù)字中心精密空調(diào)的選配必須考慮整個(gè)數(shù)據(jù)中心最大的發(fā)熱量，再根據(jù)此值考慮20%-30%的冗余，而傳統(tǒng)的定容量輸出壓縮機(jī)不能適應(yīng)熱量的不均勻變化，否則會(huì)造成數(shù)字中心空調(diào)額外制冷量較大，以及被建筑熱負(fù)荷額外消耗過(guò)多的問(wèn)題。隨著數(shù)字中心的發(fā)展，可變冷量、風(fēng)量的精密空調(diào)系統(tǒng)，更好的冷熱風(fēng)隔離氣流組織已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的主流方向。據(jù)測(cè)算，若整個(gè)數(shù)字中心采用封閉通道隔離冷熱風(fēng)混合，可節(jié)能2-4%，我臺(tái)數(shù)字標(biāo)清數(shù)據(jù)機(jī)房采用1=1、高清數(shù)據(jù)機(jī)房采用2=2精密空調(diào)。

在空調(diào)運(yùn)行當(dāng)中，回風(fēng)溫度對(duì)空調(diào)冷量影響很大。由逆卡諾循環(huán)可知，在吸熱和放熱過(guò)程中工質(zhì)與冷源及高溫?zé)嵩粗g沒(méi)有溫差，即傳熱是在等溫下進(jìn)行，壓縮和膨脹過(guò)程也是在沒(méi)有任何損失情況下進(jìn)行。此外，由熱力學(xué)第二定律還可以證明：“在給定的冷源和熱源溫度范圍內(nèi)工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最高。”任何實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)都小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。雖然實(shí)際上逆卡諾循環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但它可以用作評(píng)價(jià)實(shí)際制冷循環(huán)完善程度的指標(biāo)。在空調(diào)運(yùn)行中，回風(fēng)溫度即與冷源蒸發(fā)器溫度成正比，提高回風(fēng)溫度，可提高制冷效率，即增大冷量。而顯冷量是指不發(fā)生相變條件下所能表現(xiàn)出來(lái)的冷量，這一參數(shù)與相對(duì)濕度、空氣溫度相關(guān)。在溫度相同的情況下，相對(duì)濕度越低，空氣中所蘊(yùn)含的水分越少，其潛冷量就越少，能夠冷卻服務(wù)器的冷量就越大。因此，我們需要在服務(wù)器機(jī)房保持一個(gè)合理的溫濕度區(qū)間，保證空調(diào)的制冷效率與顯冷量最大化。在室內(nèi)環(huán)境溫度不變的情況下，相對(duì)濕度越高，其總冷量越大，顯冷量越小，這主要是由于空氣中含水量越多，其潛冷越大。在相對(duì)濕度不變的情況下，回風(fēng)溫度越高，其總冷與顯冷都會(huì)增大。以24℃、50%參數(shù)為基準(zhǔn)，在相對(duì)濕度不變的情況下，回風(fēng)溫度每上升1℃，總冷量增大2.52%，顯冷量會(huì)增大1.24%。

因此，在數(shù)字中心允許的安全范圍內(nèi)，應(yīng)盡量提高精密空調(diào)的回風(fēng)溫度，降低其回風(fēng)相對(duì)濕度。結(jié)合GB50174-2008和目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)機(jī)房的應(yīng)用情況來(lái)看，主機(jī)房合理的回風(fēng)溫度應(yīng)該調(diào)整為30℃，相對(duì)濕度40%，此情況下的靜電相對(duì)較小。如果靜電高會(huì)對(duì)服務(wù)器產(chǎn)生影響，甚至?xí)诠ぷ魅藛T進(jìn)行維修時(shí)如果沒(méi)放電會(huì)造成設(shè)備損壞?；仫L(fēng)溫度的提高可有效提高空調(diào)機(jī)組的效率，同時(shí)回風(fēng)溫濕度對(duì)加濕、除濕能耗會(huì)產(chǎn)生影響，機(jī)房的除濕和加濕需求是由室外環(huán)境溫度波動(dòng)造成的。按照TIA942設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字中心機(jī)房要求的密封及正壓能有效保證外界對(duì)機(jī)房的影響趨近于0，所以外界對(duì)機(jī)房濕度變化的影響其實(shí)是很小的，數(shù)字中心的加濕需求絕大部分是由于自身除濕而帶來(lái)的。

傳統(tǒng)的機(jī)房精密空調(diào)在設(shè)計(jì)回風(fēng)溫濕度情況下，顯熱比為90%。在此情況下，每產(chǎn)生100Kw的冷量，就有10%被用來(lái)凝露除濕，顯然，除濕要額外耗費(fèi)能源，后期的加濕又需要進(jìn)一步耗費(fèi)能源，加濕部分又會(huì)產(chǎn)生熱量，從而進(jìn)一步浪費(fèi)精密空調(diào)寶貴的冷量。因此，合理設(shè)計(jì)數(shù)字中心機(jī)房的溫度梯度場(chǎng)，產(chǎn)生的節(jié)能效益是貫穿整個(gè)節(jié)能鏈的重要措施。我臺(tái)數(shù)字機(jī)房溫度為服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口18-20℃，相對(duì)濕度40%-50%，采用高通率機(jī)柜提高通風(fēng)效率，服務(wù)器后出風(fēng)一般在35-40℃之間，濕度為35%-40%；UPS電源25℃，濕度為40%；值班室28℃，濕度為60%。當(dāng)今提高數(shù)字中心的用電效率已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急，推動(dòng)各個(gè)服務(wù)器、精密空調(diào)廠家聯(lián)合修訂數(shù)據(jù)中心新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具有巨大的節(jié)能意義。

（作者單位：江西廣播電視臺(tái)）