云计算，冷相随――云时代的数据处理环境与制冷方法

阿里巴巴技术团队集体创作，数据中心制冷、节能、安全运维的经验之谈。

大数据与云计算时代已经到来，其背后的硬件支持是规模庞大的数据处理设备与不断增加的数据中心。数据处理设备昼夜不停地运行，散发大量的热量，积聚的热量过多会导致设备过热宕机，冷却过度则会导致能耗过高，那么如何为这些设备创造并维持稳定、合理的环境并尽量降低能耗是非常值得研究的课题。 本书从回顾数据中心发展历程开始，循序渐进地阐述了数据处理设备的环境要求，中心选址，热湿负荷的计算，数据中心可靠性与可用性，制冷空调系统架构，连续制冷，节能措施，制冷空调与自动控制一体化设计，施工验收与测试，运营维护，场地设施管理与制冷空调系统等内容。从数据处理设备的需求、计算的可靠性出发，推导出环境要求与制冷空调的系统架构，并从能耗优化的角度分析了节能措施的种类与适用场景，最后列举了两个行业内有名的工程案例。

任华华：阿里巴巴集团基础资源事业部数据中心架构师，Uptime Institute ATD，国内多部数据中心技术规程和白皮书的参编者。广泛接触并深度参与数据中心的咨询、设计、实施、测试和认证等；主导和参与规划过阿里巴巴多个大型数据中心，尝试将基础设施规划设计与IT业务规划、绿色节能的理念有机结合，并重点关注数据中心的节能措施，尤其是制冷空调系统的节能，熟悉数据中心能耗分析。安真：数据中心资深架构师，Uptime Institute ATD。曾先后就职于中国电子工程设计院、HP、IBM等多家知名企业。从事数据中心的咨询、设计、实施、测试和认证等工作，参与了众多大型数据中心的建设工作，主要致力于制冷系统和能源管理方向，参与了国内多部数据中心的规范、规程和白皮书的编写。

韩玉：曾为阿里巴巴集团技术保障部架构委员会七名委员之一，数据中心首席架构师；中国数据中心工作组专家委员，制冷学会数据中心工作组委员，国内多个数据中心的在编标准、技术规程的参编者。

