数据中心用空调系统设计探讨

曾伟

奥意建筑工程设计有限公司

随着互联网与信息技术的发展，数据中心存储的数据量和处理能力持续增长，导致数据中心的发热密度越来越大，数据中心的能耗也越来越大。关于国内数据中心的能耗占全社会总能耗的比例尚缺少准确的调查数据，据我国工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局《关于印发国家绿色数据中心试点工作方案的通知》指出：近年来，我国数据中心年耗电量超过全社会用电量的1.5%[1]。目前在各类媒体和文献资料中提到的一种说法是，我国数据中心的能耗已占全社会能耗的2%，占全国建筑能耗的10%。在预计未来10年内，数据中心的能耗无论是在成本方面还是在环境影响方面都将增加三倍。而数据中心的能耗中，空调设备的耗电量是仅次于IT设备的。根据ASHRAE统计，在美国，供数据中心使用的空调耗电量占总耗电量的比例最小为20%，最大达50%。我国数据中心的PUE水平比美国的还低，显然，我国数据中心用空调设备的耗电量占数据中心总耗电量的比例要高于美国的平均水平[2～4]。

1 数据中心定义及分级

目前我国数据中心设计的主要依据为《数据中心设计规范》GB50174-2017。该规范对数据中心的定义为：为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，可以是一栋或几栋建筑物，也可以是一栋建筑物的一部分，包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。

数据中心的分级直接影响到数据中心的经济性、安全性和可靠性。我国《数据中心设计规范》GB50174-2017根据数据中心的使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度将数据中心分为A、B、C三个等级，详见表1。从表1中可以看出，级别最高的为A级，B级次之，C级级别最低。不同级别的数据中心，其基础设置的配置也不一致：A级数据中心的基础设施宜按容错系统配置，在电子信息系统运行期间，基础设施应在一次意外事故后或单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统的正常运行；B级数据中心的基础设施应按冗余要求配置，在电子信息系统运行期间，基础设施在冗余能力范围内，不得因设备故障而导致电子信息系统运行中断；C级数据中心基础设施应按基本需求配置，在基础设施正常运行情况下，应保证电子信息系统运行不中断。

表1 GB50174-2017数据中心的分级

美国UI协会及美国TIA-942-B-2017标准对数据机房的分级详见表2和表3。从表2和表3中可以看出，随着数据机房的等级越来越高，数据机房的可靠性和安全性也越来越高。对基础组件的配置也越高。

表2 UI对数据机房分级

表3 TIA-942-B-2017标准对数据机房分级

2 不同级别数据中心空调系统的配置

为保障数据中心运行的可靠性，数据中心用的空调系统配置十分重要，不同级别的的数据中心，空调系统的配置也不相同，GB50174-2017、UI 及TIA-942-B-2017对数据中心空调系统设置的具体要求详见表4。

表4 GB50174-2017/UI/TIA-942-B-2017对数据中心空调系统的技术要求

由表4中可以看出，A级数据中心要求冷源和空调末端均采用双备份的形式，两路系统互相独立，其中某路空调系统出现故障后，启动另一路空调系统，保证数据中心的正常运行，建议A级数据中心空调系统的配置详见图1。B级数据中心要求冷源和空调末端采用N+1的冗余方式。在空调系统中，某台主机或空调末端出现故障时，启动备用机组，保证数据中心的正常运行。为保证冷冻水供水的连续性，避免单点故障影响空调系统的正常运行，冷冻水供回水管路建议采用环形管网的设置方式，在管路某点出现故障后，仍然能保证空调系统的正常运行，水系统干管管路上的阀门采用双阀门的设置方式，降低因阀门的检修而影响空调系统的正常运行，B级数据中心系统的配置详见图2。C级数据中心要求冷源和空调末端满足基本需求即可，因C级数据中心的可靠性要求比A级和B级均低，为降低空调系统的初投资，C级数据中心单环路的设置方式，其空调系统的管路设置详见图3。

