【IBE】模块化数据中心形势下制冷设备的应用

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1 舒适性家用空调与机房专用精密空调区别

数据中心内部温/湿度是否恒定是决定服务器等IT设备能否正常稳定运行的重要因素，环境温/湿度的变动对计算机信息设备内部的绝缘材料、电子元器件等都有较大的影响。在正常运作的服务器交换设备中，CPU是在各电子元器件中温度最高的部分，当电子芯片温度过高时，容易出现电子飘逸现象，可能会导致服务器交换设备宕机甚至烧毁。因此，数据中心机房环境温/湿度与设备稳定可靠运行有着必然的联系。

一些传统中小机房内，由于上架的有源设备不多、功率不大，从成本和制冷量的需求考虑出发，很多机房便选择采用舒适性的家用制冷设备。然而，舒适性家用空调设计之初是以人体舒适度出发的，倘若数据机房内选择舒适性空调来制冷，会存在以下问题。

1）因温度无法保持恒定而引起的服务器交换设备故障较多。

2）因湿度无法保持恒定或无法保持高洁净度而引起的设备故障较多。

3）因产品系统的不稳定导致后期维护量大。

在GB 50174-2008《电子信息机房设计规范》当中，对数据中心机房的运行环境要求如表1所示。

除对表1中温湿度的要求之外，数据中心机房对设备运行环境还有以下要求。

1）空气洁净度0.5微米/升<18 000。

2）换气次数/小时>30。

3）数据中心机房内的正压>10Pa。

4）空调制冷设备需具备断电记忆，来电自启及远程监控管理等功能。

对此，针对于数据中心机房对设备环境的严格要求，舒适性空调相对于机房专用精密空调具体存在以下缺陷。

1）出风温度过低

舒适性空调的设计是从人体舒适度角度出发，送风缓和，对服务器交换设备可进行有效降温，但只针对于离空调出风口较近的设备。

另外，其送风缓和的特点决定了其风量小、空调内外压力差小，导致单位时间内空调的换气次数不足，空调制冷范围小。

2）温度调节精度过低，无法始终恒定

舒适性空调温度的调节精度为6℃，若按国标23℃来设置温度，数据中心机房内环境温度应该在17-29℃之间，已经远远超出±1℃的国标要求。又考虑到风量及送风距离等问题，对服务器交换设备稳定运行无法保障。

3）无法实现湿度控制功能

舒适性空调没有加湿设备，加上其小风量的设计，导致无法有效地进行除湿。数据中心机房环境若湿度过高，产生的水滴将会导致设备内部电路短路甚至爆炸；但若机房环境湿度过低，则又将会产生静电，使服务器交换设备内部的电路短路，导致设备运行失常。

4）基本没有空气过滤能力

舒适性空调基本没有空气过滤功能，其出厂配置的过滤网并不能达到G3等级要求。然而数据中心机房的洁净程度对服务器交换设备的平稳运行有着非常重要的作用。若数据中心机房内环境洁净度不高，在空调气流组织的循环条件下，尘埃都将吸附在服务器交换设备的通风孔上，使得冷气无法顺利进入到设备内部，导致设备高温宕机等故障发生。

5）在环境温度-5℃以下时无法正常运行

舒适性空调在夏季的降温功能和在冬季的升温功能是通过蒸发器、冷凝器功能互换的设计来实现的，这一设计决定了舒适性空调在室外温度-5℃及以下时，将无法进行降温和升温。然而一个标准的数据中心机房，其365天无时不刻都在产生大量热能，这要求数据中心机房的制冷设备365天都具备降温功能，这是舒适性空调所达不到的。

6）设计寿命短

目前市面上很多厂家宣称其舒适性空调是按照≥5年的使用寿命进行设计的，其计算方法是按照每年舒适性空调一年最多3个季度的应用，每天平均运行8h的方式来进行计算的，并不是按照24h×365天的计算方式。若根据机房专用空调的运行时间来计算，舒适性空调的运行寿命不会超过2年。

7）故障率高，且维护量大

舒适性空调的成本决定了其内部结构，功能组件无法达到工业级水准，因此机房温度无法保持恒定，空调会一直在启/停之间来回切换，造成电子元气件的寿命大大降低，违背数据机房高效稳定的运行要求。对舒适性空调而言，客户必须组织专门的队伍进行维护，维护量及维护成本高。