第1章 数据中心概述 1
1．1 信息化、大数据、云计算与数据中心 2
1．2 数据中心的发展历程 3
1．2．1 数据中心阶段性发展介绍 3
1．2．2 数据中心功能演进 4
1．2．3 新一代数据中心与云计算中心 5
1．3 数据中心建设模式的发展历程 5
第2章 数据处理设备的发展及环境要求 7
2．1 数据处理设备的发展及现状 7
2．1．1 服务器的发展及现状 7
2．1．2 存储设备的发展及现状 10
2．2 数据处理设备的环境要求 15
2．2．1 数据处理设备的温度、湿度要求 16
2．2．2 环境要求放宽对数据处理设备的影响 19
2．2．3 数据处理设备对洁净度及气相污染物要求 22
2．2．4 数据处理环境温度对噪声的影响 25
2．2．5 数据中心环境参数的选择 25
第3章 数据中心的选址 28
3．1 选址分析及评价 28
3．2 选址要求 31
3．3 选址对数据中心空调制冷系统的影响 35
第4章 数据中心热湿负荷的计算 36
4．1 热湿负荷的计算依据及方法 36
4．2 数据中心热负荷分布实例 39
第5章 数据中心可靠性与可用性 40
5．1 可靠性与可用性定义 40
5．1．1 可靠性 40
5．1．2 可用性 41
5．2 可靠性、可用性与系统设计 42
5．3 可靠性等级 44
5．4 制冷空调系统的可靠性等级 46
第6章 数据中心制冷空调系统架构 49
6．1 数据中心气流组织形式与空调末端设备 49
6．1．1 气流组织形式 49
6．1．2 空调末端设备 54
6．2 数据中心冷源架构 59
6．2．1 直接膨胀风冷式 59
6．2．2 直接膨胀水冷式 60
6．2．3 风冷式冷冻水式 61
6．2．4 水冷式冷冻水式 62
6．2．5 吸收式制冷 63
6．3 制冷空调系统常用节能器 64
6．3．1 风侧节能器 64
6．3．2 水侧节能器 66
6．3．3 节能器类型的选择 67
6．4 冷冻水系统的类型与比较 67
6．5 制冷空调系统设计的气象依据 70
6．5．1 我国五大气象区及制冷空调系统的选择 72
6．5．2 不同气象区制冷系统的区别 83
6．6 制冷系统的方案比较与选择 90
6．7 连续制冷 97
6．7．1 连续制冷的必要性 97
6．7．2 数据中心Tier级别与连续制冷 99
6．7．3 制冷系统类型与连续制冷 100
6．7．4 蓄冷技术在数据中心空调系统中的应用 100
6．8 主要制冷空调设备 102
6．8．1 离心式冷水机组 102
6．8．2 冷却水塔 108
6．8．3 水泵 112
6．8．4 板式热交换器 113
6．8．5 水处理设备选择 114
第7章 制冷空调系统与节能 116
7．1 PUE概念及数据中心能耗分析 116
7．2 不同气象区相同制冷空调系统对PUE的影响 118
7．3 供水温度及送风温度设定点 对PUE的影响 120
7．4 不同制冷空调系统对PUE的影响 121
7．5 制冷空调系统节能措施 125
7．6 制冷空调系统节能新趋势 126
7．6．1 高温数据中心 126
7．6．2 芯片/IT节点冷却的节能方式 130
第8章 制冷空调自动控制一体化设计 135
8．1 自动化控制系统的可靠性 135
8．2 自动化控制系统的功能 140
8．3 控制器 141
8．4 自动化控制系统工作站软件 144
第9章 施工、验收与测试 148
9．1 施工 148
9．1．1 施工范围及内容 148
9．1．2 施工遵循的主要规范 148
9．1．3 施工现场控制重点 149
9．1．4 施工现场配合要点 149
9．1．5 金属风管、部件的加工制作与安装 151
9．1．6 通风与空调设备的安装 154
9．1．7 空调制冷设备的安装 154
9．1．8 空调水系统管道与附件安装 156
9．1．9 防腐与绝热 157
9．1．10 监测与自动控制系统安装 158
9．1．11 系统试运行与调试 161
9．2 验收与测试 162
9．2．1 外观验收 162
9．2．2 性能测试 163
9．2．3 控制（BA）系统测试 169
第10章 运行维护 172
10．1 主动式运行维护 172
10．1．1 HVAC闭式系统的主动式维护 172
10．1．2 HVAC开式系统的主动式维护 173
10．1．3 冷水机组的主动式维护 174
10．1．4 CRAC/CRAH的主动式维护 175
10．1．5 建筑物外部设施的主动式维护 176
10．1．6 建筑物内部的主动式维护 176
10．1．7 自动控制系统的主动式维护 177
10．2 运行维护人员的培训体系 178
第11章 场地设施管理系统与制冷空调系统 179
11．1 场地设施管理的意义 179
11．2 场地设施管理系统的功能与特点 181
11．3 场地设施管理系统与制冷空调系统的优化运行 183
第12章 工程实例 186
12．1 阿里巴巴千岛湖数据中心 186
12．2 阿里巴巴张北数据中心 188
12．2．1 选址依据 188
12．2．2 张北气象分析及制冷空调方案选择 189
12．2．3 张北制冷空调系统详解 193
12．2．4 张北数据中心效果图 204
附录A 数据中心空调制冷系统常见问题 206
附录B 术语解释 209
参考文献 211
后记 212

序

随着云计算时代的到来，数据中心在各行各业，特别是互联网行业的不断进步，云计算数据中心如雨后春笋快速发展，为支撑业务发展起了关键作用。由于业务的飞速增长，数据中心的规模也在不断增长，其能耗成为影响数据中心发展的关键因素。国家统计局发布的数据显示，2015年全国绝对发电量为56 184亿度，三峡水电站发电量为870亿度，据不完全统计，全国数据中心年耗电量约占全国发电量的1.5%，即2015年全国数据中心年耗电量约843亿度，相当于消耗了三峡水电站全年的发电量，其能耗是比较大的。因此，节能对数据中心的持久发展至关重要。数据中心的耗能主要是IT设备和空调系统，本书着重讨论空调系统的可靠性和面临的节能问题。

