TIA-942 資料中心標準 – 新手自學第4天 (冷卻環控)

引言

如果說電力基礎設施是資料中心的心臟，那麼冷卻與環境控制系統就如同資料中心的「散熱系統」與「呼吸系統」。在資料中心高速運轉的背後，是大量電子元件持續不斷地產生熱能。這些熱能若不及時有效地排出，將導致設備過熱、效能下降、甚至損壞，嚴重影響資料中心的穩定性與可靠性。因此，一套高效、可靠的冷卻與環境控制系統，對於確保資料中心設備在最佳狀態下運行至關重要。

隨著資料中心規模的擴大和伺服器密度的提升，資料中心的散熱挑戰也日益嚴峻。傳統的風冷技術在面對高密度、高功耗的伺服器時，已逐漸顯得力不從心。為了應對不斷增長的散熱需求，資料中心業者不斷探索更先進、更高效的冷卻技術，從風冷到液冷，再到混合冷卻系統，冷卻技術的演進歷程，也反映了資料中心技術發展的脈動。

TIA-942-C 標準，在冷卻與環境控制方面，同樣提出了詳盡的規範，涵蓋了溫度、濕度、氣流、潔淨度、噪聲等多個環境參數的要求，並針對不同 Rated 等級的資料中心，提出了相應的冷卻系統設計建議。TIA-942-C 的目標，是引導資料中心業者打造出一個能夠精確控制環境參數、高效散熱、節能環保的冷卻與環境控制系統，為資料中心設備的穩定運行，以及能源效率的提升，提供堅實的保障。

在今天的專欄中，我們將深入剖析 TIA-942-C 標準中關於冷卻與環境控制的各項重要規範，從環境參數要求、冷卻技術演進，到氣流管理、節能策略，再到監控與維護，我們將逐一探討，力求為讀者呈現一幅清晰、全面的資料中心冷卻與環境控制系統藍圖，共同探索如何透過符合 TIA-942-C 標準的冷卻系統設計，打造高效、可靠、綠色的資料中心。

TIA-942-C 冷卻與環境控制標準概述

TIA-942-C 標準對於資料中心的冷卻與環境控制系統，設定了一系列嚴格的規範，其核心目標在於確保資料中心內部環境參數，例如溫度、濕度、氣流、潔淨度等，維持在設備正常運作所需的範圍內，並提供一個安全、舒適的工作環境。具體而言，TIA-942-C 標準對冷卻與環境控制系統提出了以下總體要求：

• 精確的環境控制：能夠精確控制機房內的溫度、濕度、氣流等參數，使其維持在設備製造商建議的範圍內，避免因環境參數異常而影響設備效能或壽命。

• 高效的散熱能力：能夠有效排除機房內設備產生的熱量，防止設備過熱，確保設備在最佳溫度下運行。

• 可靠的系統備援：關鍵冷卻設備應具備冗餘備援，例如冷卻水泵、冷凍機組、空調系統等，確保在主要設備故障時，備用設備能夠及時接替，避免冷卻系統失效導致的設備過熱。

• 節能的運行模式：在滿足環境控制與散熱需求的前提下，盡可能提高能源使用效率，降低冷卻系統的能耗，符合綠色資料中心的發展趨勢。

• 易於監控與維護：冷卻與環境控制系統應具備完善的監控系統，能夠即時監測系統的運行狀態，並提供必要的維護工具與操作空間，方便日常維護與故障排除。

相較於舊版標準，TIA-942-C 在冷卻與環境控制方面，更加強調以下幾個方面：

• 更嚴格的環境參數要求：隨著伺服器等設備功率密度的提升，TIA-942-C 對於機房的溫度、濕度等環境參數提出了更嚴格的要求，以確保高密度設備的穩定運行。

• 更重視液冷技術的應用：液冷技術在高密度散熱方面具有顯著優勢，TIA-942-C 標準更加重視液冷技術在資料中心中的應用，並提供了液冷系統設計與部署的相關指南。

