播出中心数字机房的温湿度探讨
张洪
摘要：随着高热密度数字中心的不断发展，对于机房的温度、湿度要求更高，新型的服务器能够工作在最佳环境下，做好数字中心机房的温、湿度控制也是节能的重要方面。
关键词：数字中心 回风温度 湿度 能耗 设计标准
随着电视从标清到高清以及多频道的迅速发展，电视数字中心机房的服务器和相关设备增多，用电功耗急剧增大，当前数字中心的节能已成为非常重要的课题。
根据数字中心的三级模型分析，服务器节能、供配电节能、精密空调系统节能是数字中心机房最重要的三个方向。而其中精密空调的耗能占整个数据中心能耗的37%-45%，因此空调节能是其中的重中之重。目前，在国际电信联合会的TIA942标准中，对机房温度的要求是20℃到25℃，相对湿度要求40%-55%。而我国的GB50174-2008标准中，对机房温度的要求是23℃正负1℃，相对湿度40%-55%，要求更高。
播出服务器耗电最大的部分是电源部分，然后才是处理器，因此服务器电源系统节能是服务器节能的重点。为了提高服务器工作可靠性，目前服务器普遍采用冗余电源技术。它具有均流，故障切换等功能，可以有效避免电源故障对系统的影响，实现不停顿运行。冗余电源较为常见的是N+1，而我台采用的是1+1的方式，可以保证一个电源发生故障的情况下系统不会瘫痪。冗余电源通常和热插拔技术配合，即热插拔冗余电源，它可以在系统运行时拔下出现故障的电源并换上一个好的电源，从而大大提高了服务器系统的稳定性和可靠性。为了提高服务器电源的工作效率，在标准高度的机架式机箱内可插多个服务器单元，这些服务器是共用冗余电源，所以服务器电源的工作效率得到很大提升，更省电与节能。
播出数字中心的UPS电源是机房的心脏，其正常允许运行温度范围在0-40℃之间，在此温度内无性能衰减。UPS中的易损件部分为电容，而电容器工作时，对环境温度以及内部温度都有要求，一般环境温度要求在-25℃-55℃，环境温度主要是考虑散热问题，其内部介质的温度应低于65℃，最高不得超过70℃，否则会引起热击穿，或引起鼓肚现象。电容器外壳的温度是在介质温度与环境温度之间，一般为50℃-60℃，不得超过60℃。目前在电器元件中，AC/DC电源大量使用铝电解电容，若环境温度过高，可能会引起铝电解电容内电解液干枯引发故障。
一般情况下，电容的寿命随温度升高而降低。任何电容都有一个损耗角正切值，即电容器的损耗一般情况下正切值随着温度的上升而上升，即温度越高，电容器的损耗越大。最明显的是电解电容，一个极限工作温度为85℃的电解电容，在温度为20℃的条件下工作，一般可保证18万小时的正常工作时间，而在极限温度85℃的条件下工作，一般情况仅仅可以保证2000小时左右的正常工作时间。因此，即使厂家允许运行温度范围可到40℃，但考虑其电子元件的寿命损耗，UPS电源等设备的运行温度不宜设定太高。由于UPS电源设备是单独放置，一般和电池放在一起，可以和电池房间温度进行统一考虑。
播出数字中心应用的蓄电池主要是铅酸蓄电池，电池的主流设计标准是以25℃以下的容量为额定容量。当环境温度较低时，电解液流动性降低，化合反应缓慢，不充分，使其难以达到额定容量，所以在某些机房温度较低的场合，会出现蓄电池后备时间不足，放电电流不达标的情况。反之，当环境温度较高时，电解液流动性提高，化合反应加剧使电池内部温度上升，造成恶性循环，从而降低电池使用寿命。据分析，环境温度每升高1℃，容量上升0.8%，会降低寿命；当环境温度在25℃时，温度每升高6-10℃，蓄电池的寿命缩短一半；当环境温度达到45℃时，电池寿命老化速度是25℃时的7倍。当蓄电池使用温度过高时，会出现热失控，充电过程中正极产生的氧到达负极，与负极的绒面铅反应时会产生大量的热，造成蓄电池内过热，水损失加剧，内阻增大，逐步发展为热失控，最终导致蓄电池产生严重变形、膨胀、失效。每次充电，由于产生气体速率大于气体再化合速率时，会有一部分气体逸出，造成水损失。失水速度随环境温度的上升而加快，从而加速了蓄电池干涸失效。综合考虑，20℃以下蓄电池的寿命最高。但是，考虑到成本与容量的关系，我们将蓄电池的运行温度保持在25℃，由于UPS一般和电池在同一个房间，同为25℃。
