播出中心数字机房的温湿度探讨

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
播出中心数字机房的
温湿度探讨
阴张洪
学习与探索
. All Rights Reserved.
2016/12
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
环境温度不变的情况下，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)
学习与探索
. All Rights Reserved.
声屏世界。