• 更強調氣流管理的最佳化：氣流管理是提高冷卻效率、降低能耗的關鍵。TIA-942-C 標準更加強調氣流管理的重要性，並提供了冷通道封閉、熱通道封閉等氣流管理技術的具體實施建議。

• 更關注邊緣計算資料中心的冷卻需求：邊緣計算資料中心通常部署在空間受限、環境條件較為嚴苛的場所。TIA-942-C 標準也開始關注邊緣計算資料中心的特殊冷卻需求，並提供相應的解決方案。

總體而言，TIA-942-C 標準在冷卻與環境控制方面，不僅延續了舊版標準對於環境參數控制、散熱能力與系統可靠性的嚴格要求，更與時俱進地納入了液冷技術、氣流管理最佳化、邊緣計算資料中心冷卻等新的技術趨勢與應用場景，展現了其作為國際標準的全面性與前瞻性。

環境參數要求 (Environmental Parameter Requirements)

資料中心內的環境參數，例如溫度、濕度、氣流、潔淨度等，直接影響著設備的效能、穩定性與壽命。TIA-942-C 標準對這些環境參數設定了明確的規範範圍，以確保資料中心設備在最佳環境下運行。

溫度 (Temperature)

溫度是影響電子元件效能與壽命最關鍵的環境參數之一。過高的溫度會加速電子元件老化、降低系統可靠性，甚至導致設備故障。TIA-942-C 標準建議，資料中心機房內的伺服器進風口溫度應維持在 18°C 至 27°C (64.4°F 至 80.6°F) 之間。

然而，隨著伺服器技術的發展，以及節能意識的提升，資料中心業界逐漸接受較高的伺服器進風口溫度。美國冷凍空調工程師協會 (ASHRAE) 發布的最新指南，已將伺服器的建議運行溫度範圍擴展至 18°C 至 27°C (64°F 至 80°F)，可接受運行溫度範圍甚至可達 10°C 至 35°C (50°F 至 95°F)。

TIA-942-C 標準也允許資料中心業者根據實際情況，彈性調整機房的溫度設定點，但必須確保設備在製造商建議的溫度範圍內運行，並充分評估高溫運行可能帶來的風險，例如設備可靠性降低、故障率上升等。

濕度 (Humidity)

濕度是另一個重要的環境參數，過高或過低的濕度都可能對資料中心設備造成不利影響。高濕度容易導致水汽凝結，造成設備短路、腐蝕等問題；低濕度則容易產生靜電，可能損壞敏感的電子元件。

TIA-942-C 標準建議，資料中心機房內的相對濕度應維持在 40% 至 60% 之間，露點溫度應維持在 5.5°C 至 15°C (41°F 至 59°F) 之間。ASHRAE 的最新指南，則建議相對濕度範圍為 20% 至 80%，露點溫度範圍為 -9°C 至 20°C (15°F 至 68°F)，允許短期運行露點溫度範圍甚至可達 -12°C 至 24°C (10°F 至 75°F)。

與溫度類似，TIA-942-C 標準也允許資料中心業者根據實際情況，彈性調整機房的濕度設定點，但同樣需要確保設備在製造商建議的濕度範圍內運行，並充分評估濕度過高或過低可能帶來的風險。

氣流 (Airflow)

氣流管理是資料中心冷卻系統設計的關鍵。充足且合理的氣流組織，能夠有效地將設備產生的熱量帶走，避免局部熱點產生，提高整體冷卻效率。TIA-942-C 標準對資料中心機房的氣流管理提出了以下要求：

• 避免冷熱空氣混合：冷熱空氣混合會降低冷卻效率，增加能源消耗。TIA-942-C 建議採用冷通道封閉或熱通道封閉等技術，將冷熱空氣通道隔離，防止混合。

• 確保設備進風口氣流充足：每個伺服器機櫃的進風口都應有足夠的冷空氣供應，以滿足其散熱需求。TIA-942-C 建議透過地板下送風、天花板送風、機櫃式空調等多種方式，確保設備進風口氣流充足。