图1 A级数据中心空调系统配置

图2 B级数据中心空调系统配置

图3 C级数据中心空调系统配置

3 应急冷源设置

由表4可看出，为保证空调系统运行的可靠性，A级数据中心要求设置应急冷源。应急冷源是指在制冷主机不能正常供冷的情况下，提供数据中心所需空调的冷源，主要有两个作用：一是在两路电源切换时，冷水机组需重新启动，此时数据中心的空调冷源由应急冷源提供；二是供电中断时，数据中心设备由不间断电源系统供电时，此时空调冷源也由应急冷源提供。数据中心的应急冷源一般采用水蓄冷或冰蓄冷的方式，通过设置蓄冷罐，串联或并联在冷冻水环路中，当冷水主机突然中断时，通过蓄冷罐放冷，维持数据中心的正常运行。

《数据中心设计规范》GB50174-2017要求应急冷源的保证冷冻水供应的时间为：不应小于不间断电源设备的供电时间。笔者认为此规定有待商榷，需根据数据中心具体供电方式来确定应急冷源的保证时间。分为以下两种情况：

第一种情况：市政断电后，数据中心用电电源由不间断电源保证，应急冷源保证供冷的时间应不小于不间断电源设备的供电时间与冷水主机从再次启动到正常运行所需要的时间之和，这样能保证从不间断电源供电期间的任何时间点切换到市电时都能保证数据中心的冷源正常。

第二种情况：若在市政电源断电后，数据中心用电电源由柴油发电机提供，不间断电源只是保证柴油发电机从启动到正常供电这段时间的供电，此时应急冷源保证的时间以不间断电源设备的供电时间作为参考，是毫无意义的。应急冷源保证的时间应不小于柴油发电机从开始启动到正常运行的时间与冷水主机从再次启动到正常运行的时间之和。因柴油发电机是不经常使用的设备，为保证系统的可靠性，避免柴油发电机第一次启动不能正常开机，建议柴油发电机从开始启动到正常运行的时间按柴油发电机启动两次所需要的时间考虑。

4 数据中心空调系统末端

数据中心用的空调系统末端主要分为两大类：房间级机房空调和行级机房空调，房间级机房空调根据出风方式的不同，可分为上出风型房间级机房空调和下出风型房间级机房空调。机房空调末端形式的选择需根据数据中心设备的布置方式、设备的散热量及所需要的气流组织形式确定。数据中心常用的气流组织有下送上回、上送下回及侧送侧回的方式。对于数据中心单台机柜发热量大于4 kW的主机房，建议采用房间级机房空调架空地板下送风（上回风）方式或行级空调前送风（后回风）方式，并采取冷热通道隔离措施。对数据中心单台机柜的发热量较小（小于4 kW）的主机房，为降低初投资，可采用房间级空调上送风（下回风）方式。采用房间级机房空调和行级机房空调与数据中心机柜布置的相对位置关系详见图4、图5。

图4 房间级机房空调与服务器机柜的相对位置关系

图5 行级机房空调与服务器机柜的相对位置关系

5 结语

1）结合数据中心常用标准，对数据中心的分级进行了对比：随着数据中心的等级越来越高，数据中心的可靠性要求越来越高，对供数据中心配套用的基础组件的要求也越高。

2）根据《数据中心设计规范》GB50174-2017对不同等级数据中心空调配置的要求，提出了与数据中心等级相吻合的空调系统设置方案：A级数据中心冷源和空调末端均采用双备份的形式，两套系统独立设置；B级数据中心空调冷源和空调末端均采用N+1的形式，供回水管路采用环形管网的设置方式；C级数据中心空调冷源和空调末端满足基本需求即可。

3）数据中心应急冷源保证的时间需根据数据中心不同的配电方案确定：采用市电和UPS电源保证的数据中心，应急冷源保证的时间应不小于不间断电源设备的供电时间与冷水主机从再次启动到正常运行所需要的时间之和；采用市电和柴油发电机保证的数据中心，应急冷源保证的时间应不小于柴油发电机从开始启动到正常运行的时间与冷水主机从再次启动到正常运行的时间之和。

4）数据中心单台机柜发热量大于4 kW的主机房，采用房间级机房空调架空地板下送风（上回风）方式或行级空调前送风（后回风）方式，并采取冷热通道隔离措施；机柜发热量小于4 kW的主机房，可采用房间级空调上送风（下回风）方式。