數據中心專用精密空調設計標準
1描述
依據美國《數據中心電信基礎設施標準》(TelecommunicationsInfrastructureStandardforDataCenters．ANSI／17A一942—2005)的定義，數據中心是容納計算機房及其支持區域的一幢建筑物或建筑物中的某個部分，主要設置進行數據處理和數據交換的計算機、網絡設備、電子設備。數據中心空調系統的主要任務是為數據處理設備提供合適的工作環境(溫度、濕度、含塵度等)，保證數據通信設備運行的可靠性和有效性，本文就數據中心的空調設計作初步探討，數據中心對空氣環境的要求有別于常規舒適性空調，其空調系統的設計也不同于常規空調系統。對于規模不同、要求不同、負荷密度不同的數據中心，采用何種形式的空調系統，應經詳細經濟、技術論證后確定。設計人員應在充分了解數據通信設備結構的基礎上，從設備供應商處獲得詳細、準確的熱負荷數據。當數據通信設備定位后，應結合空調系統送風方式進行溫度場數值模擬，從而選擇*佳的送風方式和空調參數．確保數據通信設備有效冷卻。數據中心空調系統應有強大的可擴展性和高可靠性，保證數據中心運行過程中擴容或升級。
2數據中心環境要求
2．1電子設備環境分級
數據中心中需要采用空調來保證合適的環境條件的數據通信設備主要包括：各類服務器、高密度和超高密度通信設備、磁帶存儲器、存儲服務器、工作站及安裝數據通信設備的機架或機柜。這些數據通信設備所需的環境要求取決于所用設備和制造商。美國供熱制冷空調工程師學會(ASHRAE)出版的系列叢書之一《數據處理環境熱工指南》中列出了數據中心的相應分級(1～4級)所對應的環境要求；(ASHRAE手冊2007年版應用篇》中提到了第5級分類，即網絡設備——建筑系統(NEBS)級。該分類在數據通信中也普遍使用，電子設備環境分級如下：
a．1級。它是一個能嚴格控制環境參數(露點溫度、干球溫度和相對濕度)及執行重要任務操作的數據通信環境。此工作環境所對應的數據處理設備主要是企業服務器和存儲設備。
b．2級。它是一個對環境參數(露點溫度、干球溫度和相對濕度)能進行某種程度控制的數據通信環境。此工作環境所對應的數據處理設備主要是小型服務器、存儲設備、個人計算機及工作站。
c．3級。它是一個只對個別環境參數(如溫度)進行控制的辦公室、家庭或可移動區域環境。此環境所對應的設備是個人電腦、工作站及打印機等。
d．4級。它是一個只需通風，在冬季能滿足供熱要求，對氣候狀況進行適當控制的零售點、輕工業及工廠環境。此環境所對應的設備是零售設備、工業控制器、計算機，以及掌上電腦等便攜式電子產品。
e．NEBS。一般指對環境參數(露點溫度、于球溫度和相對濕度)進行某種程度控制的數據通信環境。按此環境要求進行設計的產品類型包括開關、傳輸設備、路由器等。
在ASHRAE的電子設備環境分級中，3級、4級環境要求不適合數據通信設備運行。能滿足數據通信中心設備運行的是l級、2級以及NEBS環境。
2．2電子設備工作環境參數要求
表1所列數據為l級、2級及NEBS級數據中心推薦的環境設計參數值和允許的環境設計參數值。這些參數主要是數據通信設備所處環境的空氣溫度、空氣溫度變化速率、濕度、空氣過濾要求及空氣污染、通風狀況等．
表11級、2級及NEBS級環境設計參數
2．2．1空氣溫度要求
數據通信設備運行時會產生極大的顯熱量，當數據通信設備較長時間處于高溫或較大溫度變化梯度的環境中時，可能因溫度過高而出現宕機現象，溫度太高，可使數據處理設備工作環境惡化，長此以往，將縮短電子設備的使用壽命，也使數據通信設備的可靠性降低。
由表1可知，對于1級、2級環境要求的數據中心。其溫度控制范圍應為20～25℃：而對于網絡設備——建筑系統(NEBS)級環境要求的數據中心，其溫度控制范圍更寬些，可達18～27℃。允許溫度范圍可認為只能短期運行，正常運行時應將環境溫度嚴格控制在推薦范圍內。