数字中心精密空调的选配必须考虑整个数据中心最大的发热量，再根据此值考虑20%-30%的冗余，而传统的定容量输出压缩机不能适应热量的不均匀变化，否则会造成数字中心空调额外制冷量较大，以及被建筑热负荷额外消耗过多的问题。随着数字中心的发展，可变冷量、风量的精密空调系统，更好的冷热风隔离气流组织已经成为行业发展的主流方向。据测算，若整个数字中心采用封闭通道隔离冷热风混合，可节能2-4%，我台数字标清数据机房采用1=1、高清数据机房采用2=2精密空调。
在空调运行当中，回风温度对空调冷量影响很大。由逆卡诺循环可知，在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行，压缩和膨胀过程也是在没有任何损失情况下进行。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高。”任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。虽然实际上逆卡诺循环无法实现，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。在空调运行中，回风温度即与冷源蒸发器温度成正比，提高回风温度，可提高制冷效率，即增大冷量。而显冷量是指不发生相变条件下所能表现出来的冷量，这一参数与相对湿度、空气温度相关。在温度相同的情况下，相对湿度越低，空气中所蕴含的水分越少，其潜冷量就越少，能够冷却服务器的冷量就越大。因此，我们需要在服务器机房保持一个合理的温湿度区间，保证空调的制冷效率与显冷量最大化。在室内环境温度不變的情况下，相对湿度越高，其总冷量越大，显冷量越小，这主要是由于空气中含水量越多，其潜冷越大。在相对湿度不变的情况下，回风温度越高，其总冷与显冷都会增大。以24℃、50%参数为基准，在相对湿度不变的情况下，回风温度每上升1℃，总冷量增大2.52%，显冷量会增大1.24%。
因此，在数字中心允许的安全范围内，应尽量提高精密空调的回风温度，降低其回风相对湿度。结合GB50174-2008和目前国内设计机房的应用情况来看，主机房合理的回风温度应该调整为30℃，相对湿度40%，此情况下的静电相对较小。如果静电高会对服务器产生影响，甚至会在工作人员进行维修时如果没放电会造成设备损坏。回风温度的提高可有效提高空调机组的效率，同时回风温湿度对加湿、除湿能耗会产生影响，机房的除湿和加湿需求是由室外环境温度波动造成的。按照TIA942设计标准，数字中心机房要求的密封及正压能有效保证外界对机房的影响趋近于0，所以外界对机房湿度变化的影响其实是很小的，数字中心的加湿需求绝大部分是由于自身除湿而带来的。
传统的机房精密空调在设计回风温湿度情况下，显热比为90%。在此情况下，每产生100Kw的冷量，就有10%被用来凝露除湿，显然，除湿要额外耗费能源，后期的加湿又需要进一步耗费能源，加湿部分又会产生热量，从而进一步浪费精密空调宝贵的冷量。因此，合理设计数字中心机房的温度梯度场，产生的节能效益是贯穿整个节能链的重要措施。我台数字机房温度为服务器进风口18-20℃，相对湿度40%-50%，采用高通率机柜提高通风效率，服务器后出风一般在35-40℃之间，湿度为35%-40%；UPS电源25℃，湿度为40%；值班室28℃，湿度为60%。当今提高数字中心的用电效率已经是当务之急，推动各个服务器、精密空调厂家联合修订数据中心新的设计标准，具有巨大的节能意义。
