陶宏健¹

摘 要 本文旨在为从事口岸机房建设和日常管理的非暖通专业IT人员，在实施机房建设与运维的国标、海关行标方面提供一些帮助。结合ASHRAE TC 9.9，笔者从环境、系统结构、气流组织、温湿度控制等角度提出建议，并给出一些底层思考。

关键词 机房; 空调; 设计与维护; 气流组织; 传热控制

 Practices and Thoughts on the HVAC System Design for Port Data Processing Facility Houses

TAO Hong-Jian¹

Abstract The paper aimed to provide help for the non-HVAC professional IT personnel engaged in the construction and maintenance of port data processing facility houses in implementing relevant national and customs standards. In line with ASHRAE TC 9.9 Standards, the author put forward practical suggestions from the perspectives of environment, system structure, air distribution, temperature and humidity control.

Keywords facility houses; HVAC; design and maintenance; air distribution; heat-transfer control

中国海关在全国口岸分布大小几百个数据处理机房，工作环境、地理分布、运行规模和保障要求差别悬殊，从边陲小镇几个关员几间办公室的办事点到全国的数据处理核心，IT系统环境是正常工作的保障条件。海关作为国务院直属机构，其全国信息化建设有统一规划管理，在机房建设管理方面投入了大量人力物力财力，在GB50174基础上，2011年制定了行标《海关信息系统机房建设规范》（HS/T36-2011）并于2017年进行了修订，形成《海关信息系统机房建设规范》（HS/T 36-2018）。

为适应各处机房的差异，在行标中将海关机房划分为五个类别，第一类对应小型的、基本可以与日常办公环境结合的数据处理节点，如办公区边角的一个机柜，可靠性要求与现场业务相匹配；第五类对应全国核心/集中的数据处理环境，基础设施分专业保障，对应专门运维管理机构，可用性可靠性要求很高。

机房的设计与运维管理，空调系统与环境及后期使用管理关联密切，易受影响的可改变状态的因素很多。暖通系统有着完善的设计理论体系，本文从建设到运维的实践角度进行讨论。

数据处理设备/系统，随着技术与工艺的发展，随着设备内元器件平均发热量和装配密度的变化，经历了风冷、液冷/水冷、风冷的发展阶段。这里只集中讨论当前机柜风冷散热的主流机房通风空调方面的实践和思考。

1  数据中心空调方面相关标准

作为机房空调行业最佳实践的总结，国家标准推出了数据中心设计规范 GB-50174^[1]和数据中心基础设施运行维护标准 GB/T-51314。国际上，涉及机房空调领域的相关讨论与标准，较多的是ASHRAE TC 9.9和Uptime Institute。海关推出的行业标准，也借鉴了上述标准及方案/白皮书。

Uptime Institute从可靠性可用性角度将机房从低到高划分为Tier I到Tier IV。国标分级由高到低分为A、B、C三级。

海关机房行业标准起草和修订时，综合考虑了Uptime Institute和TIA-942、GB-50174的分级分类思想，综合了信息系统等级保护的社会与经济影响分级思路，将机房分为五类。

表1  ASHRAE建议IT设备机房工作环境分类

Table 1  Classification of IT equipent room working environment recommended by ASHRAE

相比而言，ASHRAE TC 9.9，其核心成员不少是IT行业领先企业的专家，其白皮书对通风空调方面的机房分类有更突出的专业考虑，更多考虑了IT设备使用环境的差别。TIA-942和国标主要关注点更多是在机房及其基础设施所应达到的效果。

表2  ASHRAE建议各类机房IT设备工作环境参数

Table 2  ASHRAE Standards of different working environment parameters for IT facility houses

通过表1和表2可以看出，海关行标与海关IT设备应用具体场合更密切。比如海关行标一类机房，基本针对小型查验现场或办公环境中的信息系统工作环境，对单兵设备户外工作没有涉及。各种机房分类共同点是IT设备运行的环境保障水平要适度，要配合设备本身适用环境要求，控制合理成本。