我國《電子信息系統機房設計規范》(GB50174—2008)中對相應機房的設計溫度也做了規定，該規范將電子信息系統機房劃分成3級。對于A級與B級電子信息系統機房，其主機房設計溫度為23±l℃，C級機房的溫度控制范圍是18～28℃，機房不工作時，其溫度應控制在5～35℃。
實際溫度控制范圍應根據數據通信設備的類型與設備供應商的要求而定。
2．2．2環境溫度變化速率要求
一些數據通信設備制造商制定了數據通信設備允許環境溫度變化速率的標準，以避免環境溫度的突然變化對數據通信設備造成沖擊。環境溫度變化速率標準可適應所有已安裝的數據通信設備。對于l級與2級環境要求的數據中心，ASHRAE推薦*大環境溫度變化速率為5K/h；磁帶和存儲設備對溫度變化速率要求更高。一般要求其環境溫度變化速率小于2K/h，濕度變化速率小于5%/h。NEBS級要求其測試的新設備允許溫度變化速率可達30K/h，一旦空凋冷卻系統出現故障，設備周圍環境溫度的變化速率可能比30K/h還大些。
數據通信設備不工作時可以允許其環境溫度在一個較大范圍內變化，但需要向數據通信機房提供不問斷供冷，以維持*低的運行工況，避免數據通信設備受到熱沖擊。
2．2．3濕度要求
較高的相對濕度會使數據通信設備的電極導電失效、濕度計積塵失效、磁帶介質出錯和過度磨損以及產生腐蝕現象。在極端的情況下，液體冷卻設備的冷表面還可能出現冷凝現象。較低的相對濕度將產生影響設備運行的靜電，甚至可能損壞設備。磁帶和存儲介質在低相對濕度下也會產生過度磨損，數據中心環境濕度應控制在推薦的濕度范圍內。
2．2．4空氣過濾要求
在進人數據通信機房之前，室外新風必須經過過濾和預處理，去除塵粒和腐蝕性氣體。表1中列出的是數據中心循環空氣過濾器的推薦值及*小過濾效率值。空氣中的塵粒將影響數據通信設備運行，因此，數據中心的空調系統應采用高效的、合適的過濾裝置。腐蝕性氣體會快速破壞印刷電路板上的金屬薄膜和導電體，導致末端連接處電阻值增大。此外，塵粒在散熱板上堆積也將增加熱阻，降低換熱效率。
2．2．5新風要求
數據中心空調系統必須提供適量的室外新風，以保持數據通信機房的正壓值和保證室內人員的衛生要求，數據通信機房保持正壓可防止污染物滲入室內。雖然大多數數據中心內人員較少，但也需確保室內人員的新風需求和衛生要求，室內人員的新風需求量應滿足全國或當地設計標準。
3數據中心空調冷負荷
數據中心空調負荷的計算方法與其他建筑的計算方法相同，在此不贅述。數據中心負荷的顯著特性是來自數據處理設備很大的內熱顯冷負荷和極高的顯熱比。數據中心內的主要熱源是數據處理設備本身，這部分熱量高度集中、分布不均勻且可變。圖1為單位機架面積(以0．7每平方厘米計)設備散熱量趨勢圖。
隨著數據通信設備功能的提高，數據通信設備單位面積冷負荷也逐年增加。在1987年，當ASHRAE初次將數據中心空調冷卻系統設計方法寫入手冊時，數據中心單位面積冷負荷只有108～162w每平方厘米。而如今，每個機柜(占地約0．7每平方厘米)散熱量高達3500~10000W，單位面積架空地板的功率密度已高達450~1285W每平方厘米。工程設計時，設計人員應根據設備布置狀況及數據通信設備制造商提供的設備實際散熱量數據進行負荷計算。
數據通信設備機房初建完成時，設備設置密度較小，隨著數據中心的不斷**，機房內會不斷增加數據處理設備，散熱量也隨之明顯增加。而且，數據中心設施級系統和設備的壽命一般可延續20年，而數據通信設備的壽命一般只有2—5年，在整個設施壽命周期內，經常會發生數據通信設備的更換與升級，用相同設備甚至用功能(功率)更大的設備替代原有設備。數據中心空調設計人員在進行中心級(或設施級)空調系統設計時應充分考慮這種情況。
