数据中心专用精密空调设计标准

1描述

依据美国《数据中心电信基础设施标准》(TelecommunicationsInfrastructureStandardforDataCenters．ANSI／17A一942—2005)的定义，数据中心是容纳计算机房及其支持区域的一幢建筑物或建筑物中的某个部分，主要设置进行数据处理和数据交换的计算机、网络设备、电子设备。数据中心空调系统的主要任务是为数据处理设备提供合适的工作环境(温度、湿度、含尘度等)，保证数据通信设备运行的可靠性和有效性，本文就数据中心的空调设计作初步探讨，数据中心对空气环境的要求有别于常规舒适性空调，其空调系统的设计也不同于常规空调系统。对于规模不同、要求不同、负荷密度不同的数据中心，采用何种形式的空调系统，应经详细经济、技术论证后确定。设计人员应在充分了解数据通信设备结构的基础上，从设备供应商处获得详细、准确的热负荷数据。当数据通信设备定位后，应结合空调系统送风方式进行温度场数值模拟，从而选择*佳的送风方式和空调参数．确保数据通信设备有效冷却。数据中心空调系统应有强大的可扩展性和高可靠性，保证数据中心运行过程中扩容或升级。

2数据中心环境要求

2．1电子设备环境分级

数据中心中需要采用空调来保证合适的环境条件的数据通信设备主要包括：各类服务器、高密度和超高密度通信设备、磁带存储器、存储服务器、工作站及安装数据通信设备的机架或机柜。这些数据通信设备所需的环境要求取决于所用设备和制造商。美国供热制冷空调工程师学会(ASHRAE)出版的系列丛书之一《数据处理环境热工指南》中列出了数据中心的相应分级(1～4级)所对应的环境要求；(ASHRAE手册2007年版应用篇》中提到了第5级分类，即网络设备——建筑系统(NEBS)级。该分类在数据通信中也普遍使用，电子设备环境分级如下：

a．1级。它是一个能严格控制环境参数(露点温度、干球温度和相对湿度)及执行重要任务操作的数据通信环境。此工作环境所对应的数据处理设备主要是企业服务器和存储设备。

b．2级。它是一个对环境参数(露点温度、干球温度和相对湿度)能进行某种程度控制的数据通信环境。此工作环境所对应的数据处理设备主要是小型服务器、存储设备、个人计算机及工作站。

c．3级。它是一个只对个别环境参数(如温度)进行控制的办公室、家庭或可移动区域环境。此环境所对应的设备是个人电脑、工作站及打印机等。

d．4级。它是一个只需通风，在冬季能满足供热要求，对气候状况进行适当控制的零售点、轻工业及工厂环境。此环境所对应的设备是零售设备、工业控制器、计算机，以及掌上电脑等便携式电子产品。

e．NEBS。一般指对环境参数(露点温度、于球温度和相对湿度)进行某种程度控制的数据通信环境。按此环境要求进行设计的产品类型包括开关、传输设备、路由器等。

在ASHRAE的电子设备环境分级中，3级、4级环境要求不适合数据通信设备运行。能满足数据通信中心设备运行的是l级、2级以及NEBS环境。

2．2电子设备工作环境参数要求

表1所列数据为l级、2级及NEBS级数据中心推荐的环境设计参数值和允许的环境设计参数值。这些参数主要是数据通信设备所处环境的空气温度、空气温度变化速率、湿度、空气过滤要求及空气污染、通风状况等．

表11级、2级及NEBS级环境设计参数

2．2．1空气温度要求

数据通信设备运行时会产生极大的显热量，当数据通信设备较长时间处于高温或较大温度变化梯度的环境中时，可能因温度过高而出现宕机现象，温度太高，可使数据处理设备工作环境恶化，长此以往，将缩短电子设备的使用寿命，也使数据通信设备的可靠性降低。

由表1可知，对于1级、2级环境要求的数据中心。其温度控制范围应为20～25℃：而对于网络设备——建筑系统(NEBS)级环境要求的数据中心，其温度控制范围更宽些，可达18～27℃。允许温度范围可认为只能短期运行，正常运行时应将环境温度严格控制在推荐范围内。