• 避免氣流短路與回流：氣流短路與回流會降低冷卻效率，甚至導致局部熱點產生。TIA-942-C 建議透過氣流擋板、盲板等措施，防止氣流短路與回流。

潔淨度 (Cleanliness)

資料中心機房內的空氣潔淨度，直接影響著設備的可靠性與壽命。灰塵、微粒等污染物會積聚在設備內部，影響散熱效能，甚至導致設備故障。TIA-942-C 標準建議，資料中心機房內的空氣潔淨度應符合 ISO 14644-1 Class 8 或更高的標準。

為了維持機房的空氣潔淨度，TIA-942-C 建議採取以下措施：

• 空氣過濾：在空調系統中安裝高效空氣過濾器 (HEPA Filter)，過濾空氣中的灰塵、微粒等污染物。

• 正壓環境：維持機房內的正壓環境，防止外部污染物進入機房。

• 定期清潔：定期清潔機房地面、牆壁、天花板、設備表面等，清除積聚的灰塵。

• 人員與物料管控：嚴格控制進出機房的人員與物料，減少污染物帶入機房的機會。

其他環境參數

除了溫度、濕度、氣流、潔淨度之外，TIA-942-C 標準還對其他一些環境參數提出了要求，例如：

• 噪聲 (Noise)：機房內的噪聲水平應控制在 可接受的範圍內，避免對工作人員造成不適，並符合相關的健康與安全法規。

• 照明 (Lighting)：機房內應提供充足、均勻的照明，方便工作人員進行操作與維護。

• 振動 (Vibration)：機房內的振動水平應控制在 可接受的範圍內，避免對精密設備造成影響。

• 電磁干擾 (Electromagnetic Interference, EMI)：機房應採取必要的電磁屏蔽措施，降低電磁干擾對設備的影響。

案例分析：Digital Realty 資料中心

Digital Realty 是全球最大的資料中心供應商之一，其在全球各地運營著數百座資料中心。Digital Realty 在環境控制方面，採用了嚴格的標準與先進的技術，以確保其資料中心的高效運行。例如，Digital Realty 在其位於芝加哥的資料中心，採用了高效的空氣過濾系統、冷通道封閉技術以及智慧化環境監控系統，將機房的溫度、濕度、潔淨度等參數控制在最佳範圍內，並實現了優異的能源效率。

實務建議

• 嚴格遵守 TIA-942-C 標準：資料中心業者應嚴格遵守 TIA-942-C 標準，確保機房的環境參數符合規範要求。

• 持續監控環境參數：建立完善的環境監控系統，即時監測機房的溫度、濕度、氣流、潔淨度等參數，並設定告警閾值，及時發現異常狀況。

• 定期校驗與維護：定期校驗環境監控系統的感測器，確保數據的準確性。定期維護空調系統、加濕除濕設備、空氣過濾系統等，確保其正常運行。

• 彈性調整環境參數設定點：在確保設備安全運行的前提下，可以根據實際情況，彈性調整機房的溫度、濕度設定點，以達到節能的目的。

• 重視機房潔淨度：定期清潔機房，控制人員與物料進出，維持機房的空氣潔淨度。

環境參數控制是資料中心冷卻與環境控制系統的核心任務。透過嚴格遵守 TIA-942-C 標準，並結合先進的監控與管理技術，資料中心業者可以打造出一個環境舒適、潔淨、高效的機房，為設備的穩定運行提供最佳保障。

冷卻技術的演進 (Evolution of Cooling Technologies) – 從風冷到液冷，不斷突破散熱瓶頸

資料中心的冷卻技術，隨著伺服器技術的發展，以及資料中心規模的擴張，經歷了不斷演進與革新的歷程。從早期的機房級空調，到機櫃級空調，再到近年來興起的液冷技術與混合冷卻系統，冷卻技術的發展脈絡，反映了資料中心散熱需求不斷提升，以及對能源效率、空間利用率要求日益嚴苛的趨勢。

