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     一、数据中心IT设备对环境的要求

  因为IT设备在24小时×365天不间断地运行过程中，会产生巨大的发热量，为保证设备工作安全可靠，必须为IT类设备提供正常工作的温度、湿度、洁净度等环境。所以每个IT设备的厂家对设备运行环境的温度、湿度、洁净度都有着严格要求，部分计算厂家、机构对环境的要求如表1所示，部分交换机厂家对环境的要求如表2所示。

表1 部分计算厂家、机构对环境的要求

表2 部分交换机厂家对环境的要求

  二、数据中心不良环境对IT设备的危害

  数据中心的环境包括温度问题、湿度问题、灰尘等。当环境不良时，将对IT设备运行产生严重干扰或损坏。

  1）温度与平均无故障运行时间（MTBF）的关系——“10℃”法则

  由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高，使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。因此，热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个最重要的因素。对某些电路来说，可靠性几乎完全取决于热环境。所以，为达到预期的可靠性目的，必须将元器件的温度降低到实际可以达到的最低水平。有资料表明：环境温度每提高10℃，元器件寿命就会降低30%～50%，影响小的也基本都在10%以上。这就是有名的“10℃”法则。

  2）高温对元器件的影响

  a.半导体器件

  电子元器件在工作时产生大量的热量，如果没有有效的措施及时地把热量散走，就会使集成电路和晶体管等半导体器件形成结晶，这种结晶是直接影响计算机性能、工作特性和可靠性的重要因素。

  根据实验得知，室温在规定范围内每增加10℃，半导体器件可靠性约降低25%。

  器件周围的环境温度大约超过60℃时，就将引起计算机发生故障，当半导体器件的结温过高时，其穿透电流和电流倍数就会增大。

  b. 电容器

  温度对电容器的影响主要是使电容器电解质中的水分蒸发增大，降低其容量，缩短使用寿命，改变电容器的介质损耗，影响其功率因数等参数的变化。

  实验得知，在超过规定温度工作时，温度每增加10℃，电容器使用时间下降50%。

  c. 磁介质

  实验表明，当磁带、磁盘、光盘所处温度持续高于37.8℃时，开始出现损坏；当温度持续高于65.6℃时，则完全损坏。

  对磁介质来说，随着温度的升高，磁导率开始增大，当温度升高到某一值时，磁介质将失去磁性，磁导率急剧下降。磁性材料失去磁性的温度称为居里温度。

  d. 绝缘材料

  由于高温的影响，用玻璃纤维橡胶板制成的印刷电路板将发生变形甚至软化，结构强度变弱，印刷电路板上的铜箔也会由于高温的影响而使粘贴强度降低甚至剥落，高温还会加速印制插头和插座金属簧卡的腐蚀，使接点的接触电阻增加。

  e. 电池环境温度与寿命的关系

  如图3所示，电池是对环境温度最敏感的器件（设备），其工作温度需要维持25℃左右，当其工作温度超过25℃时，每上升10℃，其寿命下降50%。

图3 电池环境温度与寿命的关系

  2. 低温对IT设备运行的影响

  低温同样也会导致IT设备的运行问题，包括绝缘材料、电池等，当机房温度过低时，部分IT设备将无法正常运行。

  1）机房温度过低，设备无法运行

  机房的环境温度低于5℃时，通信设备将无法正常运行；机房的环境温度低于−40℃时，铅酸电池将无法提供能量。

  2）绝缘材料

  低温时，绝缘材料会变硬、变脆，使结构强度同样减弱，对于轴承和机械传动部分，由于其自身所带的润滑油受冷凝结，会因黏度增大而出现黏滞现象。

  温度过低时，含锡量高的焊剂会发生分解，从而使电气连接的强度降低，甚至出现脱焊、短路等故障。

  3）电池环境温度与放电容量的关系

  同样，如图4所示，当电池环境温度低于其工作温度25℃时，随着环境温度的下降电池放电容量也下降。

图4 低温下影响电池放电容量

  通常的机房环境湿度要求为40%～65%，在IT类设备工作时，要求湿度为40%～55%。超过65%的湿度为湿度过高，如果湿度超过80%属于潮湿，低于40%属于湿度过低（空气干燥）。

