某數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境測試分析

萬鑫 周朝瑜

無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院無錫輕大建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

隨著5G、云計算等新興技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，我國數(shù)據(jù)中心的數(shù)量隨之急速攀升，相應(yīng)的用電量也在急劇增加，對電力供應(yīng)提出新的挑戰(zhàn)。2018 年，我國在用數(shù)據(jù)中心的機架總規(guī)模為166 萬個，同比增長33.4%[1]。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國數(shù)據(jù)中心的年耗電量增速始終維持在12%以上，最高達16.8%，數(shù)據(jù)中心的高能耗不僅給機構(gòu)和企業(yè)帶來了沉重負擔(dān)，也造成了全社會能源的巨大浪費[2]。

數(shù)據(jù)中心既包括服務(wù)器等核心設(shè)備，即能源消耗的主體，也有不間斷電源、照明、冷卻等輔助設(shè)備。數(shù)據(jù)中心對環(huán)境要求極高，往往依賴空調(diào)、冷水機等設(shè)備來降溫，冷卻部分的用能占到輔助設(shè)施用能的60%以上。機房環(huán)境不僅直接影響數(shù)據(jù)中心的安全運行，且其環(huán)境設(shè)置與空調(diào)系統(tǒng)運行能耗緊密相連，因此數(shù)據(jù)中心運營時機房環(huán)境測試較為重要。

1 項目概況

無錫創(chuàng)新園內(nèi)某園區(qū)西區(qū)主要為數(shù)據(jù)機房區(qū)，包括A 棟柴油發(fā)電機樓，C、D 棟機房樓，E 棟控制中心。空調(diào)暖通系統(tǒng)總制冷量約53 兆瓦，空調(diào)暖通系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng)，制熱系統(tǒng)，加濕系統(tǒng)及新風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)備主要包括冷熱源設(shè)備，末端設(shè)備及管網(wǎng)設(shè)備等，采用風(fēng)冷冷水機組作為核心冷源，系統(tǒng)主要設(shè)施包括一次泵、二次泵、蓄冷罐、供水環(huán)網(wǎng)、回水環(huán)網(wǎng)、下送風(fēng)風(fēng)道、精密空調(diào)、列間空調(diào)、新風(fēng)機組、VRF、加濕器等。

被測機房為西區(qū)數(shù)據(jù)機房，該機房總面積為356 m2，機房內(nèi)共擺放機柜166 個，總功率為83.4 kW。數(shù)據(jù)機房內(nèi)設(shè)計溫度為23±3 ℃，相對濕度為50 ±5%。采用分散式空調(diào)系統(tǒng)，共設(shè)有4 臺同型號風(fēng)冷型機房專用列間空調(diào)，單臺額定制冷量為20 kW，風(fēng)量為5100 m3/h。室內(nèi)空調(diào)末端擺放位置與機柜平行，空調(diào)氣流組織形式為靜壓地板下送上回式，送入機柜服務(wù)器內(nèi)的風(fēng)量通過不同開孔率的地板進行調(diào)節(jié)。架空地板高250 mm，地板下平均風(fēng)速為2.5 m/s，總風(fēng)量為24000 m3/h。

2 機房溫濕度、潔凈度測試

2.1 測試目的、工具和測試條件

通過對數(shù)據(jù)機房空調(diào)環(huán)境進行測試，驗證機房空調(diào)系統(tǒng)是否達到設(shè)計標準，發(fā)現(xiàn)問題，為后期可靠運行及高效運行提供依據(jù)，其測試工具等如下表1 所示。

表1 機房測試目的、工具和測試條件匯總表

2.2 測試方法及相關(guān)要求

1）機房溫濕度測試方法

測試方法：（1）開機時的檢測應(yīng)在設(shè)備正常運行1 h 以后進行，停機時的檢測應(yīng)在設(shè)備停止運行4 h 以后進行。（2）測試點傳感器應(yīng)按要求擺放距離地面0.8-1.8 m，距設(shè)備表面大于0.5 m 以外處，并避開出、回風(fēng)口。（3）機房大于50 m2時，測試點按公式為N（L測試點）=A0.（5面積）計算四舍五入取整數(shù)。（4）對于采用冷熱通道的機房：①測試點選擇在兩排機柜之間的中心，距離地面0.8 m；每4 個機架位置至少設(shè)一個測試點，如圖1 所示；②以冷通道的測量數(shù)據(jù)為判定依據(jù)，熱通道的測量數(shù)據(jù)記錄備案僅作為參考[3]。

圖1 機房測試點位圖

2）機房潔凈度測試方法

測試時方法及注意事項如下：（1）所使用的塵埃粒子計數(shù)器，分辨率應(yīng)為1 粒。（2）采用光散射粒子計數(shù)法，對粒徑大于或等于0.5 μm 的塵埃粒子計數(shù)。（3）應(yīng)對測試房間和空調(diào)系統(tǒng)進行清掃，并應(yīng)在空調(diào)運行2 h 后進行測試。（4）采樣時采樣管必須干凈，連接處嚴禁滲漏。（5）計數(shù)器采樣管口的朝向應(yīng)正對氣流方向，對于非單向流的機房，采樣管口宜向上。（6）測試時，室內(nèi)人員應(yīng)盡量減少，且測試人員應(yīng)在采樣口的下風(fēng)側(cè)。（7）測試點應(yīng)平均分布在機房各個區(qū)域，每點測試時不少于1 分鐘。（8）每個測試點至少連續(xù)測量3 次，取其平均值的最大值作為最終測試數(shù)據(jù)。

