IDC機房空氣質量檢測評估和凈化

丁 聰 沈 巍 黃 赟

1 上海郵電設計咨詢研究院有限公司 上海 200092

2 中國移動通信集團上海有限公司 上海 200092

引言

伴隨著大數據時代的到來，互聯網數據中心(Internet Data Center，IDC)作為支撐云計算服務和移動互聯網業務的重要基礎設施，面臨著廣闊的發展前景。IDC數據中心不斷朝著超大規模、高度集中方向快速發展，對機房內IT設備運行環境的要求也越來越苛刻。

近年來，由于空氣污染導致機房IT設備運行不正常的情況不斷發生，設備壽命下降、板件腐蝕、狀態異常、耗能增加、故障頻發、損壞率上升等。

據不完全統計，空氣污染是影響機房內IT設備持續健康運轉的頭號“硬件殺手”，空氣污染所造成的影響，均是大面積、隱形和緩慢累積的，誘發的故障涉及整個機房。

如何有效及時地檢測機房內空氣質量，評估機房空氣中有害物的危害程度，根據檢測結果和機房的具體情況，實施空氣凈化方案，觀察效果，持續改進，確保機房空氣質量良好，提高整個機房系統的可靠性和可用性，在機房運維中越來越重要。

1 IDC機房空氣質量對設備的影響

機房空氣質量是IT設備正常運行的前提，影響機房空氣質量的因素主要是以下三個方面。

1) 空氣潔凈度(含塵濃度)。IT設備工作時，會產生一定的靜電和磁場，再加上風扇運轉產生的吸力，會使室內懸浮在空氣中的塵埃顆粒吸進設備內部，形成靜電吸附。導電性的塵埃會使絕緣材料的絕緣性能降低甚至短路，絕緣性的塵埃會使金屬接插件或金屬接點接觸不良，應采取措施減少機房內空氣的含塵濃度，提高空氣潔凈度。

2) 腐蝕性氣體濃度。機房內腐蝕性氣體(特別是硫化氫和二氧化硫)的存在，會腐蝕正在運行的設備板件(特別是鍍銀的重要電路板件)，日積月累，電路板中的銀和銅腐蝕產生的衍生物逐漸在電路板上蔓延，形成所謂的“蠕變腐蝕”現象，“蠕變腐蝕”發展到一定程度會造成電子線路短路、斷路、變形或失效，造成設備故障，影響到業務運行，甚至造成嚴重的安全事故。

3) 相對濕度。在相對濕度偏低的情況下，易造成靜電吸附，不但會影響交換機和其他通信設備的運行壽命，而且容易造成嚴重通信故障(灰塵落在設備上還會影響正常散熱，造成短路，導致嚴重的安全隱患)；在相對濕度大于80%的情況下，會加劇金屬板件腐蝕，縮短設備壽命，導致故障發生。

空氣品質不良造成的設備故障涉及面廣、發現難度大、處理周期長，破壞性強，根治困難，損失難以估量。

2 IDC機房空氣質量檢測技術

2.1 機房空氣潔凈度檢測

《GB 50174-2008電子信息系統機房設計規范》中規定：主機房的空氣含塵濃度，在靜態條件下，每升空氣中大于或等于0.5μm的塵粒數，應少于18 000粒(相當于潔凈度8.7級)[1]。IDC數據中心主機房內機柜通常采用冷熱通道分開設置的方式布局，空氣含塵濃度以冷通道的測量參數為主。目前，業內普遍采用激光粒子計數法進行空氣含塵濃度檢測。

激光粒子計數器基于光散射原理設計制造，由光源、采樣管、測量腔、光檢測器、流量監控、氣泵及過濾器、電路系統等部件構成，能實時測量空氣中塵埃粒子的尺寸與顆粒數濃度。

測量應在IDC數據中心主機房空調系統正常運行狀態下進行，50m2及以下的主機房區域內選擇對角線交點及其四分點共5個檢測點，每增加20m2～50m2，增加3～5個檢測點，將計數器的采樣管口正對氣流方向，測試人員站在采樣管口下風側，對每個檢測點連續三次測試，取其平均值為該檢測點的實測空氣含塵濃度。

激光含塵粒子計數器具有測量精度高、速度快、使用方便、便于攜帶等特點，機房運維人員可隨時隨地對機房內某一位置空氣含塵濃度進行測量和記錄，但難以實現24小時連續不間斷的、較大范圍的檢測。