4數據中心空調系統設計
4．1空氣冷卻空調系統
4．1．1設備布置與氣流分布
為了對數據通信設備進行有效冷卻，機房空調系統空氣分布必須與機房冷負荷相匹配。空調系統的氣流分布應能適應設備位置與容量的變化，數據通信設備設置在成行排列的機架或機柜內。一般情況下，機架與機柜的前后均設有通道。空調送風從前側或下方送入數據通信設備的機架或機柜，吸收設備散發的熱量后從機架或機柜的另一側或頂部排出。
數據通信機架與機柜的前后排列形成了冷通道(進氣通道)和熱通道(排氣通道)，空調系統的氣流分布應結合機架或機柜的冷、熱通道位置進行設計。
4．1．2地板送風空調系統
數據通信機房大多采用地板靜壓箱送風，上部回風。地板送風空調系統可采用機房專用空調器向地板靜壓箱送風，也可采用集中空氣處理系統向地板靜壓箱送風。采用何種系統應視數據中心平面布置、設備類型及參數要求而定。
4．1．2．1機房專用空調系統
數據中心采用機房專用空調機組非常普遍，圖3為某數據通信機房設備布置平面。在專用機房空調系統中，專用空調機組設置在數據通信機房的周邊，數據通信機架或機柜按進出風方向成組排列。專用空調機組將機房內的熱風從機組頂部吸入，經過濾，冷、熱處理后送入地板靜壓箱。在地板送風靜壓箱內。冷空氣通過設置在冷通道處的地板送風散流器進入機房。然后被吸入機架或機柜，進入機架或機柜的空氣吸取數據通信設備散發的熱量后排至熱通道。在熱通道內。熱空氣上升。沿著機房頂板回到機房專用空調機組。
4．1．2．2集中空調系統
數據中心也可采用集中空氣處理系統進行空氣調節。一般來說，集中空調機組設置在數據中心數據通信機房外的空調機房內。室外新風與回風混合后經過空調機組過濾、冷卻。再熱處理后由風機送至數據通信機房地板送風靜壓箱內，再經地板送風散流器進入冷通道，被數據通信設備機架或機柜吸入，冷風在吸取了設備產生的熱量后被排人熱通道，*后經上部回風管回至空調機組或排至室外。
4．1．3風道上送上回空調系統
數據中心也可采用上部風道送、回風空氣分布方式。設置在數據中心數據通信機房外空調機房內的集中空氣處理機組將室外新風與回風處理后用風道送到數據通信機房內的冷通道上空．冷風被數據通信設備機架或機柜吸人并在吸取了設備產生的熱量后被排入熱通道．*后經設置在熱通道上部的回風管回至空調機組或排至室外。
4．2液體冷卻系統
4．2．1液體冷卻系統基本組成
大多數數據中心內的數據處理設備采用如前所述的風冷方法進行冷卻。隨著數據處理設備的處理速度提高、容量加大，數據通信設備發熱量(冷負荷)不斷增大。為數據中心所提供的空氣冷卻系統的風量和冷量的能力正趨向極限。在此情況下，需采用液體冷卻系統來排出數據通信設備的廢熱，以減少機架或機柜所需總冷卻風量。液體冷卻系統可直接冷卻數據通信處理器，使其溫度降低，提高其數據處理能力。
圖7為一典型的數據中心液體圖6數據中心上部風道氣流分布示意圖冷卻回路原理圖。液體冷卻系統一般由冷卻水系統回路、冷水系統回路、工藝冷卻系統回路、冷液分配裝置(CDU)及數據設備機架或機柜組成。液體冷卻系統所采用的冷卻液體主要是：水、乙二醇或丙烯二醇與水的化合物、制冷劑、非導電介質等。液體冷卻數據通信設備至少應有集熱換熱器、排熱換熱器，有的設備還包括壓縮機，水泵、控制閥、電子控制器等部件。
冷卻水系統包括冷卻塔與數據中心之間的液體回路。它屬于典型的設施級系統。該同路一般包括：室外排熱裝置(冷卻塔或干式液體冷卻器)、水泵、膨脹水箱、冷卻循環泵以及分布管路。
冷水系統也是典型的設施級系統．它可包括數據通信房間的專用系統。該系統主要由數據中心冷水機組與冷液分配裝置之間的系統組成。冷水系統包括冷水機組、水泵、冷卻設備和設施級分布管路。