風冷技術 (Air Cooling) – 歷史悠久，應用廣泛的基礎冷卻方案

風冷技術是資料中心最傳統、也是應用最為廣泛的冷卻方式。其基本原理是利用空氣作為冷卻介質，透過空調系統將機房內的熱空氣冷卻後，再送回機房，循環往復，達到散熱的目的。風冷技術發展歷史悠久，技術成熟，成本相對較低，適用於各種規模的資料中心，特別是中小型、低密度資料中心。

常見的風冷技術方案包括：

• 機房級空調 (Computer Room Air Conditioning, CRAC)：CRAC 是最傳統的資料中心空調系統，通常部署在機房四周，透過送風管道將冷空氣送到機櫃前方，熱空氣則從機櫃後方排出，再由 CRAC 回收冷卻。CRAC 的優點是技術成熟、易於維護，缺點是冷卻效率相對較低、能源消耗較高、佔用機房空間較大。

• 機櫃級空調 (Row-based Cooling)：機櫃級空調，又稱列間空調，將空調設備直接部署在伺服器機櫃列之間，縮短了冷空氣的輸送距離，提高了冷卻效率。機櫃級空調的優點是冷卻效率較 CRAC 高、可實現區域精確冷卻，缺點是成本較 CRAC 高、佔用機櫃列空間。

• 冷通道/熱通道封閉 (Cold/Hot Aisle Containment)：冷通道/熱通道封閉是一種氣流管理技術，透過物理隔離的方式，將冷空氣通道與熱空氣通道分隔開來，防止冷熱空氣混合，提高冷卻效率。冷通道封閉將冷空氣集中在伺服器機櫃前方的冷通道內，熱通道封閉則將熱空氣集中在機櫃後方的熱通道內，兩種方式都能有效提高冷卻效率，降低能源消耗。

風冷技術的優點：

• 技術成熟，可靠性高：風冷技術發展歷史悠久，技術成熟可靠，維護經驗豐富。

• 成本相對較低：相較於液冷技術，風冷技術的設備採購成本、建置成本、維護成本都相對較低。

• 適用範圍廣泛：風冷技術適用於各種規模、各種密度的資料中心，具有廣泛的適用性。

風冷技術的缺點：

• 冷卻效率較低：在面對高密度、高功耗的伺服器時，風冷技術的散熱能力有限，難以滿足散熱需求。

• 能源消耗較高：風冷系統的能源消耗較高，特別是在高溫、高濕度地區，能耗問題更加突出。

• 佔用機房空間較大：CRAC 等風冷設備佔用機房空間較大，降低了機房的空間利用率。

• 噪聲較大：風冷設備運轉時產生較大的噪聲，影響機房工作環境。

液冷技術 (Liquid Cooling) – 高密度散熱的新選擇

隨著伺服器功率密度的持續攀升，傳統風冷技術在散熱能力方面逐漸達到瓶頸。為了應對高密度散熱的挑戰，液冷技術應運而生，並逐漸成為高效散熱的新選擇。液冷技術利用液體（例如水、冷卻液）作為冷卻介質，直接或間接地將伺服器等設備產生的熱量帶走。由於液體的熱容和導熱係數遠高於空氣，因此液冷技術具有比風冷技術更高的散熱效率和更低的能源消耗。