2.2 機房內腐蝕性氣體濃度檢測

2.2.1 分光光度檢測法

機房內空氣中的腐蝕性氣體濃度一般很低，其主要危害是在潮濕環境中會加快金屬部件的腐蝕。目前業界對空氣中SO2、H2S、Cl2、NOx、甲醛等氣體含量的檢測方法主要采用分光光度法進行即時性檢測。1）SO2采用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法[2]。2）H2S采用亞甲藍分光光度法[3]。3）Cl2采用甲基橙分光光度法[4]。4）NOx采用鹽酸萘乙二胺分光光度法[5]。5）甲醛采用酚試劑分光光度法[6]。

檢測時，依據標準分別準備吸收瓶、吸收液等，在主機房區域內均勻選擇檢測點，對每個檢測點采樣5份空氣樣品，分別進入對應的吸收液中，根據生成化合物顏色或吸收液顏色減弱的程度進行吸光度測定或比色定量計算，從而得出各種污染氣體的濃度。采用分光光度檢測法的時效性很強，只能檢測采樣時采樣區域的氣體成分，如果當時污染源沒有散發出有害氣體或者散發量降低的話，檢測數據就不具備代表性；運維人員也無法24小時不間斷地檢測。

2.2.2 銅片腐蝕增重法

考慮到分光光度檢測法的時效性，實際運維檢測中，需要有一種適合于機房持續檢測的方法，目前業內也常采用銅片(或鍍銀板)腐蝕前后增重對比的方法來表征機房內空氣質量。腐蝕增重法簡單直觀、經濟適用，其缺點是時間較長，可與分光光度檢測法有機結合起來，在檢測初期在機房的較大范圍內布置銅片，一段時間后觀察銅片表面腐蝕程度情況，對銅片腐蝕嚴重的機房區域再使用分光光度法進行定量測量，這樣更有針對性，避免了盲目選點，可有效節約檢測費用。

檢測前選取相同尺寸、厚度、材質的正方形銅片若干，四角打孔用于細線懸掛，洗凈，去除表面臟污和氧化物，氣槍吹干，雙面研磨拋光，稱重記錄，細線貼上標簽編號。選取空調機房空調設備區域、最里面抽風口、頂部出風口、主機房回風口、架空地板下方出風口、冷通道內、部分機柜內，用細線懸掛布置處理過的銅片，記錄懸掛日期并拍照，一個月后取回對比銅片表面腐蝕變色變黑情況，稱重記錄。

2.2.3 ECM環境腐蝕監測儀

近年來，市面上已有成型的環境腐蝕實時監測儀，能夠連續測量并顯示出空氣的腐蝕速率、相對濕度、溫度、壓差、ISA環境等級等參數，內置多種傳感器、銅片或銀片試片和數據記錄器，靈敏度高，可實時觀測或通過接口與監控系統平臺相連輸出數據進行分析。腐蝕速率按ISA環境等級由不同顏色的指示燈顯示，可發現環境空氣劣化趨勢，以便及時對環境要求較敏感的IT設備建立和實施保護措施。

2.3 機房空氣相對濕度檢測

IDC數據中心機房內溫濕度環境監控系統早已成為監控系統平臺的標準配置模塊之一，濕度檢測普遍采用濕度傳感器。

2.3.1 電信號濕度傳感器

濕度傳感器普遍采用電信號傳感器，包括傳統的電容式、電阻式等，通常在IDC數據中心機房內每條冷通道、熱通道內適當位置均勻布置3～5個電信號濕度傳感器，用于實時測量所在點位的環境濕度，通過組網送至監控中心，可在監控系統平臺3D視圖上實時顯示，并可設定告警閾值。電信號濕度傳感器測量精度高、響應速度快、信號易于處理和控制，但存在單點測量范圍小、布線復雜、易損壞、維護工作量大等局限性。

2.3.2 光纖式濕度傳感器

近年來，國際上很多學者在基于光纖作為載體進行分布式濕度傳感測量技術上做了大量的研究，各種光纖式濕度傳感器迅速發展起來。

基于分布式光纖測濕度的基本工作原理是，在光纖外表面涂覆濕膨脹線性度好的材料作為濕敏薄膜，當不同濕度的空氣與濕敏薄膜接觸后，濕敏薄膜的光學參數會發生改變，通過測量濕敏薄膜光學參數的變化即可獲得相應的濕度。