另外，结合当前设备实际工作环境要求，ASHRAE建议的环境参数在湿度和温度两个方面比现行国标更宽^[2-4]。根据中国海关地理分布实际情况，部分机房不可避免地要建在海拔3000米以上地区，其配置的空调系统及IT设备设计与选型要适应高海拔环境要求。

2  数据中心室外环境方面相关考虑

安放IT设备设施的机房或场所，其通风空调系统与所在户外环境密切相关。IT设备设施工作，主要是将电能转换为热能，再通过空调系统交换到户外空气中。机房排出的废热基本是低温热，回收再利用还没有效益较好的办法。常见的散热方式有空气散热翅片和水喷淋蒸发两种。户外安装环境除了建筑动、静荷载基础考虑外，还要考虑当地风沙与空气污染，并考虑昆虫与植物飞絮。

南方温热潮湿地区户外换热器表面，全年特别是初冬初春季的防微生物需求，北方很少遇到；北方内陆强季风气候中，减少尘沙附着沉降，也是特殊的需求。飞絮植物密集地区，要结合季风风向选择热交换器，减少飞絮吸附。设计时应考虑易清扫，但常被忽略。

室外散热设备安装位置，对散热效果影响常超出一般的想象。按照当地一年中主要天气风向，迎风背阳安装，后期运维效果理想。但短时强风的破坏可能性也会更大。

室外向天空散热，需要顺畅补入周边低温空气，尽力避免与排出热气近场混合。这种混合现象常见于室外机安装在有较高女儿墙的屋面空间。散热器周边与围墙或其他气流阻挡物之间距离不足三到五米，散热器的散热尾气很容易被吸回，与自然温度冷空气混合，形成不良的再热，减少散热器进出端温差，甚至增大等效送风风阻，降低排风量。不良的选址影响室外机散热效率会超过10%。风冷散热器夏季还容易引发高压报警故障。

当机房位于市内交通拥堵街道、机场及其他空气污染较重地区时，尤其是氮氧化物、硫化物等有害物污染重的地点，新风处理直接与设备故障可能性相关。ASHRAE相关研究证实，银、铜等IT设备中常用材料会受到这些有害物的污染腐蚀，同时会有灰尘附着，明显增加IT设备故障率^[5-6]。

不同地理位置要考虑影响机房空调设施运行的因素有很多。沿海盐雾海风对户外金属部件，比如阀门、法兰的腐蚀，对接地保护接点的腐蚀，内地吹沙天气对户外设备迎风面的损伤，在规划和运维中也要考虑。目前设计、施工、运维单位逐步跨地域开展、承接机房建设项目，IT系统工程师对地理因素的特殊性常不了解，承接异地项目时不熟悉当地气候特点，进而在设计和施工阶段时常埋下了故障隐患。比如内陆干燥气候，室外昼夜温差经常超过15℃，甚至20℃，空调设备室外部分在大的日温差变化条件下，冷媒等在传输系统中随温度变化可能会给系统带来压力变化，尤其是对于液体媒介，若控压设计或实施不当，系统内压力变化幅度可能超过几个大气压。日复一日的压力变化、系统工况变化必定加速相关管、阀等部件的疲劳老化，降低可靠性，增加系统耐压要求。对于风冷散热室外方式和冷塔喷淋蒸发散热方式，若海拔超过2000米要注意考虑修正。

与上述几方面相关，室外设施设计有条件时应考虑对应措施的配套，比如防腐操作空间、清洗上水和排污、季节性措施装卸配件等。

3  数据中心冷源考虑

数据中心机房的空调系统向机房提供稳定的冷负荷是核心任务。高级别机房大多有较稳定的发热量。而初级的机房或数据处理环境，空调保障空间较小，热环境不稳定，且受环境影响较大。

目前提供冷源的常见方法有三种：通过电驱动的各类压缩机制冷、燃气制冷和自然低温利用。对中国北方大部分地区，夜间气温低于7℃时可以方便有效地通过冷媒换热进行机房室外降温。每年11月至次年3月，超过5个月的时间可以利用室外低温降温散热。过渡季室外低温冷能利用对自动控制能力要求较高，但自动化改造投入回报时间一般只需两三年。这方面各大空调主流设备产品已日益成熟。