2008年，新版国家标准GB50174—2008《电子信息系统机房设计规范》由住房和城乡建设部、国家质量监督检验检疫总局联合发布实施，标志着中国大规模建设数据中心的开始，在保证数据中心可靠性的前提下，规范对数据中心节能原则进行了阐述，推动了数据中心节能技术的发展。2016年，新版国家标准《数据中心设计规范》将面世，其节能思想将进一步推动数据中心节能技术的发展。美国采暖制冷与空调工程师协会2011年发布了《数据设备环境指南》，提出了数据设备对环境的要求，对数据中心节能具有重要的参考作用。

本书从回顾数据中心发展历程开始，循序渐进地阐述了数据中心可靠性和空调系统节能的思路，内容主要包括数据处理设备的发展及环境要求、数据中心选址、热湿负荷的计算、可靠性与可用性、制冷空调系统架构、制冷空调系统与节能、制冷空调与自控一体化设计、施工验收与测试、运营维护、场地设施管理与制冷空调系统、工程实例等内容，是一本值得数据中心空调专业和其他专业人员好好学习的参考书。

本书凝聚了阿里人及其编写团队对数据中心的热爱和孜孜以求的科学精神，感谢为本书出版付出辛勤劳动的编写团队，希望大家能从书中得到启迪和帮助。

钟景华

前 言

随着IT技术不断的创新、发展及人民群众物质文化需求的日益提高，各行各业的经营、运营维护、管理水平不断提高，越来越多的企业逐渐意识到数据处理、存储、交换和分析对企业的价值影响巨大，数据已经逐渐成为企业最重要的核心资产，数据中心也处于快速发展时期。

数据中心支持的业务类别不同，对其功能要求自然不同，数据处理环境及制冷空调设计的架构会有所区别，投资费用也会有很大差别。例如，金融行业对数据的安全性要求较高，则其数据中心往往投资巨大；而云计算业务的数据中心，其信息系统自身的可靠性就很高，部分服务器的宕机不致引起IT业务的中断，则云计算数据中心的环境要求和制冷空调设计就没有必要盲目攀高。因此，根据数据处理设备的特性、数据处理的功能、数据处理的业务等级选择适当的数据处理环境并进行合理的制冷空调设计，对数据中心的选择和建设意义重大。环境要求过于苛刻、制冷空调设计可靠性过高，则会造成初始投资巨大、运行费用高昂、能源消耗过高；环境要求过于宽松、制冷空调设计可靠性过低，又可能无法满足业务需求，容易造成数据处理设备宕机，对企业造成巨大的经济损失。

本书编写的主要目的是明晰数据处理设备的环境要求，并根据环境要求、计算业务可靠性等级提出合理的制冷空调设计方案，帮助有数据处理业务需求的企业选择、规划、建设适合自己业务需求的数据中心。本书参考了国内外数据处理设备的环境标准，针对不同业务可靠性级别的数据中心，详解数据处理设备的环境要求，制冷空调系统的规划、设计、实施、验证方法，做到技术先进、安全可靠、经济合理、运行节能，并提出制冷空调、自动控制一体化设计的需求，为新建、扩建和改建数据中心的工程设计、设备容量、施工安装、竣工验收、运行和维护管理等工作提供技术依据。

本书编写单位阿里巴巴集团技术保障部近几年一直在从事数据处理环境的选择、分析、测试、竣工验收等，积累了丰富的经验，也参与过多项国家规范的编写工作，现在，阿里人本着一颗开放感恩的心，聚集公司内专家任华华、韩玉、刘水旺、钟杨帆、沈烨烨和业内资深专家安真、郝海仙、崔红实，分享经验，共同完成了本书的编写，希望能抛砖引玉，给大家的工作和学习带来帮助。

编著者