單 莉

(大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧大連沙河口西南路888號(hào) 116033)

1 概述

隨著數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)需求爆炸式增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，金融、運(yùn)輸?shù)却笮推髽I(yè)以及政府機(jī)構(gòu)均需要建立數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心是指一幢建筑物或建筑物中的一部分，主要功能是容納計(jì)算機(jī)房及其支持區(qū)域，數(shù)據(jù)中心通常含被賦予重要任務(wù)的高端服務(wù)器和存儲(chǔ)產(chǎn)品。相對(duì)于大多數(shù)商業(yè)建筑來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心建筑及其冷卻系統(tǒng)表面上似乎差別不大，但實(shí)際在環(huán)境要求、參數(shù)測(cè)試和運(yùn)行過(guò)程中關(guān)注點(diǎn)非常不同。

本文初步地介紹了數(shù)據(jù)中心的使用者、環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)、熱負(fù)荷等與普通商業(yè)建筑的顯著不同點(diǎn)。

1.1 數(shù)據(jù)中心的使用者

數(shù)據(jù)中心的主要使用者并不是人。因此，具有使用模式及與變化相關(guān)聯(lián)的負(fù)載與大多數(shù)商業(yè)建筑相比有顯著不同。

1.2 數(shù)據(jù)中心升級(jí)頻率(技術(shù)刷新率)

相比于大多數(shù)商業(yè)建筑物，數(shù)據(jù)中心的升級(jí)頻率要大得多。數(shù)據(jù)中心的升級(jí)改變了暖通空調(diào)負(fù)荷的大小，這就更進(jìn)一步加劇了兩種建筑之間的差異。

1.3 數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷指標(biāo)

典型的數(shù)據(jù)中心在50～200 W/ft2(538～2152 W/m2)，然而一些數(shù)據(jù)中心可能會(huì)超過(guò)1000 W/ft2(10764W/m2)。

1.4 數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的選擇

數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)形式及冷卻介質(zhì)與舒適性空調(diào)冷卻系統(tǒng)可以有很大的不同。另外，冷卻系統(tǒng)全年負(fù)荷設(shè)計(jì)變量必須要考慮不同的氣候區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)中心設(shè)備環(huán)境的要求

2.1 中美環(huán)境條件要求的對(duì)比

根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》，A類和B類機(jī)房的主機(jī)房溫度要求保持在23±1℃。ANSI/TIA-942-2005TelecommunicationsInfrastructureStandardforDataCenters中規(guī)定冷通道溫度為20～25℃，美國(guó)采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)2008年新的機(jī)房冷通道溫度已經(jīng)從2004年的20～25℃調(diào)整為18～27℃。

由于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的主機(jī)房溫度沒(méi)有指定是機(jī)柜前的進(jìn)風(fēng)溫度，所以實(shí)際項(xiàng)目中常常出現(xiàn)冷氣短路自循環(huán)和機(jī)房?jī)?nèi)溫度低于24℃，處于過(guò)度制冷狀態(tài)?，F(xiàn)代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備適用的溫度在10～35℃，相對(duì)濕度20% ～80%，最大露點(diǎn)溫度為22℃，溫度變化率低于5℃/h，相對(duì)濕度的變化率小于5%/h，無(wú)凝結(jié)現(xiàn)象都可以正常運(yùn)行。因此可以提高空調(diào)的送風(fēng)溫度，從而提高運(yùn)行效率，降低冷卻能耗。表1給出了典型數(shù)據(jù)中心主機(jī)房設(shè)計(jì)參數(shù)的發(fā)展變化。

表1 ASHRAE 2004與ASHRAE 2008熱環(huán)境參數(shù)包絡(luò)區(qū)推薦數(shù)據(jù)比較Table 1 Compared with the recommended parameters data envelope region of thermal environment in ASHRAE 2004＆ASHRAE 2008

2.2 美國(guó)ASHRAE 2008設(shè)備環(huán)境要求

表2 ASHRAE 2008設(shè)備環(huán)境要求Table 2 Equipment for environmental requirements in ASHRAE 2008

表2中規(guī)定的運(yùn)行環(huán)境要求是基于電子硬件的可靠性，尤其是以下幾點(diǎn):

1)高相對(duì)濕度將影響電子部件的故障率。相對(duì)濕度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電陽(yáng)極故障、吸濕性粉塵故障、磁帶介質(zhì)故障等。