8）TCO=CAPEX+OPEX

（1）从CAPEX上计算，舒适性空调若要达到一个标准数据中心机房机房所需的制冷量，虽其数量多于机房专用空调，但其采购成本是机房专用空调的一半，但非工业级的功能配件使得其工作寿命远远不如机房专用空调。机房专用空调的运行时间为10-15年，在这时间内，舒适性空调可能已经更换3-4批，其采购成本将大大提高。

（2）从OPEX上计算，由于舒适性空调“小风量大焓差”的特性，其显冷量大大低于机房专用空调，能效比不高。而且舒适性空调若要到达与机房专用空调同等制冷量，数据中心机房内所放置舒适性空调的数量必定不少。多系统及多故障率，使得舒适性空调后期的维修成本大大提高。

综上所述，数据中心机房只有采用机房专用精密空调，通过其针对机房环境设计的功能组件才能彻底解决以上问题，保证服务器交换设备可靠稳定的运行。

2 制冷量计算方式

数据中心机房内的热源是由多方面因素决定的，由多种成分组成，按《电子信息机房设计规范》中规定，机房的热负荷应包括：计算机和其他设备的散热量、建筑围护结构的传热量、人体散热及散湿、照明装置散热、新风负荷、太阳辐射热。

本文将结合热负荷的各种算法，对主要热源进行精确计算。当上述各项热负荷之和确定后，就可以初步确定对空调机制冷能力的要求。对于中高档机房，应优先选用模块化机房专用空调，这样对机房将来的运行、扩容和改造都十分有利。 具体计算方法如下。

3 封闭冷通道模式下制冷量的计算方式

据不完全统计，目前我国所有数据中心一年的耗电量占到全国总耗电量的1.5%左右。降低数据中心耗电量迫在眉睫。除了从存储和交换设备入手外，产品还要朝着低功耗、高能效的方向发展，数据中心基础设施也是一样，重点在降低PUE值。

模块化数据中心封闭冷热通道概念的引进，提升了数据中心整体制冷效率。如图1所示为传统式数据机房的气流组织图。

图1 传统数据机房气流组织图

机房空调在静电地板下送冷风，通过静电地板的通风孔到达机柜附近，通过机柜前门设备自带的风扇将气流吸入设备内部进行制冷降温，机房空调通过静电地板上的气体回流经过蒸发器再被风机送入静电地板下，如此进行气流循环。

根据图1，可以看出以下两点问题。

1）制冷面积较大。通过静电地板通风孔送出的冷气充满了整个数据机房内，因此在计算机房面积所需制冷量时，需机房100%面积来计算。

2）整个数据机房内（静电地板至吊顶的空间）为开放式制冷，静电地板出的冷气与设备排除的热气都在这个空间范围内，从而使冷、热气体混流。存在一些未被利用的冷气直接进入机房空调内再次循环，同时，设备排除的热气没有及时被机房空调收回的，会充当冷气在给设备制冷，从而引发局部点、设备宕机等一系列问题。

通过封闭冷通道的形式（见图2），让静电地板通风孔只在封闭冷通道内，实现将原先的100%的机房面积制冷缩小到宽1.2m（常规）高2.4m的一个小空间内。在封闭冷通道内形成正气压，进入设备的气体只有冷气，灰尘不易入内，有效避免了冷热器混流。如表2所示，为传统数据中心与封闭冷通道数据中心的比较。

图2 封闭冷通道形式下送风气流组织图

4 结束语

在传统中小型的数据机房当中，由于存储交换设备数量不多、功率不大，使得制冷量需求不高。加上成本的考虑，很多人会去选择舒适性家用空调来给数据机房内的设备制冷。而这恰恰是和GB 50174-2008《电子信息系统机房设计规范》相违背的。舒适性家用空调的“小风量大焓差”使环境温度无法保持一致，民用级的过滤网和工作寿命使数据机房与高效稳定的要求越来越远。随着大数据时代的到来，模块化数据中心数量不断增加，数据中心内必须使用专用精密空调。

封闭冷通道形式的普及，提高数据机房整体效率，精密空调的功率选择将更加符合需求，使得数据中心能更加稳定高效的运作。

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