張洪

摘要：隨著高熱密度數字中心的不斷發(fā)展，對于機房的溫度、濕度要求更高，新型的服務器能夠工作在最佳環(huán)境下，做好數字中心機房的溫、濕度控制也是節(jié)能的重要方面。

關鍵詞：數字中心 回風溫度 濕度 能耗 設計標準

隨著電視從標清到高清以及多頻道的迅速發(fā)展，電視數字中心機房的服務器和相關設備增多，用電功耗急劇增大，當前數字中心的節(jié)能已成為非常重要的課題。

根據數字中心的三級模型分析，服務器節(jié)能、供配電節(jié)能、精密空調系統(tǒng)節(jié)能是數字中心機房最重要的三個方向。而其中精密空調的耗能占整個數據中心能耗的37%-45%，因此空調節(jié)能是其中的重中之重。目前，在國際電信聯(lián)合會的TIA942標準中，對機房溫度的要求是20℃到25℃，相對濕度要求40%-55%。而我國的GB50174-2008標準中，對機房溫度的要求是23℃正負1℃，相對濕度40%-55%，要求更高。

播出服務器耗電最大的部分是電源部分，然后才是處理器，因此服務器電源系統(tǒng)節(jié)能是服務器節(jié)能的重點。為了提高服務器工作可靠性，目前服務器普遍采用冗余電源技術。它具有均流，故障切換等功能，可以有效避免電源故障對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)不停頓運行。冗余電源較為常見的是N+1，而我臺采用的是1+1的方式，可以保證一個電源發(fā)生故障的情況下系統(tǒng)不會癱瘓。冗余電源通常和熱插拔技術配合，即熱插拔冗余電源，它可以在系統(tǒng)運行時拔下出現(xiàn)故障的電源并換上一個好的電源，從而大大提高了服務器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為了提高服務器電源的工作效率，在標準高度的機架式機箱內可插多個服務器單元，這些服務器是共用冗余電源，所以服務器電源的工作效率得到很大提升，更省電與節(jié)能。

播出數字中心的UPS電源是機房的心臟，其正常允許運行溫度范圍在0-40℃之間，在此溫度內無性能衰減。UPS中的易損件部分為電容，而電容器工作時，對環(huán)境溫度以及內部溫度都有要求，一般環(huán)境溫度要求在-25℃-55℃，環(huán)境溫度主要是考慮散熱問題，其內部介質的溫度應低于65℃，最高不得超過70℃，否則會引起熱擊穿，或引起鼓肚現(xiàn)象。電容器外殼的溫度是在介質溫度與環(huán)境溫度之間，一般為50℃-60℃，不得超過60℃。目前在電器元件中，AC/DC電源大量使用鋁電解電容，若環(huán)境溫度過高，可能會引起鋁電解電容內電解液干枯引發(fā)故障。

一般情況下，電容的壽命隨溫度升高而降低。任何電容都有一個損耗角正切值，即電容器的損耗一般情況下正切值隨著溫度的上升而上升，即溫度越高，電容器的損耗越大。最明顯的是電解電容，一個極限工作溫度為85℃的電解電容，在溫度為20℃的條件下工作，一般可保證18萬小時的正常工作時間，而在極限溫度85℃的條件下工作，一般情況僅僅可以保證2000小時左右的正常工作時間。因此，即使廠家允許運行溫度范圍可到40℃，但考慮其電子元件的壽命損耗，UPS電源等設備的運行溫度不宜設定太高。由于UPS電源設備是單獨放置，一般和電池放在一起，可以和電池房間溫度進行統(tǒng)一考慮。

播出數字中心應用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池，電池的主流設計標準是以25℃以下的容量為額定容量。當環(huán)境溫度較低時，電解液流動性降低，化合反應緩慢，不充分，使其難以達到額定容量，所以在某些機房溫度較低的場合，會出現(xiàn)蓄電池后備時間不足，放電電流不達標的情況。反之，當環(huán)境溫度較高時，電解液流動性提高，化合反應加劇使電池內部溫度上升，造成惡性循環(huán)，從而降低電池使用壽命。據分析，環(huán)境溫度每升高1℃，容量上升0.8%，會降低壽命；當環(huán)境溫度在25℃時，溫度每升高6-10℃，蓄電池的壽命縮短一半；當環(huán)境溫度達到45℃時，電池壽命老化速度是25℃時的7倍。當蓄電池使用溫度過高時，會出現(xiàn)熱失控，充電過程中正極產生的氧到達負極，與負極的絨面鉛反應時會產生大量的熱，造成蓄電池內過熱，水損失加劇，內阻增大，逐步發(fā)展為熱失控，最終導致蓄電池產生嚴重變形、膨脹、失效。每次充電，由于產生氣體速率大于氣體再化合速率時，會有一部分氣體逸出，造成水損失。失水速度隨環(huán)境溫度的上升而加快，從而加速了蓄電池干涸失效。綜合考慮，20℃以下蓄電池的壽命最高。但是，考慮到成本與容量的關系，我們將蓄電池的運行溫度保持在25℃，由于UPS一般和電池在同一個房間，同為25℃。