  3. 湿度过高对IT类设备运行的影响

  当空气的相对湿度大于65%时，物体的表面会附着一层厚度为0.001～0.01μm的水膜，当湿度为100%时，水膜厚度为10μm。这样的水膜容易造成“导电小路”或飞弧，会严重降低电路的可靠性。

  在相对湿度保持不变的情况下，温度越高，对设备的影响越大，这是因为水蒸气压力随温度增高而增大，水分子容易进入材料内部。

  当相对湿度由25%增加到80%时，纸张的厚度将增加80%，这就是在潮湿的天气里，打印机无法正常工作的原因。

  4. 湿度过低对IT类设备运行的影响

  静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）是电子工业中普遍存在的“硬病毒”，在内外因条件具备的特定时刻便会发作，业已成为电子工业的隐形杀手。

  据报道，仅美国电子工业每年因ESD造成的损失就达几百亿美元。根据Intel公布的资料，在引起计算机故障的诸多因素中，电气过应力（ElectricalOver Stress，EOS）/ESD是最大的隐患，将近一半的计算机故障都是由EOS/ESD引起的（见图5），ESD对计算机的破坏作用具有隐蔽性、潜在性、随机性和复杂性的特点。

图5 Intel统计计算机故障原因分布

  IT类设备由众多芯片、元器件组成，这些元器件对静电都很敏感（见图6），不同的静电敏感器件受静电损伤的阈值电压如表3所示

图6 芯片被ESD击穿

表3 静电敏感器件受静电损伤的阈值电压

  在空气湿度过低（干燥环境）时，工作人员的活动非常容易产生静电，如表4所示为不同条件下人的各种动作的静电电压产生量。

表4 不同条件下人的各种动作的静电电压产生量

  实验表明，当机房相对湿度为30%时，静电电压为5000V；当相对湿度为20%时，静电电压为10000V；而当相对湿度降到5%时，静电电压达20000V以上。根据IEC 61000-4-2测试标准，静电放电时，产生的瞬间电压可达到7 000V，甚至超过10 000V。

  5. 灰尘对主设备运行的影响

  除温度和湿度之外，灰尘是IT类设备更厉害的杀手。

  1）腐蚀电路板

  微小颗粒吸收空气中的湿气后就在被微小颗粒污染的设备表面形成电解层，这对许多金属会产生腐蚀作用。如果电解液浸透到导线保护层形成腐蚀点，且该腐蚀点所处位置的导体有不同的电压，则在导线与导体之间就可能产生电弧，这样的电弧通常会烧坏元器件。严重的电弧会电解电路板形成导电电桥。

  2）降低绝缘性能

  如表5所示，灰尘中存在大量的金属离子，这些金属离子与潮湿空气结合，就会降低电路与元器件的绝缘性能。

表5 纽约地区通信中心空气平均杂质浓度（mg/m3）

  3）灰尘影响散热，间接地促使零部件温度升高，影响零部件的寿命

  一定量的灰尘附着在电路与元器件上，影响散热效果，导致局部元器件温度上升。《贝尔实验室的研究报告》认为，导致电子设备退化最主要的环境因素是灰尘颗粒和水蒸气，暴露在潮湿空气中的电子设备被微小颗粒污染后（见图7），就可能产生故障，这种故障通常表现为串话和软故障。

图7 灰尘对电路的影响（显微图）

  数据中心内服务器、网络交换设备等IT设备，以及UPS等配套设备的稳定运行，都需要一个稳定的运行环境，因而需要一套环境控制系统。这套环境控制系统可以移除数据中心主设备和配套设备运行时发出的热量，精密调节机房内空气的温度、湿度、洁净度等参数，满足设备内电子器件的可靠工作要求，保证数据中心内各类设备稳定运行，保障数据中心稳定运行。

  所以，数据中心制冷系统的建设要取决于IT设备本身散热的需求，IT设备对其运行环境的要求相对严苛，不良的运行环境会对IT设备造成严重的伤害。