淺議一種數(shù)據(jù)中心機(jī)房通風(fēng)換氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王文新 楊瑞仙 丁善磊

1.濮陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 河南 濮陽(yáng) 457000

2.鄭州大學(xué)信息管理學(xué)院 河南 鄭州 450001

3.濮陽(yáng)市電子計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)中心 河南 濮陽(yáng) 457000

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著社會(huì)信息化、數(shù)字化的深入發(fā)展，數(shù)據(jù)中心機(jī)房數(shù)量激增。機(jī)房里存放的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等設(shè)備都是不間斷運(yùn)行的，為了保證這些設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保持這些設(shè)備所需要的溫濕度，建設(shè)通風(fēng)換氣系統(tǒng)就成為數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)的重要內(nèi)容之一。

1 引言

電力自19世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)，逐漸成為可供人類直接應(yīng)用的重要能源之一，人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步離開(kāi)電的廣泛運(yùn)用，特別是進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，電腦、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只有通過(guò)電力才能進(jìn)行工作。當(dāng)前發(fā)電的主要方法有燃燒可燃燒物(煤、生物質(zhì)等)、太陽(yáng)能，以及大容量風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電、氫能發(fā)電、水利發(fā)電等。黨的十八大以來(lái)，“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念深入人心，全社會(huì)倡導(dǎo)綠色、低碳、循環(huán)、可持續(xù)的生產(chǎn)生活方式，履行節(jié)能減排義務(wù)逐漸成為人們的自覺(jué)行動(dòng)，建設(shè)天藍(lán)、地綠、水清的美麗中國(guó)，共建舒適美麗的綠色家園是我們共同的愿望。踐行新發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，一方面需要大力開(kāi)發(fā)綠色能源技術(shù)，另一方面則需要采用“節(jié)”盡所“能”技術(shù)。當(dāng)今世界是信息化時(shí)代，支撐信息化社會(huì)的其實(shí)就是互聯(lián)網(wǎng)，組成互聯(lián)網(wǎng)的是一個(gè)個(gè)一年365天24小時(shí)持續(xù)工作的數(shù)量龐大的服務(wù)器、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，依靠眾多的數(shù)據(jù)中心機(jī)房提供信息服務(wù)。然而，數(shù)據(jù)中心建設(shè)良莠不齊。在機(jī)房建設(shè)中尤其要考慮的是能源消耗問(wèn)題，電力成本是必須面對(duì)加以考慮的重要問(wèn)題之一。本文通過(guò)對(duì)應(yīng)用于本單位數(shù)據(jù)中心機(jī)房的全新通風(fēng)換氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)，為現(xiàn)代化機(jī)房節(jié)能降耗提供一種全新設(shè)計(jì)方案。

2 通風(fēng)換氣系統(tǒng)的物理環(huán)境

2.1 設(shè)計(jì)背景 一直以來(lái)，機(jī)房都是通過(guò)空調(diào)來(lái)控制數(shù)據(jù)中心的溫度和濕度。國(guó)家制冷與空調(diào)工程協(xié)會(huì)的“數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱準(zhǔn)則”中建議：大數(shù)據(jù)機(jī)房溫度范圍為20-25℃(68-75℉)，濕度范圍為40-55%，適宜數(shù)據(jù)中心環(huán)境的最大露點(diǎn)溫度是17℃。數(shù)據(jù)中心電源會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣加熱，如果熱量無(wú)法被排放出去，就會(huì)引起環(huán)境溫度上升，進(jìn)而導(dǎo)致電子設(shè)備失靈。通過(guò)控制空氣溫度，服務(wù)器組件能夠保持設(shè)備制造商規(guī)定的溫度/濕度范圍?？照{(diào)系統(tǒng)通過(guò)冷卻室內(nèi)空氣下降到露點(diǎn)，幫助控制濕度；如果濕度太大，水可能在內(nèi)部部件上開(kāi)始凝結(jié)。在干燥的環(huán)境中，輔助加濕系統(tǒng)可以添加水蒸氣，如果濕度太低，就有可能導(dǎo)致靜電放電，從而會(huì)損壞元器件，防止靜電也是保護(hù)電子設(shè)備安全的重要問(wèn)題之一。

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo) 保證機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要，同時(shí)必須考慮通風(fēng)換氣系統(tǒng)電力消耗問(wèn)題。