將分布式傳感光纖敷設或盤繞在IDC機房內每條通道內部、重要設備機柜外圍，實現對光纖沿線濕度分布數據實時準確的信息采集。IDC機房監控系統平臺通過處理采集到的濕度信息，結合機房3D建模和CFD模擬技術生成一套實時的、連續的機房濕度分布的3D視圖，便于維護人員直觀監控機房內空氣相對濕度情況。

光纖式濕度傳感器相對于傳統的濕度傳感器有很多優勢，光纖布放靈活、體積更小、穩定性好，不受電磁干擾和輻射影響；濕度測量范圍較寬、響應速度快、濕滯回差小、靈敏度高、溫度系數小，比較易于進行溫度補償，壽命長，且復用功能強，非常適合作為機房空間多點長期監測的濕度傳感器。

3 IDC機房空氣凈化技術

空氣塵埃和腐蝕性氣體污染源分為機房外部引入和機房內部釋放兩種情況。機房外部引入是機房周邊有污染性工業或大氣粉塵，由新風系統引入機房內部造成的污染。機房內部釋放是機房的裝修材料或其他設備或進出人員釋放出的粉塵和硫化氣體。

3.1 從建設層面降低空氣污染

IDC數據中心在規劃初期，應合理選址，充分考慮周邊環境情況，遠離產生粉塵、油煙、有害氣體以及生產或貯存具有腐蝕性、易燃、易爆物品的場所，例如冶煉廠、煤礦、化工、橡膠、電鍍、食品、皮革加工廠、禽畜飼養場、化肥倉庫、塵土飛揚的道路、沙石廠等；選址還應遠離海邊、鹽湖邊；若無法避開這些污染源，則機房一定要選在污染源的常年上風向[7]。

在IDC數據中心局房外圍盡量減少門窗數量，主機房不宜設置外窗，在通風口布置過濾網；形成全封閉式機房，把機房內的設備同惡劣的外部環境隔離開，使外界污染空氣不會從門窗的縫隙或其它縫隙進入機房。

3.2 從管理層面降低空氣污染

IDC數據中心應在主機房完成設備安裝、調試結束后進行保潔工作。主機房內應整潔、無雜物；對門窗和地板、地面進行清潔；對空調、機柜及設備外表清潔；對網絡設備，特別是設備電源和風扇進行除塵。

設置合理的除塵周期，定期組織專業的清洗工程人員對處在正常運轉狀態下的通信設備進行帶電清洗。

機房應配備專用工作服和拖鞋，并經常清洗。進入機房的人員必須更換專用拖鞋或使用鞋套，盡量減少穿著纖維類或其他容易產生靜電附著灰塵的服裝進入。

同時，還要嚴格控制機房空氣濕度，避免空氣濕度過大使金屬部件產生銹蝕和短路。

3.3 從技術層面降低空氣污染

機房內空氣塵埃的過濾原理主要有擴散作用、慣性作用、攔截作用、篩分效應、靜電作用等。

機房內空氣腐蝕性氣體的凈化原理主要有吸附作用、光催化、負離子等。其中吸附作用分為物理吸附和化學吸附；物理吸附通過范德華力在吸附劑載體表面吸附氣態污染物使之進入載體內的孔洞中，在低溫低濕的環境中，吸附效果較好；化學吸附具有選擇性，被吸附氣態污染物在吸附劑表面進行化學反應生成無害的無機鹽形式并留存在吸附劑的孔洞內。

3.3.1 高壓靜電過濾網除塵系統

當前IDC數據中心普遍采用專用空調空氣過濾網進行除塵，綜合考慮風機壓降、空氣過濾效率以及能耗等因素，建議選擇低阻力、過濾效率高、采用靜電原理的高壓靜電兩段板式過濾網。

高壓靜電兩段板式過濾網，根據高壓靜電吸附的凈化原理，采用二段板式高壓電子集塵室裝置，利用紫外線、納米光催化、負氧離子等技術為輔助手段，采用三級過濾的方式實現氣、固分離，徹底過濾空氣中的顆粒物、微生物，可有效控制機房內空氣潔凈度。