常見的液冷技術方案包括：

• 浸沒式液冷 ((Immersion Cooling)：浸沒式液冷是將伺服器等設備直接浸沒在冷卻液中，利用冷卻液直接帶走設備產生的熱量。浸沒式液冷的散熱效率極高，可以有效解決高密度散熱問題，但同時也面臨設備維護、液體洩漏等挑戰。直接液冷又可分為浸沒式兩相液冷和浸沒式單相液冷兩種。
  • 浸沒式兩相液冷 (Immersion Two-Phase Cooling)：利用特殊冷卻液的相變特性（沸騰、蒸發），將熱量以蒸發潛熱的形式帶走，散熱效率極高，但冷卻液成本較高，系統複雜度較高。
  • 浸沒式單相液冷 (Immersion Single-Phase Cooling)：利用普通冷卻液的熱容特性，透過液體循環將熱量帶走，散熱效率較兩相液冷稍低，但系統相對簡單，成本較低。

• 直接液冷 (Direct Liquid Cooling;DLC)：又稱 Direct-to-Chip Cooling，冷板式液冷，不將伺服器直接浸沒在冷卻液中，而是將冷卻液導入安裝在伺服器 CPU、GPU 等發熱元件上的冷板 (Cold Plate) 中，透過冷板將熱量傳導至冷卻液，再由冷卻液將熱量帶走。直接液冷兼具散熱效率與維護便利性，是目前資料中心液冷技術的主流方案。直接液冷又可分為機櫃級液冷和伺服器級液冷兩種。
  • 機櫃級液冷 (Rack-based Liquid Cooling)：將液冷散熱迴路整合到機櫃中，每個機櫃配備獨立的液冷散熱系統，適用於中高密度資料中心。
  • 伺服器級液冷 (Node-based Liquid Cooling)：將液冷散熱組件直接整合到伺服器內部，每個伺服器節點配備獨立的液冷散熱系統，適用於高密度、超高密度資料中心。

液冷技術的優點：

• 散熱效率極高：液體的散熱能力遠高於空氣，液冷技術可以有效解決高密度散熱問題。

• 能源效率較高：液冷系統的能源消耗較風冷系統低，可以顯著降低資料中心的 PUE 值 (Power Usage Effectiveness)。

• 噪聲較低：液冷系統的噪聲遠低於風冷系統，可以改善機房工作環境。

• 空間利用率更高：液冷系統所需的空間較風冷系統小，可以提高機房的空間利用率。

液冷技術的缺點：

• 技術相對新興：液冷技術相較於風冷技術，發展時間較短，技術成熟度仍有提升空間。

• 成本較高：液冷技術的設備採購成本、建置成本、維護成本都較風冷技術高。

• 維護複雜度較高：液冷系統的維護複雜度較風冷系統高，需要專業的技術人員進行維護。

• 液體洩漏風險：液冷系統存在液體洩漏的風險，一旦發生洩漏，可能會對設備造成損壞。

混合冷卻系統 (Hybrid Cooling Systems) – 兼顧效率與彈性的折衷方案

為了兼顧風冷技術的成熟可靠與液冷技術的高效散熱，資料中心業者開始探索混合冷卻系統。混合冷卻系統通常結合了風冷與液冷兩種技術，根據資料中心的不同區域、不同設備的散熱需求，靈活採用不同的冷卻方案。例如，對於低密度區域，可以採用風冷技術；對於高密度區域，則採用液冷技術。

常見的混合冷卻系統方案包括：

• 風冷 + 間接液冷：在機房整體採用風冷系統，對於高密度伺服器機櫃，則採用間接液冷技術進行局部加強散熱。這種方案兼顧了風冷技術的成熟可靠與液冷技術的高效散熱，是目前混合冷卻系統的主流方案。

• 自然冷卻 + 液冷：在氣候條件適宜的地區，可以充分利用自然冷卻 (例如自由冷卻) 技術，降低空調系統的運轉時間與能耗。對於自然冷卻無法滿足散熱需求的設備，則採用液冷技術進行補充散熱。這種方案可以最大程度地降低能源消耗，實現綠色資料中心的目標。

• 浸沒式液冷 + 風冷：對於超高密度伺服器機櫃，可以採用浸沒式液冷技術進行散熱；對於其他低密度設備，則採用風冷技術進行散熱。這種方案適用於超高密度資料中心，可以實現極致的散熱效率。

