数据中心空调系统国内外设计标准的分析和探讨

朱滨，吴晓晖，聂志华

（中国建筑标准设计研究院有限公司）

1 引言

近年来，随着互联网、云计算、虚拟化等技术的快速发展，IT设备对能源的消耗越来越多。近期劳伦斯国家实验室的最新研究报告中显示：IT设备的耗电量已经占到美国总耗电量额的1.2%[1]，并呈逐年增加趋势。在这些能源消耗中，制冷系统是除IT设备之外的第二能源消耗大户，约占能源消耗总量的1/3[2]。

由此可见空调系统在数据中心的节能减排中占有重要地位，机房设计温度每升高1℃，空调系统可以节能3%～5%左右。目前，世界很多组织机构都制订了数据中心基础设施建设的标准，对数据中心空调系统都做了推荐规定，但要求不尽相同。本文就国内外标准对数据中心空调系统的要求进行对比和分析。

2 可靠性及可用性的要求

可用性（availability）是关于系统可供使用时间的描述，以丢失的时间为驱动（Be Driven By Lost Time）。可靠性（reliability）是关于系统无失效时间间隔的描述，以发生的失效个数为驱动（Be Driven By Number of Failure）。两者都用百分数的形式来表示。在一般情况下，可用性不等于可靠性，只有在没有宕机和失效发生的理想状态下，两者才一致。表1列举了国标《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174—2008）[3]和美国TIA标准，ANSI/TIA-942-A-2012[4]对数据中心空调系统的要求。

由表中可以看出国标和美国标准的每个级别都对空调系统的可靠性有所要求。从总体上来看，国标的A级和TIA标准的第Ⅲ级和第Ⅳ级的要求相对应，国标的B级与TIA标准的第Ⅱ级的要求相对应，国标的C级与TIA的第Ⅰ级的要求相对应。根据The Uptime institute对TIA等级的解释，对各级的阐述如下[5]。

1）第Ⅰ级基本级

Tier I 的基础设施提供一个最基本的设施环境，投入IT系统固定的空间，有UPS系统过滤电流尖峰和低谷，保证暂时断电设备能运行。保证制冷系统在正常工作时间不出现故障；设置发电机组，保证IT系统在供电系统出现故障时正常工作。

表1 空调系统可靠性和可用性的要求

表2 各规范标准对数据中心温湿度要求

2）第Ⅱ级部件冗余级

Tier Ⅱ在关键点元和空调的容量方面都有冗余，以保证基础的配置发生故障时能够正常的工作。备份的设备有UPS模块、制冷机组、散热装置、水泵、制冷单元和发电机等。一次正常的维修或者故障会导致系统容量的损失。

3）第Ⅲ级在线维护级

Tier Ⅲ的基础设施在Tier Ⅰ和TierⅡ之外提出了一个并行维护的概念。并行维护的意思是数据中心IT设备能够有计划地运行，而不受周围环境的影响。这在基础设施建设拓扑上的影响就是：相对于Tier Ⅱ，增加关键设备的制冷系统和供电系统，需要增加冗余的传送通道。可以对设备进行经常的或者基础的维护，使设备处于全新的水平。

因此，这个系统会像最初预设的一样可靠，可以按预测去运行。此外，为了同时维护数据中心基础设施和IT操作的能力，要求每一个系统或组件支持IT设备能够脱机进行在线维护，而不受环境的影响。这个概念延伸到重要的子系统，例如：控制系统，启动系统的发动机组，动力源、冷却设备、水泵泵，阀门等设备和部件。

4）第Ⅳ级容错级

TierⅣ级是在TierⅢ数据中心基础设施上增加容错的概念拓扑。类似于并行维护的概念，将容错延伸到每一个系统或每一个组件来支持IT运营。TierⅣ级认为，这每一个系统或每一个部件可在任何时候发生故障或非计划停运。TierⅣ定义是基于单个组件或路径故障的。

该级别的设计必须很好地考虑破坏系统和输送路径累计的影响。一个TierⅣ级的数据中心将容忍这些累积误差，而不影响机房的正常运行。

由此可以看出，美国TIA和Uptime Institute共同提出的TIA942标准，要求较为概念化，只是规定需要实现什么功能，建成之后系统能够如何去运行，关于怎么去实现，没有做强制的规定；而我国的标准要求较为具体，只规定了空调末端系统、冷源和配送系统应该去怎么备份。

3 温湿度的要求

比较有权威的对数据中心温湿度的要求和建议，有我国标准、美国TIA标准和美国ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）的TC9.9工作组提出的数据中心设备环境指南。对比可以发现，美国TIA标准对环境温度的要求完全按照美国ASHRAE环境分级的A1、A2标准进行规定，因为绝大部分的数据中心都是7×24小时不间断工作的，因此对于规范内规定的停机时候的参数不列出。

从表2可以看出，我国的国家标准要求较为严格，A级、B 级机房数据中心内的温度严格控制在(23±1)℃。相对湿度也要控制在一个较小的范围内。这和2005年版的TIA规范要求类似。这是因为之前的电子设备对环境的适应能力较弱，温度、湿度过低或过高都会影响IT设备的性能和寿命。但是，从表中可以看到，2012年版TIA规范中数据中心内的温度和湿度范围有了较大的扩展，不再要求那么精密，这是因为随着电子工业的不断发展，各大厂家都研发出新型产品，能够适应更宽泛的温度和湿度范围，由此降低了精密空调系统的设计精度；另一方面，能够提高数据中心的室内设计温度，对整个数据中心空调系统的节能有重要意义。相信今后我国也会推出对温湿度的要求有所放宽的数据中心的设计规范。

4 洁净度的要求

我国国家标准对洁净度的规定是：A级和B级机房的空气含尘浓度，在静态条件下测试，每升空气中大于或等于0.5μm的尘粒数应不少于18000粒。主要的实现方法是在新风系统中设置初效和中效过滤器，并且维持主机房的正压，主机房与其他房间及走廊的压差不宜小于5Pa,与室外静压差不宜小于10Pa。美国的TIA规范中，TireⅠ级别的主机房对保持正压没有要求，其他级别的主机房需要与附属房间或机房外保持正压。

5 其他要求

美国TIA规范还规定每一个级别的机房需要有排水管道，我国相应的国家规范也有相应的规定。除此之外，我国国家标准对机房建设的规定更为具体，更有指导性。比如，建议气流组织形式、根据不同的条件推荐采用不同的节能措施、设备冗余量的推荐等。这对我们进行机房的实际设计有更好的指导意义。

6 结束语

本文主要对比分析了中外主要机构相关规范对数据中心空调系统的要求，最后得出以下结论：

1） 关于可靠性的要求，美国TIA规范更注重于规定结果，实现什么功能，更有利于设计人员采用不同的技术方案达到预期目标，而我国的标准更注重于关注具体操作方法，更有利于现实的设计操作；

2） 关于温湿度的规定，随着电子产业的发展，对温湿度的要求将越来越宽泛，对数据中心的节能有重要意义；

3） 对于洁净度的要求，我国国家标准的要求较为具体，而美国TIA规范则只要求主机房需要保持正压；

4） 除上述之外，我国国家标准还要求了其余一些建议性的规定，而美国的TIA规范没有此方面的规定。