2)電子設(shè)備很容易受靜電釋放的損害，而房間內(nèi)的磁帶產(chǎn)品和介質(zhì)在低相對(duì)濕度的條件下可能出現(xiàn)差錯(cuò)。

3)高溫會(huì)影響電子設(shè)備的可靠性和壽命。

4)放置電子設(shè)備的房間溫度越低，HVAC設(shè)備所需要的能量消耗越大。

2.3 美國(guó)ASHRAE 2008環(huán)境等級(jí)的定義

數(shù)據(jù)中心設(shè)備符合具體的環(huán)境等級(jí)需要，在無(wú)故障的基礎(chǔ)上、在整個(gè)允許的環(huán)境范圍內(nèi)全性能運(yùn)行。

在歐陽(yáng)修的文學(xué)創(chuàng)作中，散文所取得的成就最高，影響也最大。經(jīng)世致用的思想，充分反映在他具體的散文創(chuàng)作中，切于人事，對(duì)社會(huì)世事表現(xiàn)深切的關(guān)懷，順于人情，以文章抒發(fā)人情，以道德感化人情，文道并重，是散文的經(jīng)世致用觀念與散文的藝術(shù)美感相結(jié)合下的產(chǎn)物。

表2中的等級(jí)具體定義和說(shuō)明如下:

1級(jí):數(shù)據(jù)中心具有嚴(yán)格受控的環(huán)境參數(shù)且運(yùn)行任務(wù)重要;在此環(huán)境中所用的產(chǎn)品類型是企業(yè)服務(wù)器和存儲(chǔ)產(chǎn)品。

2級(jí):通常是對(duì)某些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制的典型的信息技術(shù)房間、機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室;在此環(huán)境中使用的產(chǎn)品類型是小型服務(wù)器、存儲(chǔ)產(chǎn)品、個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站。

3級(jí):通常是對(duì)環(huán)境參數(shù)(僅溫度)稍加控制的辦公室、居家或可移動(dòng)環(huán)境;在此環(huán)境中使用的產(chǎn)品是個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站、筆記本電腦和打印機(jī)。

4級(jí):通常是能防風(fēng)雨、冬季采暖充足、有通風(fēng)的銷售點(diǎn)、輕工業(yè)或工廠環(huán)境;在此環(huán)境中使用的產(chǎn)品類型是銷售點(diǎn)中的設(shè)備、較粗糙的控制器或計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)碼產(chǎn)品等。

2.4 海拔高度的影響

據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)的人都居住在海拔3000 m以下，因此，1～4級(jí)的最大海拔高度選擇在3050 m。

規(guī)定最大的干球溫度隨高度的增加而下降，目的是在能補(bǔ)償因海拔高度很高導(dǎo)致空氣冷卻性能降低的情況下確定可接受的環(huán)境限值。不同環(huán)境下干球溫度、海拔高度和空氣密度的關(guān)系可參見(jiàn)圖1。

圖1 溫度與海拔高度關(guān)系圖Fig.1 Temperature and altitude graph

3 冷負(fù)荷確定的適用性

在傳統(tǒng)的商業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)常用到這樣一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)FF＆E，即家具、固定裝置和設(shè)備，電腦及其他IT設(shè)備被歸為FF＆E的范疇。也被稱為冷負(fù)荷計(jì)算中的插頭負(fù)荷。

但在數(shù)據(jù)中心，電腦本身才是使用者。然而，設(shè)計(jì)背后更精確的驅(qū)動(dòng)力實(shí)際上是在計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的應(yīng)用軟件。因此，軟件成為了使用者，而硬件變?yōu)镕F＆E。插頭負(fù)荷可以作為一個(gè)應(yīng)用軟件的功能變化為使用配置文件、配置等等

軟件在一定基礎(chǔ)上進(jìn)行頻繁升級(jí)和改變。比如，在過(guò)去的12 a里經(jīng)歷了5個(gè)版本的微軟Windows操作系統(tǒng)(也就是說(shuō)，平均每個(gè)版本歷經(jīng)不過(guò)2.5 a，這只是一個(gè)基本的操作系統(tǒng)還不是應(yīng)用程序)。一個(gè)應(yīng)用程序可能更加頻繁(Adobe Acrobat在19 a里有10個(gè)版本，換句話說(shuō)每個(gè)版本1.9 a)。

這種快速的軟件升級(jí)路線圖本質(zhì)上是在數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建一個(gè)高變量的占用。其連鎖反應(yīng)就是每個(gè)軟件的變化結(jié)果可能需要不同的(通常是更高的)硬件要求，以及改變數(shù)據(jù)中心的電源及冷卻設(shè)計(jì)參數(shù)。