混合冷卻系統的優點：

• 兼顧效率與彈性：混合冷卻系統可以根據不同區域、不同設備的散熱需求，靈活採用不同的冷卻方案，兼顧散熱效率與系統彈性。

• 降低整體成本：相較於完全採用液冷技術，混合冷卻系統可以在滿足散熱需求的同時，有效控制整體成本。

• 提高能源效率：混合冷卻系統可以充分利用各種節能技術，例如自然冷卻、液冷等，提高整體能源效率，降低 PUE 值。

混合冷卻系統的缺點：

• 系統複雜度較高：混合冷卻系統整合了多種冷卻技術，系統複雜度較單一冷卻系統高，設計、建置、維護難度較大。

• 管理挑戰較大：混合冷卻系統需要對不同區域、不同設備的冷卻需求進行精細化管理，管理挑戰較單一冷卻系統大。

案例分析：Microsoft 海底資料中心 Project Natick

Microsoft 的 Project Natick 海底資料中心項目，是液冷技術在資料中心領域的創新應用。該項目將整個資料中心密封在一個圓柱形艙體內，沉入海底，利用海水進行自然冷卻。海底資料中心採用了浸沒式液冷技術，將伺服器浸沒在特殊冷卻液中，利用海水的低溫特性進行散熱，實現了極高的能源效率與可靠性。

實務建議

• 根據資料中心特性選擇冷卻技術：資料中心業者應根據自身的規模、密度、氣候條件、預算限制等因素，綜合考量各種冷卻技術的優缺點，選擇最適合自身資料中心的冷卻方案。

• 優先考慮液冷技術在高密度場景的應用：對於高密度、超高密度資料中心，液冷技術是更高效、更節能的散熱方案，應優先考慮採用。

• 積極探索混合冷卻系統：混合冷卻系統可以兼顧風冷與液冷的優點，是一種具有發展潛力的冷卻方案，值得資料中心業者積極探索與應用。

• 重視冷卻系統的可靠性與維護性：無論採用何種冷卻技術，都應重視系統的可靠性與維護性，選擇品質可靠、易於維護的設備，並建立完善的維護管理制度，確保冷卻系統的長期穩定運行。

• 持續關注冷卻技術的發展趨勢：冷卻技術仍在不斷發展演進，新的技術、新的方案不斷湧現。資料中心業者應持續關注冷卻技術的發展趨勢，及時了解最新的技術動態，並評估其應用價值，以保持技術領先優勢。

冷卻技術的演進，是資料中心技術進步的重要體現。從風冷到液冷，再到混合冷卻系統，每一次技術革新，都為資料中心帶來更高的散熱效率、更低的能源消耗、更佳的空間利用率。隨著資料中心規模的持續擴張和伺服器密度的不斷提升，冷卻技術的發展將永不停歇，持續為資料中心的高效、穩定、綠色運行保駕護航。

氣流管理 (Airflow Management) – 提升冷卻效率的關鍵策略

在資料中心的冷卻系統中，氣流管理扮演著至關重要的角色。即使擁有先進的冷卻設備，如果氣流組織不合理，冷熱空氣混合，仍然會導致冷卻效率低下、能源浪費、甚至局部熱點產生。有效的氣流管理策略，能夠確保冷空氣精準地送到需要散熱的設備，並快速帶走熱量，最大化冷卻系統的效能，降低能源消耗，提升資料中心的整體運行效率。

TIA-942-C 標準高度重視氣流管理，並將其視為資料中心冷卻系統設計的關鍵環節。TIA-942-C 建議資料中心業者應採取一系列氣流管理措施，以優化機房的氣流組織，提升冷卻效率。常見的氣流管理技術與策略包括：

冷通道封閉 (Cold Aisle Containment, CAC)