2.3 節(jié)能降耗 機(jī)房的溫度、濕度以及防靜電措施都有嚴(yán)格的要求。機(jī)房通常采用活動(dòng)地板下送風(fēng)，電源機(jī)房采用上送風(fēng)的方式精確控制機(jī)房空間的溫度及濕度。機(jī)組制冷功率完全能滿足機(jī)房設(shè)備制冷功率要求并有較大冗余，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供最佳運(yùn)行條件。盡管空調(diào)技術(shù)不斷發(fā)展，如采用變頻技術(shù)來(lái)降低電能損耗，但機(jī)房空調(diào)長(zhǎng)年累月不間斷運(yùn)行，耗電量仍相當(dāng)大，成為機(jī)房運(yùn)行成本居高不下的一個(gè)重要原因。

2.4 物理環(huán)境 在本地，我們注意到農(nóng)民或農(nóng)業(yè)公司蔬菜大棚也需要進(jìn)行大棚內(nèi)的溫濕度控制與調(diào)節(jié)，雖然他們不像機(jī)房那樣對(duì)溫濕度的要求高，但他們采用的溫濕度調(diào)節(jié)做法對(duì)于機(jī)房溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)卻有借鑒意義。例如：一種日光溫室除濕與通風(fēng)換氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括除濕系統(tǒng)、通風(fēng)換氣系統(tǒng)以及控制單元。除濕系統(tǒng)由室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口、空氣過(guò)濾器、電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥、變頻軸流風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥、貯液器、冷凝器、油分離器、壓縮機(jī)、電加熱器、室內(nèi)出風(fēng)口、保溫風(fēng)管以及若干銅管組成；通風(fēng)換氣系統(tǒng)由室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口、空氣過(guò)濾器、電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥、變頻軸流風(fēng)機(jī)、保溫風(fēng)管、室內(nèi)出風(fēng)口、室外進(jìn)風(fēng)口以及室外排風(fēng)口組成；控制單元能夠根據(jù)日光溫室內(nèi)溫濕度需求控制除濕系統(tǒng)和通風(fēng)換氣系統(tǒng)中電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥、變頻軸流風(fēng)機(jī)、電加熱器和壓縮機(jī)運(yùn)行工況的啟停與開(kāi)關(guān)切換。這對(duì)機(jī)房建設(shè)的通風(fēng)換氣系統(tǒng)運(yùn)行具有很好的借鑒意義。

3 通風(fēng)換氣系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)思路 針對(duì)蔬菜大棚溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房的通風(fēng)換氣系統(tǒng)。首先，在不同季節(jié)，特別是冬季利用室內(nèi)外換氣來(lái)降溫，春秋季盡可能少開(kāi)空調(diào)，以達(dá)到節(jié)能的目的；其次，若室外濕度過(guò)大而室外溫度過(guò)高的情況下，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，開(kāi)啟空調(diào)降溫；再次，所有告警信息完整，告警信息類型及發(fā)生時(shí)間，并且當(dāng)告警消除后能夠?qū)⒏婢畔⒂涗浵聛?lái)，同時(shí)記錄告警發(fā)生和消除的時(shí)間，通過(guò)歷史告警實(shí)現(xiàn)追蹤；能夠自動(dòng)更換防塵過(guò)慮網(wǎng)，過(guò)慮網(wǎng)過(guò)臟時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)更換干凈的過(guò)慮網(wǎng)，一般情況下，一年只需更換一次過(guò)慮網(wǎng)即可。

3.2 系統(tǒng)的原理

3.2.1 設(shè)計(jì)理念 機(jī)房溫度的升高主要是因電氣設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行自然發(fā)熱所致，并非外部環(huán)境溫度。如果常年均用空調(diào)來(lái)保持機(jī)房溫度(一般是降溫)，那么春、秋、冬三季室外低溫便可散熱降溫的有利條件被忽視，必然導(dǎo)致電能的浪費(fèi)，電能成本突出。機(jī)房通風(fēng)換氣系統(tǒng)暢通機(jī)房?jī)?nèi)外的空氣流通，充分利用機(jī)房?jī)?nèi)外的溫差形成熱交換，將機(jī)房?jī)?nèi)的熱量向外傳導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)散熱，如此一來(lái)，不僅可以大幅度降低電能消耗和營(yíng)運(yùn)成本，而且可以減少空調(diào)使用，進(jìn)而延長(zhǎng)空調(diào)使用壽命。

