浅谈数据中心机房上送风空调运行模式

陈翼翔，陈慧敏

（湖南工程职业技术学院，湖南 长沙410100）

0 引 言

数据中心机房是以对信息化服务提供技术支撑和数据支撑为目的，确保电子信息系统设备安全、稳定、可靠地运行，以及提供气象、军事、通信、科研、容灾、备份、结算、管理、监控等信息服务的基础环境，实现数据设备的集中存放和运行的场所。目前，国内外均将数据设备集中放置于数据中心机房中，此房间的经济价值、意义、能耗的密度均很高。

摩尔定律揭示，集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18～24个月便会增加一倍。而数据设备的发展正是符合这条定律一直向高容量、高性能化发展。设备对耗电和散热的要求也在不断增加。2000～2010年设备每年热密度的增长率将是7%（如磁带库）到28%（如通信设备）之间［1］。现代电子设备由大规模集成电路构成，其中的半导体PN结的导通特性和温度息息相关的。温度会影响其扩散电流、传导电流、结间势垒等参数，进而影响导通、截止角、温飘系数，使性能参数改变。一般电子器件温度适应范围：民用级－15～85℃，军工级－55～165℃。数据设备长期运行在高温之下，会造成设备过早老化、设备运行失常、停止工作等危害。

数据中心机房保有量巨大的通讯运营商指定的行业规范［2］指出：特别是大型IDC机房里的IP网络设备耗电量、发热量都非常大，导致数据中心机房的电源、空调需求量比传统通信机房大很多，这类机房的环境温度严重超标和电源缺乏足够的保障已成为制约IDC业务发展的一个瓶颈。不仅在放置计算机服务器的主要机房，而且一些网管、监控、计费、支撑等重要IT系统机房也开始出现了环境温度过高、电源掉电的运行安全隐患。数据设备发热的现状客观存在，且发展形势越来越严峻［1］。

数据机房空调的研究趋向于数值化、精确化，已取得不少成果，这些成果大多集中在研究、设计、安装、初始调试阶段；但是，对机房空调运行模式存在的可变性和可操作性却关注甚少。

1 数据机房上送风专用空调

机房冷却概念按机房构造形式可分为无活动地板机房（或标准机房）和活动地板机房两种，与之相匹配的空调送风也就有了上送风（over head deliver y）和地板下送风（underneath raised floor）两种形式［3～5］。作为建设周期快、投资相对较少的上送风机房专用空调被广泛采用，现今采用这种形式的机房保有量仍然巨大，图1是常见的上送风机房专用空调机。

图1 上送风机房专用空调机

数据中心机房，因其空间密闭，机架体积高大，电子设备发热的大小和位置固定，上送风空调室内机位置固定，出风口位置也随之固定，且出口风速较大（据各生产厂家样本均大于3 m／s），形成了它独特的稳态气流场。这种气流场在机房内各机架、空调机位置确定后即已形成，并很难改变，在某些局部区域，气流场呈现不利状态，冷量输送不够，造成局部温度过高［6～10］。基于上述，唯一能改变机房内空调系统独特的稳态气流场的方式就是改变空调机的开启状态。

2 上送风机房专用空调运行模式

以开启运行后形成最有利的气流场、尽可能顾及到每个局部为目的，选择空调机的主用与备用、开启与关闭，即为上送风机房空调的运行模式。无论在政府、电信、移动等单位的数据机房管理制度［11～13］，还是在国家、行业规范中，均没有机房空调运行模式的相关规定；文献［14～16］中对空调运行模式进行分析的方法可以借鉴。国务院第531号令，《公共机构节能条例》第四章第33条：公共机构应当对网络机房、食堂、开水间、锅炉房等部位的用能情况实行重点监测，采取有效措施降低能耗。

目前空调专业人员对机房空调工作的介入止于初始空调状态调试，而广大数据机房维护人员均为电子专业人员，缺乏流体和传热等学科知识，没有气流组织的概念，在运行模式选择上凭经验、想当然，以为无论开启哪几台空调机，选择何种空调运行模式，只要制冷量足够大，开启时间够长，机房内空气温度、数据设备本体的温度就一定能降下来；而如果某局部的温度无法维持正常，则本能、武断地判断为机房空调的制冷量不够，首先会违背规范调低空调机设定温度，紧接着报请上级主管部门要求增设空调机。这种请求因其重要性，往往被顺畅地采纳。

2.1 不同运行模式的不同效果

无论哪种空调运行模式、开启多长时间，计算冷负荷并不能保证每台数据设备的发热都能得到很好的消化，数据设备间的工作温度存在差异，局部差异还较大。不同的空调运行模式给机房内的温度场、气流场带来较大的变化，使得数据设备的工作温度也不相同。