我国《电子信息系统机房设计规范》(GB50174—2008)中对相应机房的设计温度也做了规定，该规范将电子信息系统机房划分成3级。对于A级与B级电子信息系统机房，其主机房设计温度为23±l℃，C级机房的温度控制范围是18～28℃，机房不工作时，其温度应控制在5～35℃。

实际温度控制范围应根据数据通信设备的类型与设备供应商的要求而定。

2．2．2环境温度变化速率要求

一些数据通信设备制造商制定了数据通信设备允许环境温度变化速率的标准，以避免环境温度的突然变化对数据通信设备造成冲击。环境温度变化速率标准可适应所有已安装的数据通信设备。对于l级与2级环境要求的数据中心，ASHRAE推荐*大环境温度变化速率为5K/h；磁带和存储设备对温度变化速率要求更高。一般要求其环境温度变化速率小于2K/h，湿度变化速率小于5%/h。NEBS级要求其测试的新设备允许温度变化速率可达30K/h，一旦空凋冷却系统出现故障，设备周围环境温度的变化速率可能比30K/h还大些。

数据通信设备不工作时可以允许其环境温度在一个较大范围内变化，但需要向数据通信机房提供不问断供冷，以维持*低的运行工况，避免数据通信设备受到热冲击。

2．2．3湿度要求

较高的相对湿度会使数据通信设备的电极导电失效、湿度计积尘失效、磁带介质出错和过度磨损以及产生腐蚀现象。在极端的情况下，液体冷却设备的冷表面还可能出现冷凝现象。较低的相对湿度将产生影响设备运行的静电，甚至可能损坏设备。磁带和存储介质在低相对湿度下也会产生过度磨损，数据中心环境湿度应控制在推荐的湿度范围内。

2．2．4空气过滤要求

在进人数据通信机房之前，室外新风必须经过过滤和预处理，去除尘粒和腐蚀性气体。表1中列出的是数据中心循环空气过滤器的推荐值及*小过滤效率值。空气中的尘粒将影响数据通信设备运行，因此，数据中心的空调系统应采用高效的、合适的过滤装置。腐蚀性气体会快速破坏印刷电路板上的金属薄膜和导电体，导致末端连接处电阻值增大。此外，尘粒在散热板上堆积也将增加热阻，降低换热效率。

2．2．5新风要求

数据中心空调系统必须提供适量的室外新风，以保持数据通信机房的正压值和保证室内人员的卫生要求，数据通信机房保持正压可防止污染物渗入室内。虽然大多数数据中心内人员较少，但也需确保室内人员的新风需求和卫生要求，室内人员的新风需求量应满足全国或当地设计标准。

3数据中心空调冷负荷

数据中心空调负荷的计算方法与其他建筑的计算方法相同，在此不赘述。数据中心负荷的显著特性是来自数据处理设备很大的内热显冷负荷和极高的显热比。数据中心内的主要热源是数据处理设备本身，这部分热量高度集中、分布不均匀且可变。图1为单位机架面积(以0．7每平方厘米计)设备散热量趋势图。

随着数据通信设备功能的提高，数据通信设备单位面积冷负荷也逐年增加。在1987年，当ASHRAE初次将数据中心空调冷却系统设计方法写入手册时，数据中心单位面积冷负荷只有108～162w每平方厘米。而如今，每个机柜(占地约0．7每平方厘米)散热量高达3500~10000W，单位面积架空地板的功率密度已高达450~1285W每平方厘米。工程设计时，设计人员应根据设备布置状况及数据通信设备制造商提供的设备实际散热量数据进行负荷计算。

数据通信设备机房初建完成时，设备设置密度较小，随着数据中心的不断完善，机房内会不断增加数据处理设备，散热量也随之明显增加。而且，数据中心设施级系统和设备的寿命一般可延续20年，而数据通信设备的寿命一般只有2—5年，在整个设施寿命周期内，经常会发生数据通信设备的更换与升级，用相同设备甚至用功能(功率)更大的设备替代原有设备。数据中心空调设计人员在进行中心级(或设施级)空调系统设计时应充分考虑这种情况。