與傳統的粗中效滌綸過濾網方式相比較，高壓靜電設備過濾效率更高，亦可以減少機房空調系統的電能損耗；但是，其設計、安裝、運行、維護都需要配合專用空調CRAC系統建設，工程實施較為復雜。

3.3.2 高效空氣化學過濾凈化系統

高效空氣化學過濾凈化系統采用化學吸附的原理，凈化器模塊內的化學媒介具有超高比表面積，多級、高效的自循環結構，內置多種化學吸附媒體組合，可在腐蝕性氣流通過的保留時間內，與氣體發生氧化還原、中和反應，從而過濾掉腐蝕性氣體，同時也能有效去除空氣中的顆粒物，從而保證進入主機房區域的空氣質量潔凈。

空氣依次通過凈化系統底部進風口，初效空氣過濾器、前置模塊化學過濾器、前置中效空氣過濾器、風機段、后置模塊化學過濾器、后置中效空氣過濾器、PTFE高效空氣過濾器，頂部出風口；多樣化的模塊組合系統配置可以滿足不同的特定條件和需求并可以靈活組合；組合媒體段允許單個濾料媒體箱更換，使維修不再需要更換整個媒體段而僅僅是消耗的單個部分，達到使用最佳性價比[8]。

由于機房內的空氣相對戶外空氣比較潔凈，可對機房的空氣進行過濾重復循環，通過自循環高效空氣化學過濾凈化以期達到更為優化的環境。

3.3.3 模塊式新風過濾機組系統

初效、中效可采用獨立的模塊式新風過濾機組系統，可在入風口加裝活性炭、離子樹脂等活性或化學過濾器，確保向機房內部持續輸入新鮮、過濾好的空氣，維持機房內形成正壓狀態，保證機房外的腐蝕性氣體無法侵入，有效地保護機房內精密設備及元件，更好地保證機房的潔凈度和正常運行。

4 結束語

隨著IDC數據中心機房建設規模越來越大，IT設備的數量越來越多，運維管理也變得越來越復雜，為降低機房內空氣污染引發的故障隱患，必須完善IDC數據中心機房內空氣質量的檢測評估和凈化手段。

本文介紹了IDC數據中心機房內由于空氣污染導致的靜電和蠕變腐蝕等問題，針對空氣潔凈度介紹了激光含塵粒子計數檢測法，針對腐蝕性氣體濃度介紹了分光光度檢測法和ECM環境腐蝕監測儀，針對空氣相對濕度介紹了傳統的電信號傳感器和尚在發展階段的光纖測濕度法。基于現狀，從建設、管理、技術等層面分別提出IDC數據中心空氣凈化的方案和措施，為IDC數據中心機房運維管理提供參考，以期改善IT設備運行環境，減少因空氣污染導致的IT設備故障率。

參考文獻

[1] GB 50174-2008電子信息系統機房設計規范[S].中國計劃出版社,2009

[2] GB/T 15262-1994環境空氣 二氧化硫的測定 甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法[S].中國標準出版社,1994

[3] GB/T 11742-1989居住區大氣中硫化氫衛生檢驗標準方法 亞甲藍分光光度法[S].中國標準出版社,1989

[4] GB/T 11736-1989居住區大氣中硫酸鹽衛生檢驗標準方法 離子色譜法[S].中國標準出版社,1989

[5] HJ 479-2009環境空氣 氮氧化物(一氧化氮和二氧化氮)的測定 鹽酸萘乙二胺分光光度法[S].中國環境科學出版社,2009

[6] GB/T18024.26-2000公共場所空氣中甲醛衛生檢驗標準方法[S].中國標準出版社,2000

[7] 唐智文,王強.通信機房潔凈度檢測及凈化探討[J].通信電源技術,2013(6):114-117

[8] 劉曉彤,周海健,張建國.淺談高效空氣化學過濾凈化器在數據中心機房的應用[EB/OL].http://www.jifang360.com/news/2012517/n030436396.html.2012-05-17

[9] 邱耀雄,何建宗,張玉宇,等.3類空調過濾網凈化室內空氣效果的比較[J].城市環境與城市生態,2013(1):1-4

[10] 孫蘭.電子信息系統機房運行維護環境檢測及評價方法研究[EB/OL].[2015-08-02].http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10056-1013006344.htm

[11] 曾傳卿.光纖濕度傳感器研究進展[J].計測技術,2010(S1):11-15