工藝冷卻系統一般不延伸到數據通信設備機房之外，除非在系統配置時將冷液分配裝置置于數據中心之外。該系統作為一個專用回路，將數據中心內設備冷卻系統的熱量傳遞給冷水系統。該回路以單相或兩相流換熱形式進行工作，用熱管、熱虹吸管、泵送流體與／或蒸氣壓縮循環促進換熱。工藝冷卻系統至少應有集熱換熱器(數據通信設備冷卻系統的集成件)、排熱換熱器與連接管路。該系統也會有如壓縮機／水泵、控制閥、電子控制器、過濾器和流體循環冷卻附件等設備。
4．2．2液體冷卻系統基本要求
數據中心液體冷卻系統應滿足下列基本要求：
a．靈活性。數據中心冷卻系統設計應具有在安裝新設備時可減少或避免系統中斷的特點。集中站房應考慮在負荷增加時能添加冷水機組、水泵與冷卻塔。為了將來再接納計算機和冷卻系統，應制定和利用合理的負荷管理制度，制定發展計劃或策略。從避免運行中斷和裝置費用的角度看，一般禁止采用改變管道尺寸的方法去求得容量增加。
b．可擴展性。冷卻系統設計應適應未來負荷的增加，數據通信設備的更新期為2～5年，故冷卻系統需要有擴展能力，管路系統設計應能支持冷負荷密度，集中站房應有足夠空間供未來的冷水機組、水泵和冷卻塔之用，站房內冷水和冷卻水系統的分、集水器的大小，應從運行的**天起到容鼉增加，以至達到未來的*大容量．均能很好地適應。
c．安裝、涮試、運行簡單。冷卻設備應安裝方便、位置可見、易近，系統調試方便，運行簡單。
d．維護與故障排除便捷。維護方便、快速，能準確排除故障是高可用性數據中心的主要標志。冷卻設備的周圍應有足夠的工作間距，提供維護與操作閥門、控制裝置、傳感器和大型設備所需的通道。冷水管與冷卻水管的走向應避免與冷卻系統的設備搬動發生沖突：水泵、冷水機組的布置應方便更換：切斷閥門的位置也必須能在更換時不使服務中斷。
e．可用性與可靠性。數據中心液體冷卻設備的足夠冗余可保證系統的可靠性和*大可用性。
4．2．3液體冷卻管路系統特點
液體冷卻管路系統確定了冷源(站房)與負荷之問的關系。管路系統應考慮簡易、投資節省，便于維護、升級或變更，便于運行、控制。系統設計應對設備投資和運行費用進行綜合評估。隨著所需冷卻的熱量的持續增加，管路系統必須能擴展，以接納未來增長的輸送量。液體冷卻系統常用的設計方法是選大冷水站房內的干管和分配集管。
液體冷卻系統的主要目的是將冷液輸送到數據中心的所需地點，液體冷卻系統可采用同程系統。也可采用異程系統。表2為幾種常用的液體冷卻管路系統的特點。
4．2．4液體冷卻管路系統水質要求
液體冷卻系統的水質應滿足系統運行要求。
表2幾種常用的液體冷卻管路系統特點
幾種常用的液體冷卻管路系統特點
《ASHRAE手冊2003應用篇》第48章對系統水質有規定：PH，7～9；硫<10ppm；硫酸鹽<100ppm；氯化物<50ppm：細菌<1000CFUs／ml(CFU是菌落總數的英文縮寫)；總硬度(如CaC03)<200ppm；蒸發后的沉淀物<500ppm；濁度<20NTU(濁度計)。在進行液體冷卻系統沒計時．必須設置水處理裝置。水處理裝置能在系統運行中在線自動檢測系統水質參數。將實際水質參數控制在規定范圍內．確保系統安全、可靠運行。
4．2．5液體冷卻管路系統調試要求
在采用液體冷卻系統的數據中心內，制冷站房、冷卻水系統、冷水系統屬于中心級或設施級系統．而數據中心內部的冷水系統和工藝冷卻系統則屬于機架或機柜級系統。前者由中心(設施)管理，后者由數據通信設備供應商管理。因此，在中心級與機架級系統之間存在著結合部，結合部的上游由中心負責調試，結合部下游則由設備供應商調試。中心系統必須向工藝系統提供滿足參數要求(溫度、流量、壓力等)的冷液。在調試階段，應對系統各組成部件及總成系統進行測試，以保證整個系統的功能合適，并確保數據通信沒備正常運行。
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