如图2所示，在同一机房、同一剖面处、不同运行模式下，高温区域出现的位置不同、温度高低也不同，尽管不能完全消去差异，但是其中必有一种模式是所有模式中最佳的。

图2 不同模式在同一剖面处温度云图比较

2.2 机房专用空调机初投资分析

计算机、通讯、数据、IT设备对工作环境的空气品质要求很高，在各种规范及通信行业规范中都对机房空气温湿度、空气含尘浓度做了量化的要求。为实现符合要求的机房室内空气品质，国内外大多数数据机房都选择配备了恒温恒湿精密空调，又称机房专用空调。因室内外机对应，且独立性较强，属于单元式空调机。机房专用空调的价格是单元式空调机中最高的，每瓦制冷量单价对比如图3。

图3 我国单元式空调机价格对比

依据上述数字计算，一个200 m2的数据中心机房，其专用空调机的购置费将近120万元人民币。新增单台空调机的投资至少在十万元以上。

2.3 机房专用空调机能耗分析

典型数据中心机房设计时考虑的总电源配给在1 080 W／m2～3 230 W／m2之间［12，13］，相比中国国内电气相关规定中对普通办公楼要求配给的85 W／m2（实用面积），高达13～38倍，而在这些能源当中，数据机房空调机的耗能份额如图4所示。依据上述数字计算，一个200 m2的数据中心机房，其专用空调机的能耗将近90 k W。美国国家标准局认为把夏季设定温度从24℃改为26.7℃，约可节约能量15%。以日本办公楼为例夏季室温设定值从26℃，提高到28℃，冷负荷可减少21%～23%［17］。虽然目前没有针对数据中心机房的具体能耗调查，但是调低空调设定温度非但没有解决局部温度过高的现象，反而还引起大量的能源浪费。基于此，国家及各行业规范对数据机房环境温度，均规定为23±1℃，不得随意升降。

综上所述，随意增加空调设备和设低机房温度，将会在绝大多数数据机房空调运行模式上，普遍存在着随意性、经验性、模糊性和粗放性，导致机房空调的初始运行状态在日常运行中被破坏，浪费了前期所有研究成果，缺乏机房空调运行中的运行模式选择的科学论证，缺乏运行模式的预评价和评价方法，导致投资和能耗方面的极大浪费。

图4 新加坡数据机房能耗结构图［20］

在笔者十余年的工作实践当中，湖南省内电信、移动、原联通、网通数家通信运营商在每个地区的数据中心机房，湖北武汉移动公司的数据中心机房，电业、交警、广电的数据中心机房等，笔者都参与过机房局部温度过高的难题的会诊。由运行模式不当造成的机房局部温度过高占据相当大的比例。

简单地把数据中心机房内空调机设定温度调节下来，机房内原有的温度场性态没有发生质的改变，反而拉大了机房内的局部温差，原温度高的局部没有得到改善，而只是导致原温度低的地方温度更低。

而加装的新空调机投入运行后，所有空调机压缩机的自动开机频率减少，呈现出机房内总体冷量过剩的现象。这时如新旧空调机的运行模式选择不当的话，机房内的温度场虽然会有质的改变，但是仍有可能解决不了某些局部区域温度过高的问题。机房专用空调机造价昂贵，增设新空调则造成固定资产大的浪费。

3 上送风空调运行模式的研究方向

因为上送风空调运行模式的改变就是改变机房内的气流组织，所以可以借鉴前人在此领域内的丰硕成果。文献［6～10，21～23］中研究者进行了数据中心机房内的气流组织的研究，国外研究者主要研究在计算机房内采用防静电架空地板下送风情况下，机架内和机房内的气流组织的特性，也尝试着形成一些较高水平的理论，并对下一步研究提供较成熟的研究方法；部分国内研究者方向和国外研究者类似，另一部分是研究目前国内较为普遍采用的空调机上送风直吹情况下，机房内整体的气流组织。

在国内外科研工作者的既得成果基础上，采用成熟的科研方法，分析数据机房空调运行模式的选择对数据设备安全、空调机投资和能耗的影响；形成数据机房空调运行模式选择的预评价与评价方法。促进国家和行业规范进一步修订，摒弃数据机房空调运行中的随意性，指导机房维护人员选择科学的空调运行模式，实现数据设备的安全运行，节约机房空调的投资和能耗，完善机房空调研究—设计—安装—初始调试—运行全过程的数值化、精确化。

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