3.2.2 系統(tǒng)構(gòu)架 本文討論的機(jī)房通風(fēng)換氣系統(tǒng)，更具體的說(shuō)是一種應(yīng)用于大數(shù)據(jù)機(jī)房的通風(fēng)換氣系統(tǒng)，包括滑軌、驅(qū)動(dòng)絲桿、推動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)支架、升降機(jī)構(gòu)、支撐框Ⅱ、通風(fēng)架、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、通風(fēng)機(jī)構(gòu)和船型板。該系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)一天中機(jī)房溫度變化的大數(shù)據(jù)分析，調(diào)整動(dòng)力機(jī)構(gòu)啟動(dòng)數(shù)量，推動(dòng)機(jī)構(gòu)依次升降機(jī)構(gòu)上設(shè)置的多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，并依據(jù)其伸縮端的長(zhǎng)度不同，調(diào)整升降機(jī)構(gòu)上設(shè)置的多個(gè)船型板升降高度，再根據(jù)船型板升降不同的高度，推動(dòng)不同數(shù)量的動(dòng)力機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，通過(guò)大數(shù)據(jù)預(yù)訂一天中不同時(shí)段所需啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量。

3.2.3 系統(tǒng)組成及運(yùn)行機(jī)理 本通風(fēng)換氣系統(tǒng)包括滑軌、驅(qū)動(dòng)絲桿、推動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)支架、升降機(jī)構(gòu)、支撐框Ⅱ、通風(fēng)架、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、通風(fēng)機(jī)構(gòu)和船型板。轉(zhuǎn)動(dòng)的滑軌連接驅(qū)動(dòng)絲桿，推動(dòng)機(jī)構(gòu)滑動(dòng)連接再驅(qū)動(dòng)滑軌；推動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)螺紋連接在驅(qū)動(dòng)絲桿上。設(shè)置兩個(gè)滑動(dòng)支架，兩個(gè)滑動(dòng)支架分別固定連接在滑軌兩端，兩個(gè)滑動(dòng)支架之間滑動(dòng)再連接升降機(jī)構(gòu)；滑軌中部固定連接支撐框Ⅱ，通風(fēng)架、動(dòng)力機(jī)構(gòu)和通風(fēng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置有多個(gè)，通風(fēng)架連接在支撐框Ⅱ的上端，通風(fēng)架內(nèi)設(shè)置有動(dòng)力機(jī)構(gòu)和通風(fēng)機(jī)構(gòu)，船型板固定連接在其中一個(gè)滑動(dòng)支架上，驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在滑軌上滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)依次推動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上設(shè)置的多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)依據(jù)伸縮端不同長(zhǎng)度，反饋推動(dòng)升降機(jī)構(gòu)在滑動(dòng)支架上進(jìn)行豎直滑動(dòng)，船型板升降不同的高度推動(dòng)不同數(shù)量的動(dòng)力機(jī)構(gòu)啟動(dòng)。

4 系統(tǒng)工作流程

圖 機(jī)房通風(fēng)換氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

4.1 傳動(dòng)系統(tǒng) 通過(guò)大數(shù)據(jù)分析一天中機(jī)房溫度的變化，溫度較高時(shí)需要使用較多的通風(fēng)機(jī)構(gòu)提高冷卻效果，當(dāng)溫度較低時(shí)需要使用較少的通風(fēng)機(jī)構(gòu)節(jié)約能源，調(diào)整升降滑動(dòng)板上設(shè)置的多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)伸縮端的長(zhǎng)度，使得伸縮機(jī)構(gòu)伸縮端的長(zhǎng)度分別不同的檔位，啟動(dòng)滑軌上固定連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲桿以自身軸線為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲桿通過(guò)螺紋帶動(dòng)推動(dòng)支架Ⅰ在滑軌內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)。