冷通道封閉是最常見、也是最有效的氣流管理技術之一。其基本原理是將伺服器機櫃前方的空間封閉起來，形成一個冷空氣通道 (Cold Aisle)。冷空氣從地板下或機櫃式空調送入冷通道，伺服器從冷通道吸入冷空氣進行散熱，熱空氣則從機櫃後方排出到機房的熱通道 (Hot Aisle) 中。透過冷通道封閉，可以有效地將冷空氣限制在冷通道內，防止冷熱空氣混合，提高冷卻效率，降低能源消耗。

冷通道封閉的實施方式多樣，常見的包括：

• 頂部封閉 (Ceiling Containment)：在冷通道的頂部加裝頂板，將冷通道上方空間封閉起來。

• 端門封閉 (Aisle Ends Containment)：在冷通道的兩端加裝門或擋板，將冷通道兩端封閉起來。

• 頂部 + 端門封閉 (Complete Containment)：同時採用頂部封閉與端門封閉，將冷通道完全封閉起來，達到最佳的封閉效果。

熱通道封閉 (Hot Aisle Containment, HAC)

熱通道封閉與冷通道封閉原理類似，但封閉的對象是伺服器機櫃後方的空間，形成一個熱空氣通道 (Hot Aisle)。伺服器從機房環境中吸入冷空氣，熱空氣則從機櫃後方排出到熱通道中，再由空調系統從熱通道回收熱空氣進行冷卻。熱通道封閉同樣可以有效地防止冷熱空氣混合，提高冷卻效率，降低能源消耗。

熱通道封閉的實施方式也與冷通道封閉類似，包括頂部封閉、端門封閉以及頂部 + 端門封閉等。

冷通道封閉 vs. 熱通道封閉

冷通道封閉與熱通道封閉都是有效的氣流管理技術，兩者各有優缺點，適用於不同的應用場景：

總體而言，冷通道封閉由於成本較低、易於實施、人員工作環境較舒適等優點，成為目前資料中心氣流管理的主流選擇。熱通道封閉則在高密度資料中心，或需要更精確控制熱空氣流動的場景下，具有一定的優勢。

氣流擋板 (Airflow Baffle) 與盲板 (Blanking Panel)

除了通道封閉技術之外，氣流擋板與盲板也是常用的氣流管理工具。

• 氣流擋板：用於引導氣流方向，防止氣流短路與回流。例如，在機櫃下方安裝氣流擋板，可以防止冷空氣從機櫃底部洩漏；在機櫃上方安裝氣流擋板，可以防止熱空氣回流到機櫃前方。

• 盲板：用於封閉機櫃中未使用的空間 (例如空的 U 位)，防止冷熱空氣在機櫃內部混合。機櫃中若有空置的 U 位，會導致冷空氣繞過伺服器，直接與熱空氣混合，降低冷卻效率。使用盲板封閉空置 U 位，可以確保冷空氣全部流經伺服器，提高冷卻效率。

機櫃排列方式最佳化 (Rack Layout Optimization)

機櫃的排列方式也會影響機房的氣流組織。TIA-942-C 建議採用冷熱通道排列 (Hot Aisle/Cold Aisle Layout) 方式，將伺服器機櫃正面相對排列形成冷通道，背面相對排列形成熱通道。這種排列方式可以有效地將冷熱空氣通道分隔開來，配合通道封閉技術，可以進一步提高冷卻效率。

除了冷熱通道排列之外，還可以根據機房的具體情況，採用其他機櫃排列方式，例如：

• 面對面/背對背排列 (Face-to-Face/Back-to-Back Layout)：將機櫃正面相對或背面相對排列，形成冷通道或熱通道。

• 環形排列 (Circular Layout)：將機櫃環形排列，中間形成冷通道或熱通道。

• 不規則排列 (Random Layout)：根據機房空間的限制，不規則排列機櫃。不規則排列方式的氣流管理難度較高，通常需要配合更精細的氣流管理措施。

地板下送風管理 (Underfloor Air Distribution Management)