4数据中心空调系统设计

4．1空气冷却空调系统

4．1．1设备布置与气流分布

为了对数据通信设备进行有效冷却，机房空调系统空气分布必须与机房冷负荷相匹配。空调系统的气流分布应能适应设备位置与容量的变化，数据通信设备设置在成行排列的机架或机柜内。一般情况下，机架与机柜的前后均设有通道。空调送风从前侧或下方送入数据通信设备的机架或机柜，吸收设备散发的热量后从机架或机柜的另一侧或顶部排出。

数据通信机架与机柜的前后排列形成了冷通道(进气通道)和热通道(排气通道)，空调系统的气流分布应结合机架或机柜的冷、热通道位置进行设计。

4．1．2地板送风空调系统

数据通信机房大多采用地板静压箱送风，上部回风。地板送风空调系统可采用机房专用空调器向地板静压箱送风，也可采用集中空气处理系统向地板静压箱送风。采用何种系统应视数据中心平面布置、设备类型及参数要求而定。

4．1．2．1机房专用空调系统

数据中心采用机房专用空调机组非常普遍，图3为某数据通信机房设备布置平面。在专用机房空调系统中，专用空调机组设置在数据通信机房的周边，数据通信机架或机柜按进出风方向成组排列。专用空调机组将机房内的热风从机组顶部吸入，经过滤，冷、热处理后送入地板静压箱。在地板送风静压箱内。冷空气通过设置在冷通道处的地板送风散流器进入机房。然后被吸入机架或机柜，进入机架或机柜的空气吸取数据通信设备散发的热量后排至热通道。在热通道内。热空气上升。沿着机房顶板回到机房专用空调机组。

4．1．2．2集中空调系统

数据中心也可采用集中空气处理系统进行空气调节。一般来说，集中空调机组设置在数据中心数据通信机房外的空调机房内。室外新风与回风混合后经过空调机组过滤、冷却。再热处理后由风机送至数据通信机房地板送风静压箱内，再经地板送风散流器进入冷通道，被数据通信设备机架或机柜吸入，冷风在吸取了设备产生的热量后被排人热通道，*后经上部回风管回至空调机组或排至室外。

4．1．3风道上送上回空调系统

数据中心也可采用上部风道送、回风空气分布方式。设置在数据中心数据通信机房外空调机房内的集中空气处理机组将室外新风与回风处理后用风道送到数据通信机房内的冷通道上空．冷风被数据通信设备机架或机柜吸人并在吸取了设备产生的热量后被排入热通道．*后经设置在热通道上部的回风管回至空调机组或排至室外。

4．2液体冷却系统

4．2．1液体冷却系统基本组成

大多数数据中心内的数据处理设备采用如前所述的风冷方法进行冷却。随着数据处理设备的处理速度提高、容量加大，数据通信设备发热量(冷负荷)不断增大。为数据中心所提供的空气冷却系统的风量和冷量的能力正趋向极限。在此情况下，需采用液体冷却系统来排出数据通信设备的废热，以减少机架或机柜所需总冷却风量。液体冷却系统可直接冷却数据通信处理器，使其温度降低，提高其数据处理能力。

图7为一典型的数据中心液体图6数据中心上部风道气流分布示意图冷却回路原理图。液体冷却系统一般由冷却水系统回路、冷水系统回路、工艺冷却系统回路、冷液分配装置(CDU)及数据设备机架或机柜组成。液体冷却系统所采用的冷却液体主要是：水、乙二醇或丙烯二醇与水的化合物、制冷剂、非导电介质等。液体冷却数据通信设备至少应有集热换热器、排热换热器，有的设备还包括压缩机，水泵、控制阀、电子控制器等部件。

冷却水系统包括冷却塔与数据中心之间的液体回路。它属于典型的设施级系统。该同路一般包括：室外排热装置(冷却塔或干式液体冷却器)、水泵、膨胀水箱、冷却循环泵以及分布管路。

冷水系统也是典型的设施级系统．它可包括数据通信房间的专用系统。该系统主要由数据中心冷水机组与冷液分配装置之间的系统组成。冷水系统包括冷水机组、水泵、冷却设备和设施级分布管路。

