數據中心用空調系統設計探討

曾偉

奧意建筑工程設計有限公司

隨著互聯網與信息技術的發展，數據中心存儲的數據量和處理能力持續增長，導致數據中心的發熱密度越來越大，數據中心的能耗也越來越大。關于國內數據中心的能耗占全社會總能耗的比例尚缺少準確的調查數據，據我國工業和信息化部、國家機關事務管理局、國家能源局《關于印發國家綠色數據中心試點工作方案的通知》指出：近年來，我國數據中心年耗電量超過全社會用電量的1.5%[1]。目前在各類媒體和文獻資料中提到的一種說法是，我國數據中心的能耗已占全社會能耗的2%，占全國建筑能耗的10%。在預計未來10年內，數據中心的能耗無論是在成本方面還是在環境影響方面都將增加三倍。而數據中心的能耗中，空調設備的耗電量是僅次于IT設備的。根據ASHRAE統計，在美國，供數據中心使用的空調耗電量占總耗電量的比例最小為20%，最大達50%。我國數據中心的PUE水平比美國的還低，顯然，我國數據中心用空調設備的耗電量占數據中心總耗電量的比例要高于美國的平均水平[2～4]。

1 數據中心定義及分級

目前我國數據中心設計的主要依據為《數據中心設計規范》GB50174-2017。該規范對數據中心的定義為：為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分，包括主機房、輔助區、支持區和行政管理區等。

數據中心的分級直接影響到數據中心的經濟性、安全性和可靠性。我國《數據中心設計規范》GB50174-2017根據數據中心的使用性質、數據丟失或網絡中斷在經濟或社會上造成的損失或影響程度將數據中心分為A、B、C三個等級，詳見表1。從表1中可以看出，級別最高的為A級，B級次之，C級級別最低。不同級別的數據中心，其基礎設置的配置也不一致：A級數據中心的基礎設施宜按容錯系統配置，在電子信息系統運行期間，基礎設施應在一次意外事故后或單系統設備維護或檢修時仍能保證電子信息系統的正常運行；B級數據中心的基礎設施應按冗余要求配置，在電子信息系統運行期間，基礎設施在冗余能力范圍內，不得因設備故障而導致電子信息系統運行中斷；C級數據中心基礎設施應按基本需求配置，在基礎設施正常運行情況下，應保證電子信息系統運行不中斷。

表1 GB50174-2017數據中心的分級

美國UI協會及美國TIA-942-B-2017標準對數據機房的分級詳見表2和表3。從表2和表3中可以看出，隨著數據機房的等級越來越高，數據機房的可靠性和安全性也越來越高。對基礎組件的配置也越高。

表2 UI對數據機房分級

表3 TIA-942-B-2017標準對數據機房分級

2 不同級別數據中心空調系統的配置

為保障數據中心運行的可靠性，數據中心用的空調系統配置十分重要，不同級別的的數據中心，空調系統的配置也不相同，GB50174-2017、UI 及TIA-942-B-2017對數據中心空調系統設置的具體要求詳見表4。

表4 GB50174-2017/UI/TIA-942-B-2017對數據中心空調系統的技術要求

由表4中可以看出，A級數據中心要求冷源和空調末端均采用雙備份的形式，兩路系統互相獨立，其中某路空調系統出現故障后，啟動另一路空調系統，保證數據中心的正常運行，建議A級數據中心空調系統的配置詳見圖1。B級數據中心要求冷源和空調末端采用N+1的冗余方式。在空調系統中，某臺主機或空調末端出現故障時，啟動備用機組，保證數據中心的正常運行。為保證冷凍水供水的連續性，避免單點故障影響空調系統的正常運行，冷凍水供回水管路建議采用環形管網的設置方式，在管路某點出現故障后，仍然能保證空調系統的正常運行，水系統干管管路上的閥門采用雙閥門的設置方式，降低因閥門的檢修而影響空調系統的正常運行，B級數據中心系統的配置詳見圖2。C級數據中心要求冷源和空調末端滿足基本需求即可，因C級數據中心的可靠性要求比A級和B級均低，為降低空調系統的初投資，C級數據中心單環路的設置方式，其空調系統的管路設置詳見圖3。