有些地区拥有山洞、暗河等低温冷源。一般山洞初始温度低，但岩石泥沙热阻不小，对于常年持续发热的机房而言，低温持续时间不会超过一两年。利用暗河低温冷水，会持续对冷水加热。暗河内脆弱的生态环境不进行深入调查，难以推测水温升高后的环境影响、生态影响。虽然这类方案PUE值有保障，但要充分考虑难以估计的代价。

相对于成熟的电制冷，燃气直燃制冷是利用一次能源的制冷方式。虽然在能效比COP(制冷量KW/输入功率KW)方面，电制冷比常见直燃机制冷高四到五倍，但考虑电能作为二次能源计入扣除时，这个差别将变小。当考虑单位能源价格时，一般可认为1立方天然气标准能量大约和11度电相当，如果按照天然气2.5元/m³，工业电价1元/度计，经济上两种方式差别不大。但燃气制冷一般可附带供应热水，这是电制冷不易实现的。对于海关机房分类中第一到第三类机房，因规模较小、冷负荷需要少，不大适合燃气直燃制冷。产品冷量可选范围灵活，是电制冷设备的优势。所在地燃气供应方便性也限制着燃气直燃制冷方式的应用。从系统可靠性角度考虑，燃气制冷是一种相对独立的冷源，可提高空调系统的安全冗余度。

向室外空气散热的方式，常见的有热交换器/翅片-冷媒/空气散热方式和水喷淋蒸发散热/热交换干式散热。水喷淋冷塔虽然在办公楼舒适性空调制冷系统中常用，但用于机房工艺性空调系统时，因涉及冬季制冷工况，与舒适性空调不同。机房空调用冷塔要考虑防冻，或者在冬季停止喷淋直接进行换热器散热。问题难点在过渡季时日温不低，换热器散热不足，夜温又低于冰点，这时操作会过于繁复。夏季蒸发水量也要考虑。

图1  常见机房热传递示意图

Fig.1  Schematic diagram of heat transfer in a common facility house

中大型机房电能消耗，最终基本都以热的形式散发。耗散总量对应运行成本预算每年数百万计。如何回收再利用，值得研究。其难点是目前三四十摄氏度低温余热回收的低成本技术很少。

4  数据中心传热介质方面相关考虑

数据处理设施内部和机房内主要的热量来源，是集成电路芯片工作时芯片发热及其他元器件电损耗发热，以及硬盘、风扇等机械运动部件的发热。为维持数据处理系统持续正常运转，就要将这些持续产生的热量散发到机房外部。从传热角度看，传热介质比热容大的流体能够更有效地传走热量^[7]。

按照IT设备发热密度，从传热角度分析，一般对不同发热密度采用不同散热方法。

图2  常见冷却方法适用范围（体积功率密度/40℃温升）

Fig.2  Application scope of common cooling methods (volume power density/40℃ elevated temperature)

表3  常见流体物理特性

Table 3  Common fluid physical properties

常见流体中水是很好的传热介质，所以工程上常用水及其改进的水溶液进行散热传热。在计算机发展的前30年中，主机（Mainframe）主要散热方式基本采用水冷。但是考虑工程实施与维护的复杂性，当热功率密度不高时，自然风冷和强制对流风冷是主流选择。为避免液冷的管道系统及其在电子设备中的跑冒滴漏隐患，同时冷却管道连接也使设备易于移动和安装，20世纪后期的小型机和Server类服务器等现代IT设备基本采用风冷^[8]。

平衡风冷的设备使用方便性和液冷传热的高效性，现代机房设计综合使用风冷和液冷两种手段。采用传热方式的组合边界可以将液冷推入行间、机柜内，甚至芯片散热翅片上；也可在功率密度许可条件下，液冷边界撤到机房专用空调间，甚至变为全自然散热，比如海关的一类机房或ASHRAE的B、C类环境中的桌面或移动设备。