（作者单位：江西广播电视台）
摘要：随着高热密度数字中心的不断发展，对于机房的温度、湿度要求更高，新型的服务器能够工作在最佳环境下，做好数字中心机房的温、湿度控制也是节能的重要方面。
关键词：数字中心 回风温度 湿度 能耗 设计标准
随着电视从标清到高清以及多频道的迅速发展，电视数字中心机房的服务器和相关设备增多，用电功耗急剧增大，当前数字中心的节能已成为非常重要的课题。
根据数字中心的三级模型分析，服务器节能、供配电节能、精密空调系统节能是数字中心机房最重要的三个方向。而其中精密空调的耗能占整个数据中心能耗的37%-45%，因此空调节能是其中的重中之重。目前，在国际电信联合会的TIA942标准中，对机房温度的要求是20℃到25℃，相对湿度要求40%-55%。而我国的GB50174-2008标准中，对机房温度的要求是23℃正负1℃，相对湿度40%-55%，要求更高。
播出服务器耗电最大的部分是电源部分，然后才是处理器，因此服务器电源系统节能是服务器节能的重点。为了提高服务器工作可靠性，目前服务器普遍采用冗余电源技术。它具有均流，故障切换等功能，可以有效避免电源故障对系统的影响，实现不停顿运行。冗余电源较为常见的是N+1，而我台采用的是1+1的方式，可以保证一个电源发生故障的情况下系统不会瘫痪。冗余电源通常和热插拔技术配合，即热插拔冗余电源，它可以在系统运行时拔下出现故障的电源并换上一个好的电源，从而大大提高了服务器系统的稳定性和可靠性。为了提高服务器电源的工作效率，在标准高度的机架式机箱内可插多个服务器单元，这些服务器是共用冗余电源，所以服务器电源的工作效率得到很大提升，更省电与节能。
播出数字中心的UPS电源是机房的心脏，其正常允许运行温度范围在0-40℃之间，在此温度内无性能衰减。UPS中的易损件部分为电容，而电容器工作时，对环境温度以及内部温度都有要求，一般环境温度要求在-25℃-55℃，环境温度主要是考虑散热问题，其内部介质的温度应低于65℃，最高不得超过70℃，否则会引起热击穿，或引起鼓肚现象。电容器外壳的温度是在介质温度与环境温度之间，一般为50℃-60℃，不得超过60℃。目前在电器元件中，AC/DC电源大量使用铝电解电容，若环境温度过高，可能会引起铝电解电容内电解液干枯引发故障。
一般情况下，电容的寿命随温度升高而降低。任何电容都有一个损耗角正切值，即电容器的损耗一般情况下正切值随着温度的上升而上升，即温度越高，电容器的损耗越大。最明显的是电解电容，一个极限工作温度为85℃的电解电容，在温度为20℃的条件下工作，一般可保证18万小时的正常工作时间，而在极限温度85℃的条件下工作，一般情况仅仅可以保证2000小时左右的正常工作时间。因此，即使厂家允许运行温度范围可到40℃，但考虑其电子元件的寿命损耗，UPS电源等设备的运行温度不宜设定太高。由于UPS电源设备是单独放置，一般和电池放在一起，可以和电池房间温度进行统一考虑。
播出数字中心应用的蓄电池主要是铅酸蓄电池，电池的主流设计标准是以25℃以下的容量为额定容量。当环境温度较低时，电解液流动性降低，化合反应缓慢，不充分，使其难以达到额定容量，所以在某些机房温度较低的场合，会出现蓄电池后备时间不足，放电电流不达标的情况。反之，当环境温度较高时，电解液流动性提高，化合反应加剧使电池内部温度上升，造成恶性循环，从而降低电池使用寿命。据分析，环境温度每升高1℃，容量上升0.8%，会降低寿命；当环境温度在25℃时，温度每升高6-10℃，蓄电池的寿命缩短一半；当环境温度达到45℃时，电池寿命老化速度是25℃时的7倍。当蓄电池使用温度过高时，会出现热失控，充电过程中正极产生的氧到达负极，与负极的绒面铅反应时会产生大量的热，造成蓄电池内过热，水损失加剧，内阻增大，逐步发展为热失控，最终导致蓄电池产生严重变形、膨胀、失效。每次充电，由于产生气体速率大于气体再化合速率时，会有一部分气体逸出，造成水损失。失水速度随环境温度的上升而加快，从而加速了蓄电池干涸失效。综合考虑，20℃以下蓄电池的寿命最高。但是，考虑到成本与容量的关系，我们将蓄电池的运行温度保持在25℃，由于UPS一般和电池在同一个房间，同为25℃。