圖1 A級數據中心空調系統配置

圖2 B級數據中心空調系統配置

圖3 C級數據中心空調系統配置

3 應急冷源設置

由表4可看出，為保證空調系統運行的可靠性，A級數據中心要求設置應急冷源。應急冷源是指在制冷主機不能正常供冷的情況下，提供數據中心所需空調的冷源，主要有兩個作用：一是在兩路電源切換時，冷水機組需重新啟動，此時數據中心的空調冷源由應急冷源提供；二是供電中斷時，數據中心設備由不間斷電源系統供電時，此時空調冷源也由應急冷源提供。數據中心的應急冷源一般采用水蓄冷或冰蓄冷的方式，通過設置蓄冷罐，串聯或并聯在冷凍水環路中，當冷水主機突然中斷時，通過蓄冷罐放冷，維持數據中心的正常運行。

《數據中心設計規范》GB50174-2017要求應急冷源的保證冷凍水供應的時間為：不應小于不間斷電源設備的供電時間。筆者認為此規定有待商榷，需根據數據中心具體供電方式來確定應急冷源的保證時間。分為以下兩種情況：

第一種情況：市政斷電后，數據中心用電電源由不間斷電源保證，應急冷源保證供冷的時間應不小于不間斷電源設備的供電時間與冷水主機從再次啟動到正常運行所需要的時間之和，這樣能保證從不間斷電源供電期間的任何時間點切換到市電時都能保證數據中心的冷源正常。

第二種情況：若在市政電源斷電后，數據中心用電電源由柴油發電機提供，不間斷電源只是保證柴油發電機從啟動到正常供電這段時間的供電，此時應急冷源保證的時間以不間斷電源設備的供電時間作為參考，是毫無意義的。應急冷源保證的時間應不小于柴油發電機從開始啟動到正常運行的時間與冷水主機從再次啟動到正常運行的時間之和。因柴油發電機是不經常使用的設備，為保證系統的可靠性，避免柴油發電機第一次啟動不能正常開機，建議柴油發電機從開始啟動到正常運行的時間按柴油發電機啟動兩次所需要的時間考慮。

4 數據中心空調系統末端

數據中心用的空調系統末端主要分為兩大類：房間級機房空調和行級機房空調，房間級機房空調根據出風方式的不同，可分為上出風型房間級機房空調和下出風型房間級機房空調。機房空調末端形式的選擇需根據數據中心設備的布置方式、設備的散熱量及所需要的氣流組織形式確定。數據中心常用的氣流組織有下送上回、上送下回及側送側回的方式。對于數據中心單臺機柜發熱量大于4 kW的主機房，建議采用房間級機房空調架空地板下送風（上回風）方式或行級空調前送風（后回風）方式，并采取冷熱通道隔離措施。對數據中心單臺機柜的發熱量較小（小于4 kW）的主機房，為降低初投資，可采用房間級空調上送風（下回風）方式。采用房間級機房空調和行級機房空調與數據中心機柜布置的相對位置關系詳見圖4、圖5。

圖4 房間級機房空調與服務器機柜的相對位置關系

圖5 行級機房空調與服務器機柜的相對位置關系

5 結語

1）結合數據中心常用標準，對數據中心的分級進行了對比：隨著數據中心的等級越來越高，數據中心的可靠性要求越來越高，對供數據中心配套用的基礎組件的要求也越高。

2）根據《數據中心設計規范》GB50174-2017對不同等級數據中心空調配置的要求，提出了與數據中心等級相吻合的空調系統設置方案：A級數據中心冷源和空調末端均采用雙備份的形式，兩套系統獨立設置；B級數據中心空調冷源和空調末端均采用N+1的形式，供回水管路采用環形管網的設置方式；C級數據中心空調冷源和空調末端滿足基本需求即可。

3）數據中心應急冷源保證的時間需根據數據中心不同的配電方案確定：采用市電和UPS電源保證的數據中心，應急冷源保證的時間應不小于不間斷電源設備的供電時間與冷水主機從再次啟動到正常運行所需要的時間之和；采用市電和柴油發電機保證的數據中心，應急冷源保證的時間應不小于柴油發電機從開始啟動到正常運行的時間與冷水主機從再次啟動到正常運行的時間之和。

4）數據中心單臺機柜發熱量大于4 kW的主機房，采用房間級機房空調架空地板下送風（上回風）方式或行級空調前送風（后回風）方式，并采取冷熱通道隔離措施；機柜發熱量小于4 kW的主機房，可采用房間級空調上送風（下回風）方式。