3）相關(guān)參數(shù)要求：（1）冷通道或機柜進風(fēng)區(qū)域的溫度為18～27 ℃。（2）冷通道或機柜進風(fēng)區(qū)域的露點溫度為5.5～15 ℃，同時相對濕度不大于60%。（3）主機房環(huán)境溫度和相對濕度(停機時)為5～45 ℃和8%～80%，同時露點溫度不大于27 ℃[4]。（4）主機房的空氣含塵濃度，在靜態(tài)或動態(tài)條件下測試，每立方米空氣中粒徑大于或等于0.5 μm 的懸浮粒子數(shù)應(yīng)少于17,600,000 粒。

3 數(shù)據(jù)中心測試結(jié)果和分析

機房溫濕度及潔凈度測試結(jié)果如下表1、表2 所示。由測試結(jié)果可進行如下分析：

表2 機房溫濕度測試結(jié)果匯總表

表3 機房潔凈度測試結(jié)果匯總表

1）數(shù)據(jù)機房的環(huán)境溫度在23～25 ℃區(qū)間內(nèi)，與設(shè)計標準要求的環(huán)境溫度23±1 ℃對比，基本符合略有偏差。需要指出的是，本文所指機房環(huán)境溫度為冷通道內(nèi)的溫度，熱通道的測量數(shù)據(jù)僅作為參考。此外，筆者認為，如今服務(wù)器所能承受的環(huán)境溫度已經(jīng)有了較大的余地，有些設(shè)備甚至可以在無空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境下正常運行。因此達到設(shè)計標準的環(huán)境溫度23±1 ℃往往并不節(jié)能，增大空調(diào)系統(tǒng)能耗，使得后期空調(diào)系統(tǒng)運營成本過高。根據(jù)另一規(guī)范[3]，機房的溫度范圍可適當(dāng)放寬至18～27 ℃。據(jù)此判斷測點溫度數(shù)據(jù)對應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)工況合理。

如果測試過程中發(fā)現(xiàn)局部的熱點，不應(yīng)盲目增大空調(diào)設(shè)備制冷量來降低整個機房空間溫度，而應(yīng)根據(jù)實際服務(wù)器的功率進行氣流組織模擬，然后通過調(diào)整服務(wù)器的擺放位置或在局部設(shè)置一些隔熱卷簾等方法來優(yōu)化機房內(nèi)的氣流組織。實踐證明這些措施均能有效的解決局部熱點問題。

2）機房空氣相對濕度范圍為31%～35%。而制冷與空調(diào)工程協(xié)會的“數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱準則”建議濕度范圍為40%～55%，與此標準存在一定偏差。根據(jù)規(guī)定，開機時機房內(nèi)的環(huán)境環(huán)境濕度標準為：A 級45%～65%，B 級40%～70%，C 級30%～80%；一般通信機房的標準均應(yīng)達到A 級標準[5]。由此可見機房內(nèi)的相對濕度測試結(jié)果與A 級標準相比偏低。

濕度對計算機設(shè)備的影響非常明顯。當(dāng)相對濕度較高時，水蒸汽在電子元器件或電介質(zhì)材料表面形成水膜，容易引起電子元器件之間出現(xiàn)形成通路。當(dāng)相對濕度過低時，容易產(chǎn)生較高的靜電電壓。因此，對于機房相對濕度較低的情況應(yīng)開啟專用空調(diào)加濕器保證機房相對濕度滿足A 級標準要求[6]。

3）機房空氣含塵濃度基本在3000～4000 粒/L 之間，個別測試點超過了4000 粒/L。根據(jù)要求，A 級和B 級主機房的含塵濃度，在靜態(tài)條件下測試，每升空氣中大于或等于0.5 μm 的塵粒數(shù)應(yīng)少于18000 粒[7]。由此判斷測試數(shù)據(jù)滿足潔凈度要求。如果遇到沙塵天氣，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能存在積灰現(xiàn)象，不利于散熱，設(shè)備工作不穩(wěn)定。為了避免上述不良情況，應(yīng)重視機房防塵工作，具體措施為：對送入機房的新風(fēng)進行過濾。開向室外的門窗宜設(shè)置紗門、紗窗，外窗應(yīng)具有較好的防塵功能。定期打掃機房，清洗防塵網(wǎng)。工作人員進入機房前應(yīng)戴鞋套、穿防靜電工作服。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心建成正式運行前，空調(diào)系統(tǒng)機房環(huán)境測試是非常重要的一個環(huán)節(jié)。對空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)測試數(shù)據(jù)的分析可以提前發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)機房存在的隱患。運行維護人員可以通過針對性的措施來排除數(shù)據(jù)機房在運行時空調(diào)系統(tǒng)所造成的系統(tǒng)性風(fēng)險，同時可以幫助運維人員熟悉空調(diào)系統(tǒng)操作流程和運營規(guī)范，確保數(shù)據(jù)中心的安全運行。本項目空調(diào)系統(tǒng)機房環(huán)境測試為類似項目建設(shè)、運營提供了參考。