大型机房目前常用的还是机柜及封闭通道和空调室内机风侧，构成风冷空间；空调室内机的液侧/水侧及室外机之间用液体/水传出热量。如果室外部分有冬季冰点以下工况，则要考虑防冻剂或制冷剂（这里暂不论及制冷过程）。常用传热介质除自来水/软化水/纯水外，还有乙二醇、甘油丙三醇、乙醇等水溶液，选用时要综合考虑其冰、沸点，热稳定性，膨胀系数对管路部件的腐蚀性及成分的长期稳定性。另外，还要考虑其泄漏时挥发易燃易爆、排放环境污染及接触毒性等因素。

许多机房采用单机、单机群组空调或VRV系统，其向外热传输直接使用制冷剂完成，比如R134a、R410A。但是因为这类介质主要用途是制冷剂（成本高），一般沸点低，在夏季高温环境中管道传输时要考虑保护措施。所以在集中/半集中空调系统中会尽量减小其工作范围。

5  机房内热控制考虑

针对海关数据处理机房或环境，行标第一、二类情况，可考虑选择空间比较通畅，机柜上方剩余高度大于机柜50%以上，机柜深度大于设备深度80%以上的自然冷却方式。周围宜处于办公环境，尽量避免阳光直晒。如果周边设有舒适性空调，应使机柜位于空调出风口凝雾区之外。一般机柜要离开空调出风口1米以上。

图3  自然冷却机柜

Fig.3  Natural cooling cabinet

针对海关数据处理机房或环境，第三、四、五类机房^[9]，或ASHRAE的A1-A4类，从热布局热控制角度考虑，宜对机房进行六面隔热处理，减少或封闭外窗，减少门窗漏气漏光，减少门窗框传热（比如断桥），尽量隔离与建筑的不受控传导、对流和辐射传热。

机房内大功率设备，宜均布，避免机房局部区域发热集中，降低空调系统故障、制冷能力降低时应急处置难度。

冷热气流通道或其他热输送设计要考虑对设备供冷、对外传热通道的冗余。采用热通道封闭方式或行间供冷时要进行冗余通道设计，不仅是设备冗余。

对设有三台套以上的空调/空气处理设备的机房，宜对环境进行设备群控，避免设备间彼此独立反向处理的能耗，比如高湿空气的处理，新风不均匀送入造成的整体不均匀、稳态焓湿分布引发空调设备难以独立的情况。

6  机房内气流组织的考虑

机房建设中机房内气流组织经常会有一般化的气流组织方案，但实施和运维过程中往往被破坏。

以下送风这种常见主流机房空调模式为例，在空调机附近开孔活动地板的不当移动、消防排气排烟管道在地板上下侧的不当开口，都会形成图4所示的近场负压和气流短路。而一般机房管理中没有对开孔地板的专门管理规定。

图4  机房空调近场负压示意图

Fig.4  Schematic diagram of near field negative pressure of air conditioners in the facility house

保持机房洁净度的有效措施是保持5Pa左右的对外微正压。一般是通过新风补给和封堵机房外泄孔缝来实现。微小灰尘在设备内部的积存与IT设备故障率正相关。当机房近旁有施工或内部有较多设备安装改动，造成内部空气洁净度连续恶化数天后的三个月内，机房中IT设备故障率一般会有3～5倍甚至更高的上升。

一般维持正压补入的新风量远大于普通维持空气新鲜的风量，因此也造成了对内部含湿量很大的影响。相关设备容量要考虑。机房门窗封闭越严，额外增加的新风负荷越少。

空调送出冷风应尽可能顺畅地送到IT设备内，减少冷量损失，尽量保持层流是重点要考虑的。风路中线槽、角钢等能产生严重涡流扰动的部件要尽量减少。送风层流经常被配电、环空、消防、综合布线等专业的槽、线、架损坏。多专业统一协调很必要。对于下送风，地面出风口要保持稳定的足够风速，可在2 m/s左右，以抵抗垂直重力影响。风速低会明显加大机柜上下部进风温差，过大风速增加空调系统无效能耗，接近风口处也容易出现负压扰流。