数字中心精密空调的选配必须考虑整个数据中心最大的发热量，再根据此值考虑20%-30%的冗余，而传统的定容量输出压缩机不能适应热量的不均匀变化，否则会造成数字中心空调额外制冷量较大，以及被建筑热负荷额外消耗过多的问题。随着数字中心的发展，可变冷量、风量的精密空调系统，更好的冷热风隔离气流组织已经成为行业发展的主流方向。据测算，若整个数字中心采用封闭通道隔离冷热风混合，可节能2-4%，我台数字标清数据机房采用1=1、高清数据机房采用2=2精密空调。
在空调运行当中，回风温度对空调冷量影响很大。由逆卡诺循环可知，在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行，压缩和膨胀过程也是在没有任何损失情况下进行。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高。”任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。虽然实际上逆卡诺循环无法实现，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。在空调运行中，回风温度即与冷源蒸发器温度成正比，提高回风温度，可提高制冷效率，即增大冷量。而显冷量是指不发生相变条件下所能表现出来的冷量，这一参数与相对湿度、空气温度相关。在温度相同的情况下，相对湿度越低，空气中所蕴含的水分越少，其潜冷量就越少，能够冷却服务器的冷量就越大。因此，我们需要在服务器机房保持一个合理的温湿度区间，保证空调的制冷效率与显冷量最大化。在室内环境温度不變的情况下，相对湿度越高，其总冷量越大，显冷量越小，这主要是由于空气中含水量越多，其潜冷越大。在相对湿度不变的情况下，回风温度越高，其总冷与显冷都会增大。以24℃、50%参数为基准，在相对湿度不变的情况下，回风温度每上升1℃，总冷量增大2.52%，显冷量会增大1.24%。
因此，在数字中心允许的安全范围内，应尽量提高精密空调的回风温度，降低其回风相对湿度。结合GB50174-2008和目前国内设计机房的应用情况来看，主机房合理的回风温度应该调整为30℃，相对湿度40%，此情况下的静电相对较小。如果静电高会对服务器产生影响，甚至会在工作人员进行维修时如果没放电会造成设备损坏。回风温度的提高可有效提高空调机组的效率，同时回风温湿度对加湿、除湿能耗会产生影响，机房的除湿和加湿需求是由室外环境温度波动造成的。按照TIA942设计标准，数字中心机房要求的密封及正压能有效保证外界对机房的影响趋近于0，所以外界对机房湿度变化的影响其实是很小的，数字中心的加湿需求绝大部分是由于自身除湿而带来的。
传统的机房精密空调在设计回风温湿度情况下，显热比为90%。在此情况下，每产生100Kw的冷量，就有10%被用来凝露除湿，显然，除湿要额外耗费能源，后期的加湿又需要进一步耗费能源，加湿部分又会产生热量，从而进一步浪费精密空调宝贵的冷量。因此，合理设计数字中心机房的温度梯度场，产生的节能效益是贯穿整个节能链的重要措施。我台数字机房温度为服务器进风口18-20℃，相对湿度40%-50%，采用高通率机柜提高通风效率，服务器后出风一般在35-40℃之间，湿度为35%-40%；UPS电源25℃，湿度为40%；值班室28℃，湿度为60%。当今提高数字中心的用电效率已经是当务之急，推动各个服务器、精密空调厂家联合修订数据中心新的设计标准，具有巨大的节能意义。
（作者单位：江西广播电视台）