4.2 支撐系統(tǒng) 推動(dòng)支架Ⅰ帶動(dòng)推動(dòng)支架Ⅱ進(jìn)行滑動(dòng)，推動(dòng)支架Ⅱ帶動(dòng)調(diào)整電機(jī)和推動(dòng)凸輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)凸輪的兩側(cè)均設(shè)置有一定的錐度，兩個(gè)升降滑動(dòng)板上均固定連接有多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，每個(gè)升降滑動(dòng)板上的多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)之間的間距相同，其中一個(gè)升降滑動(dòng)板位于水平腰孔的一端時(shí)，另一個(gè)升降滑動(dòng)板位于豎直腰孔的下端，推動(dòng)凸輪依次推動(dòng)位于中部的多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降，多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮端的長(zhǎng)度依次根據(jù)一天中的不同時(shí)段進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)需要啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量較多時(shí)，位于這個(gè)時(shí)段位置的伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮端較長(zhǎng)，當(dāng)需要啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量較少時(shí)，位于這個(gè)時(shí)段位置的伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮端較端短。

4.3 送風(fēng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)推動(dòng)凸輪在滑軌滑動(dòng)一次的時(shí)間為一天，推動(dòng)凸輪推動(dòng)對(duì)應(yīng)時(shí)段的伸縮機(jī)構(gòu)向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，伸縮機(jī)構(gòu)可以是液壓缸或者電動(dòng)推桿等，伸縮機(jī)構(gòu)伸縮端的長(zhǎng)度不同，伸縮機(jī)構(gòu)被推動(dòng)上升的高度也不同，對(duì)應(yīng)時(shí)段的伸縮機(jī)構(gòu)在豎直腰孔內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)，推動(dòng)彈簧推動(dòng)板向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，彈簧推動(dòng)板帶動(dòng)船型板向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，船型板升降不同的高度推動(dòng)不同數(shù)量的滑動(dòng)桿向靠近支撐板Ⅰ側(cè)進(jìn)行滑動(dòng)。

4.4 通風(fēng)系統(tǒng) 滑動(dòng)桿帶動(dòng)彈簧擋板向靠近支撐板Ⅰ側(cè)進(jìn)行滑動(dòng)，彈簧擋板擠壓動(dòng)力電機(jī)開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力電機(jī)啟動(dòng)，滑動(dòng)桿通過(guò)連桿推動(dòng)滑動(dòng)摩擦輪在連接鍵上進(jìn)行滑動(dòng)，滑動(dòng)摩擦輪和摩擦輪進(jìn)入摩擦傳動(dòng)，摩擦輪被對(duì)應(yīng)的動(dòng)力電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦輪帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的通風(fēng)風(fēng)扇進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)機(jī)房進(jìn)行通風(fēng)。

4.5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)絲桿驅(qū)動(dòng)推動(dòng)機(jī)構(gòu)在滑軌滑動(dòng)一次時(shí)，對(duì)應(yīng)的一天的時(shí)間，當(dāng)一天的時(shí)間過(guò)去時(shí)，推動(dòng)凸輪不再推動(dòng)任何伸縮機(jī)構(gòu)，升降滑動(dòng)板在彈簧推動(dòng)板的作用下落回水平滑槽內(nèi)，并使得水平滑動(dòng)板插入升降滑動(dòng)板內(nèi)，推動(dòng)水平滑動(dòng)板進(jìn)行滑動(dòng)，使得原先位于中部的升降滑動(dòng)板向水平滑槽的一端進(jìn)行滑動(dòng)，原先位于另一端的升降滑動(dòng)板滑動(dòng)至水平腰孔的中部位于豎直腰孔的下方，兩個(gè)升降滑動(dòng)板上設(shè)置的多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮端的長(zhǎng)度相反設(shè)置，裝置再次運(yùn)行時(shí)，方向轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)推動(dòng)機(jī)構(gòu)在滑軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在依次推動(dòng)多個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮端，重復(fù)工作，完成多天的重復(fù)工作；推動(dòng)凸輪的寬度和每?jī)蓚€(gè)伸縮機(jī)構(gòu)伸縮端的距離相等，保證在通風(fēng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)斷檔的情況。

5 結(jié)論

本文討論了在數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)過(guò)程中，一種應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房的通風(fēng)換氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它借鑒了農(nóng)民蔬菜大棚溫濕度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析一天中機(jī)房溫度的變化，溫度較高時(shí)需要使用較多的通風(fēng)機(jī)構(gòu)，提高冷卻效果，當(dāng)溫度較低時(shí)使用較少的通風(fēng)機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。