图5  地板出风风速不当时的重力影响

Fig.5  The influence of gravity in case of improper wind speed of UFAD

冷通道封闭方案目前广为采用。封闭的冷通道要发挥好设计效果，要选用配套机柜及气流封闭部件。一些管理人员安装完设备，面板挡风盲板未装，网线配线柜跳线面板装在机柜前面板，同时未安装配套侧挡风板，都会严重破坏封闭通道的设计功能。

图6  机柜前面的侧挡风板示意图

Fig.6  Schematic diagram of side wind deflectors in front of the facility cabinet

图7  不符合封闭通道要求的网络配线安装

Fig.7  Network wiring installation unfit for the requirements of closed channels

图8  前盲板部分缺失冷气流泄露入热通道降低回风温度

Fig.8  Cold air discharged into the hot channel lowering return air temperature due to partially missing of front blind plates

图9  设备安装不当热空气串入冷通道

Fig.9  Hot air discharged into cold channels due to improper facility installation

按照基本热学规律，空调系统在设备结构不变时，进回风温差越大，换热效率越高。通道封闭的主要目的就是减少空调风机之外的冷热空气混合，保持IT设备进风低温尽量接近空调送风风温，提高空调回风风温，以提高散热效率。

空调送回风温差越大，传热介质循环流量相同条件下，空调热传输/输配系统中单位质量介质带出热量越高，效率越高。室外散热器与周围环境温度差越大，散热效率越高。

由于各种缝隙/空洞的存在，机柜后面板出风/热通道风温一般比空调回风口风温高3℃～10℃，这是冷热风不当混合造成的损失。同时回风风路上的紊流，也会增加等效风阻。缩短送回风风路避免这些损失的办法之一是行间空调。行间空调紧邻发热的IT设备，风路短，送回风温差大，散热效率高。行间空调的弊端是使维修空调人员靠近IT设备，安全风险控制较复杂。这是个安全可靠与节能的边界平衡问题。

由机房热传递图和热交换分布图，可以看到，提高IT设备工作环境温度，可有效提高机房空调散热效率。IT设备工作环境温度相比自然环境温度越高，利用自然冷却的时间越长，需要室外热泵升温工作的时间越短。

表4  工作环境温度对应制冷效率估算表

Table 4  Estimation table of operating environment temperature vs. refrigeration efficiency

表4是ASHRAE对不同工作环境温度电制冷效率的估算表。COP（制冷量与对应耗电量的比值）值明显与工作环境温度正相关。实际上，当前不少服务器产品正常工作环境温度已经明显提高。比如不少产品标明为10℃～40℃，但大多数机房为迁就老旧设备，仍将机房温度控制在24℃上下。如果按照新设备工作条件设置环境温度，比如上调至30℃，则机房年运转电费将节省超过10%以上，这是维持老旧设备除故障率高之外的高能耗代价。

机房温度，在旧国标（2008版）中没有定义其测量的空间位置，只笼统地讲，应采用出风口温度控制。当采用机柜安装设备时，尤其是采用冷热通道模式时，机柜前面中高部位温度更接近设备要求的工作环境温度，才应该是主要温度监控点。不少机房配冷热通道布局的同时，却沿用控制空调回风口温度的旧模式，降低了空调系统效率。2017版国标中则推荐考虑为冷通道温度。

机房相对湿度，是采用旧版机房标准设计中经常要求的环境指标。为稳定相对湿度，配备的湿度控制系统维护维修工作量占机房日常维护工作量经常超过5% 。因为相对湿度（RH）测量方法比较简单成熟，目前仍在机房空调控制中广为采用。但是相对湿度与温度密切相关，在含湿量不变的情况下，相对湿度会随温度而变化，比如地板出风口位置18℃，相对湿度65%，空气到达机箱内部温度上升达到50℃时，相对湿度会明显降低，只有10%左右。这时是湿度过高还是不足，会产生困惑。同样，2017版国标中则推荐考虑为冷通道湿度，同时推荐考虑机房采用露点温度来控制环境湿度。