硬件的變化通常不像軟件那樣迅速，但是多種軟件應(yīng)用程序并行升級(jí)所帶來(lái)的復(fù)合影響使得一定頻率的硬件升級(jí)是必要的，有時(shí)硬件升級(jí)頻率也只是略微滯后于軟件的升級(jí)頻率(比如3～5 a的硬件更新)。

從歷史上看，計(jì)算機(jī)硬件性能每過(guò)18個(gè)月就會(huì)翻一番，這被稱為摩爾定律。因此每3～5 a的硬件更新所帶來(lái)的結(jié)果是計(jì)算性能的大幅提升，以鞏固計(jì)算需求，但是與此同時(shí)也會(huì)帶來(lái)負(fù)荷的增加。

因此，數(shù)據(jù)中心的電力和冷卻系統(tǒng)與其他類型的建筑或項(xiàng)目相比就需要更高的響應(yīng)速度以及更大負(fù)荷變化，以適應(yīng)其快速和顯著的變化。不同類型的數(shù)據(jù)中心其軟件類型和配置差異也很大，因此硬件刷新策略也不同，電源和冷卻系統(tǒng)的適應(yīng)性要求也千差萬(wàn)別。

數(shù)據(jù)中心的硬件或使用者與人類使用者具有不一樣的熱指標(biāo)需求。數(shù)據(jù)處理環(huán)境的熱指標(biāo)由TC 9.9規(guī)定，包括關(guān)鍵任務(wù)實(shí)施、空間技術(shù)、電子設(shè)備，并介紹了不同類別的硬件以及他們所推薦和允許的操作環(huán)境范圍，這與ASHRAE Standard 55所規(guī)定的人類舒適環(huán)境有很大的區(qū)別。這些巨大的差異會(huì)產(chǎn)生不同的暖通空調(diào)應(yīng)用和操作。

數(shù)據(jù)中心的功率密度(由于它們的冷負(fù)荷)有持續(xù)向上的趨勢(shì)。雖然功率密度持續(xù)上升，計(jì)算機(jī)的容量/性能(Moore's Law)以更大的速率上升，意味著需要提高能源/性能(Koomey's Law)。只要性能/瓦隨著密度的增加而增加，計(jì)算密集型應(yīng)用的上升趨勢(shì)極有可能將持續(xù)下去。

許多冷卻系統(tǒng)預(yù)計(jì)運(yùn)行15～25 a，這就意味著今天設(shè)計(jì)并安裝的冷卻系統(tǒng)將會(huì)經(jīng)歷3～5代IT硬件設(shè)備，比如服務(wù)器。因此，描繪出今天的和整個(gè)冷卻系統(tǒng)工作周期內(nèi)的每一代IT設(shè)備的負(fù)荷曲線是非常重要的。由于IT能力要求及技術(shù)更新引起的負(fù)荷增長(zhǎng)以及不同的數(shù)據(jù)中心所使用的軟件應(yīng)用程序的負(fù)荷曲線的巨大差異使問(wèn)題更加嚴(yán)重。

4 總結(jié)

本文主要介紹了針對(duì)地面建立的數(shù)據(jù)中心允許和推薦的環(huán)境工況，在實(shí)際應(yīng)用中，如果設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在推薦值范圍之外運(yùn)行，尤其運(yùn)行在接近允許運(yùn)行環(huán)境的極端值時(shí)，可能導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低和壽命縮短。設(shè)備功率密度很高，在不斷降低數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗的同時(shí)，應(yīng)該合理的做出努力將工況控制在推薦范圍內(nèi)。

［1］BEATY Don.Data Centers＆ Cooling［J］.ASHRAE Journal’s SHOW DAILY，2014(1):28.

［2］RASMUSSEN Neil.Power and Cooling Capacity Management for Data Centers［J］.Facilities Engineering Journal，2013(9/10):14-17.

［3］ASHRAE TC9.9.數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南［G］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

單 莉，女，大連冷凍機(jī)股份有限公司空調(diào)設(shè)計(jì)部部長(zhǎng)，高級(jí)工程師。1991年畢業(yè)于中國(guó)紡織大學(xué)的供熱通風(fēng)與空調(diào)專業(yè)，專業(yè)工作方向?yàn)楦黝惤ㄖ?、食品加工廠等空調(diào)系統(tǒng)、區(qū)域能源站供熱供冷系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。