工艺冷却系统一般不延伸到数据通信设备机房之外，除非在系统配置时将冷液分配装置置于数据中心之外。该系统作为一个专用回路，将数据中心内设备冷却系统的热量传递给冷水系统。该回路以单相或两相流换热形式进行工作，用热管、热虹吸管、泵送流体与／或蒸气压缩循环促进换热。工艺冷却系统至少应有集热换热器(数据通信设备冷却系统的集成件)、排热换热器与连接管路。该系统也会有如压缩机／水泵、控制阀、电子控制器、过滤器和流体循环冷却附件等设备。

4．2．2液体冷却系统基本要求

数据中心液体冷却系统应满足下列基本要求：

a．灵活性。数据中心冷却系统设计应具有在安装新设备时可减少或避免系统中断的特点。集中站房应考虑在负荷增加时能添加冷水机组、水泵与冷却塔。为了将来再接纳计算机和冷却系统，应制定和利用合理的负荷管理制度，制定发展计划或策略。从避免运行中断和装置费用的角度看，一般禁止采用改变管道尺寸的方法去求得容量增加。

b．可扩展性。冷却系统设计应适应未来负荷的增加，数据通信设备的更新期为2～5年，故冷却系统需要有扩展能力，管路系统设计应能支持冷负荷密度，集中站房应有足够空间供未来的冷水机组、水泵和冷却塔之用，站房内冷水和冷却水系统的分、集水器的大小，应从运行的**天起到容鼍增加，以至达到未来的*大容量．均能很好地适应。

c．安装、涮试、运行简单。冷却设备应安装方便、位置可见、易近，系统调试方便，运行简单。

d．维护与故障排除便捷。维护方便、快速，能准确排除故障是高可用性数据中心的主要标志。冷却设备的周围应有足够的工作间距，提供维护与操作阀门、控制装置、传感器和大型设备所需的通道。冷水管与冷却水管的走向应避免与冷却系统的设备搬动发生冲突：水泵、冷水机组的布置应方便更换：切断阀门的位置也必须能在更换时不使服务中断。

e．可用性与可靠性。数据中心液体冷却设备的足够冗余可保证系统的可靠性和*大可用性。

4．2．3液体冷却管路系统特点

液体冷却管路系统确定了冷源(站房)与负荷之问的关系。管路系统应考虑简易、投资节省，便于维护、升级或变更，便于运行、控制。系统设计应对设备投资和运行费用进行综合评估。随着所需冷却的热量的持续增加，管路系统必须能扩展，以接纳未来增长的输送量。液体冷却系统常用的设计方法是选大冷水站房内的干管和分配集管。

液体冷却系统的主要目的是将冷液输送到数据中心的所需地点，液体冷却系统可采用同程系统。也可采用异程系统。表2为几种常用的液体冷却管路系统的特点。

4．2．4液体冷却管路系统水质要求

液体冷却系统的水质应满足系统运行要求。

表2几种常用的液体冷却管路系统特点

几种常用的液体冷却管路系统特点

《ASHRAE手册2003应用篇》第48章对系统水质有规定：PH，7～9；硫<10ppm；硫酸盐<100ppm；氯化物<50ppm：细菌<1000CFUs／ml(CFU是菌落总数的英文缩写)；总硬度(如CaC03)<200ppm；蒸发后的沉淀物<500ppm；浊度<20NTU(浊度计)。在进行液体冷却系统没计时．必须设置水处理装置。水处理装置能在系统运行中在线自动检测系统水质参数。将实际水质参数控制在规定范围内．确保系统安全、可靠运行。

4．2．5液体冷却管路系统调试要求

在采用液体冷却系统的数据中心内，制冷站房、冷却水系统、冷水系统属于中心级或设施级系统．而数据中心内部的冷水系统和工艺冷却系统则属于机架或机柜级系统。前者由中心(设施)管理，后者由数据通信设备供应商管理。因此，在中心级与机架级系统之间存在着结合部，结合部的上游由中心负责调试，结合部下游则由设备供应商调试。中心系统必须向工艺系统提供满足参数要求(温度、流量、压力等)的冷液。在调试阶段，应对系统各组成部件及总成系统进行测试，以保证整个系统的功能合适，并确保数据通信没备正常运行。

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