图10  机房散热热交换分布图

Fig.10  Distribution diagram of heat dissipation and exchange in the facility house

图11  常见机房向外热传递示意图

Fig.11  Schematic diagram of outward heat transfer from a common facility house

机房要控制湿度，主要是从消除静电积累、绝缘和防腐蚀角度考虑。从Intel的研究结果（Montoya.Intel 2008）显示^[6]，静电积累和空气含湿量有关，也就是和露点温度相关，所以前述湿度控制的困惑，改用露点温度控制即可得以解决。

图12  静电积累与相对湿度关系

Fig.12  The relationship between static electricity accumulation and relative humidity

上述讨论意味着对冷通道低温18℃时，相对湿度可以放松至80%，热通道可以放宽至25%，甚至更低。

TC 9.9相关文档中描述了湿度与设备中绝缘、元器件吸湿变形、水分与灰尘联合促进腐蚀等问题（参见2011 Thermal Guidelines for Data Processing Environments- Expanded Data Center Classes and Usage Guidance的D. Server Reliability vs Moisture, Contamination and Other Temperature Effects）^[4]。十多年前，某主流服务器电源因环保要求更换了焊料/触点配方，发布销售十几个月后，故障全球高发，备件几乎耗尽，事后查出原因是受湿度影响、水分加灰尘，空气污染对部件的损伤、对金属触点及表面导电层的腐蚀。这是一个典型例子。

湿度、温度、设备硬件故障率/失效率以及成本之间要取得平衡，要为安全留出余量，要注意边际效应，这是在制定规范及实践运用中要统筹考虑的。

7  结语

海关口岸领域，从事数据处理环境/机房建设、维护和管理的大量人员，多数不是暖通空调专业人员，而这类工艺性环境保障系统与一般民用建筑暖通空调有很大差别。同时，机房空调对信息系统运行稳定性、降低运行成本有直接且明显的影响。本文从实际工作中收集整理出几方面需要考虑的内容，有些在行标文件中不宜具体体现，在此与大家共享。

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参考文献

[1] GB 50174-2017 数据中心设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社,  2017.

[2] Roger Schmidt:2011 ASHRAE New Environmental Envelopes for Data Centers [DB/OL]https://wenku.baidu.com/view/83dbcc8683d049649b6658c8.html, 2020-5-25.

[3] ASHRAE:2008 ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment-Expanding the Recommended Environmental Envelope  [DB/OL] . http://ave.dee.isep.ipp.pt/~mbm/PROJE-EPS/1011/ASHRAE_EEE_2008.pdf, 2020-5-25.

[4] ASHRAE TC 9.9. 2011 Thermal Guidelines for Data Processing Environments-Expanded Data Center Classes and Usage Guidance[DB/OL] . https://eehpcwg.llnl.gov/documents/infra/01_ashraewhitepaper-2011thermalguidelines.pdf, 2020-5-25.

[5] Julian A.Montoya Intel Corporation :Electrostatic Charge Control Considerations [DB/OL] . http://dom.semi.org/web/wstandards.nsf/02AA40715664389A88257207000AD980/$file/Julian_Montoya.pdf, June,2003.

[6]张敬.数据中心湿度影响概述  [DB/OL] .https://wenku.baidu.com/view/f0e41643f02d2af90242a8956bec0975f465a439?fr=uc, 2018-8-31.

[7]华为.整机工程部热技术研究部:单板热设计培训教材 [DB/OL] https://wenku.baidu.com/view/6fb6b34b5beef8c75fbfc77da26925c52dc5917c?fr=uc, 2014-8-10.

[8]严运锋.电子产品热设计基础  [DB/OL] . https://wenku.baidu.com/view/5ebbcb5db968a98271fe910ef12d2af90242a8ce?fr=uc, 2011-4-28.

[9] HS/T 36-2018 海关信息系统机房建设规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.

（文章类别：CPST-A）