數字中心精密空調的選配必須考慮整個數據中心最大的發(fā)熱量，再根據此值考慮20%-30%的冗余，而傳統(tǒng)的定容量輸出壓縮機不能適應熱量的不均勻變化，否則會造成數字中心空調額外制冷量較大，以及被建筑熱負荷額外消耗過多的問題。隨著數字中心的發(fā)展，可變冷量、風量的精密空調系統(tǒng)，更好的冷熱風隔離氣流組織已經成為行業(yè)發(fā)展的主流方向。據測算，若整個數字中心采用封閉通道隔離冷熱風混合，可節(jié)能2-4%，我臺數字標清數據機房采用1=1、高清數據機房采用2=2精密空調。

在空調運行當中，回風溫度對空調冷量影響很大。由逆卡諾循環(huán)可知，在吸熱和放熱過程中工質與冷源及高溫熱源之間沒有溫差，即傳熱是在等溫下進行，壓縮和膨脹過程也是在沒有任何損失情況下進行。此外，由熱力學第二定律還可以證明：“在給定的冷源和熱源溫度范圍內工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數為最高?！比魏螌嶋H制冷循環(huán)的制冷系數都小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數。雖然實際上逆卡諾循環(huán)無法實現(xiàn)，但它可以用作評價實際制冷循環(huán)完善程度的指標。在空調運行中，回風溫度即與冷源蒸發(fā)器溫度成正比，提高回風溫度，可提高制冷效率，即增大冷量。而顯冷量是指不發(fā)生相變條件下所能表現(xiàn)出來的冷量，這一參數與相對濕度、空氣溫度相關。在溫度相同的情況下，相對濕度越低，空氣中所蘊含的水分越少，其潛冷量就越少，能夠冷卻服務器的冷量就越大。因此，我們需要在服務器機房保持一個合理的溫濕度區(qū)間，保證空調的制冷效率與顯冷量最大化。在室內環(huán)境溫度不變的情況下，相對濕度越高，其總冷量越大，顯冷量越小，這主要是由于空氣中含水量越多，其潛冷越大。在相對濕度不變的情況下，回風溫度越高，其總冷與顯冷都會增大。以24℃、50%參數為基準，在相對濕度不變的情況下，回風溫度每上升1℃，總冷量增大2.52%，顯冷量會增大1.24%。

因此，在數字中心允許的安全范圍內，應盡量提高精密空調的回風溫度，降低其回風相對濕度。結合GB50174-2008和目前國內設計機房的應用情況來看，主機房合理的回風溫度應該調整為30℃，相對濕度40%，此情況下的靜電相對較小。如果靜電高會對服務器產生影響，甚至會在工作人員進行維修時如果沒放電會造成設備損壞?；仫L溫度的提高可有效提高空調機組的效率，同時回風溫濕度對加濕、除濕能耗會產生影響，機房的除濕和加濕需求是由室外環(huán)境溫度波動造成的。按照TIA942設計標準，數字中心機房要求的密封及正壓能有效保證外界對機房的影響趨近于0，所以外界對機房濕度變化的影響其實是很小的，數字中心的加濕需求絕大部分是由于自身除濕而帶來的。

傳統(tǒng)的機房精密空調在設計回風溫濕度情況下，顯熱比為90%。在此情況下，每產生100Kw的冷量，就有10%被用來凝露除濕，顯然，除濕要額外耗費能源，后期的加濕又需要進一步耗費能源，加濕部分又會產生熱量，從而進一步浪費精密空調寶貴的冷量。因此，合理設計數字中心機房的溫度梯度場，產生的節(jié)能效益是貫穿整個節(jié)能鏈的重要措施。我臺數字機房溫度為服務器進風口18-20℃，相對濕度40%-50%，采用高通率機柜提高通風效率，服務器后出風一般在35-40℃之間，濕度為35%-40%；UPS電源25℃，濕度為40%；值班室28℃，濕度為60%。當今提高數字中心的用電效率已經是當務之急，推動各個服務器、精密空調廠家聯(lián)合修訂數據中心新的設計標準，具有巨大的節(jié)能意義。

（作者單位：江西廣播電視臺）