對於採用地板下送風的資料中心，地板下空間 (Plenum) 的氣流管理也至關重要。TIA-942-C 建議：

• 確保地板下空間的氣密性：防止冷空氣從地板下空間洩漏，降低送風效率。

• 合理規劃地板下送風開孔：根據機櫃的散熱需求，合理規劃地板下送風開孔的位置與大小，確保每個機櫃都能獲得足夠的冷空氣供應。

• 避免地板下空間障礙物：清理地板下空間的障礙物，例如線纜、管道等，確保氣流通暢。

案例分析：Google 資料中心

Google 在其全球各地的資料中心中，高度重視氣流管理。Google 採用了冷通道封閉、熱通道封閉、氣流擋板、盲板等多種氣流管理技術，並根據不同資料中心的具體情況，靈活調整氣流管理策略。例如，在一些氣候涼爽的地區，Google 會採用自然冷卻技術，並配合氣流管理措施，最大程度地利用自然冷源，降低能源消耗。

實務建議

• 將氣流管理納入冷卻系統設計的重點：在資料中心冷卻系統設計階段，就應充分考慮氣流管理，將其作為提升冷卻效率、降低能耗的關鍵策略。

• 根據資料中心特性選擇氣流管理技術：不同規模、不同密度的資料中心，適用不同的氣流管理技術。應根據資料中心的具體情況，選擇最適合的氣流管理方案。

• 優先考慮通道封閉技術：通道封閉技術是目前最有效、最常用的氣流管理技術，應優先考慮採用。

• 精細化管理氣流：氣流管理是一個持續最佳化的過程。應定期評估機房的氣流組織狀況，找出改善空間，並持續導入新的氣流管理措施。

• 結合監控系統，即時掌握氣流狀況：透過環境監控系統，即時監測機房各區域的溫度、氣流速度等參數，可以幫助管理者及時掌握氣流狀況，並根據實際情況調整氣流管理策略。

氣流管理是資料中心冷卻系統設計的精髓所在。透過精心設計、精細化管理的氣流組織，資料中心可以最大程度地發揮冷卻系統的效能，降低能源消耗，提升運行效率，並為設備的穩定運行提供更可靠的保障。

節能策略 (Energy Efficiency Strategies) – 打造綠色資料中心的必經之路

能源效率已成為現代資料中心設計與運營的核心考量。資料中心龐大的能源消耗不僅帶來高昂的營運成本，更對環境造成巨大的壓力。在全球節能減碳的大趨勢下，資料中心必須積極採取各種節能策略，降低能源消耗，提升能源效率，才能實現永續發展的目標。

TIA-942-C 標準在冷卻與環境控制方面，也明確強調了節能的重要性，並鼓勵資料中心業者採用各種節能技術與策略，打造綠色資料中心。TIA-942-C 建議的節能策略主要包括以下幾個方面：

自然冷卻 (Free Cooling) – 善用自然冷源，大幅降低能耗

自然冷卻，又稱自由冷卻，是一種利用自然環境中的冷源 (例如室外冷空氣、冷水) 進行資料中心冷卻的節能技術。在氣候條件適宜的地區，自然冷卻可以大幅降低甚至完全取代傳統機械製冷 (例如壓縮機空調) 的需求，從而顯著降低冷卻系統的能源消耗。

常見的自然冷卻技術方案包括：

• 直接空氣側外氣冷卻 (Direct Air-Side Economization)：直接引入室外冷空氣，經過過濾、加濕 (必要時) 後，直接送入機房進行冷卻。當室外空氣溫度和濕度條件適宜時，可以直接關閉壓縮機空調，完全依靠室外冷空氣進行冷卻。直接空氣側外氣冷卻的節能效果最為顯著，但對氣候條件要求較高，適用於氣候涼爽乾燥的地區。

• 間接空氣側外氣冷卻 (Indirect Air-Side Economization)：不直接引入室外空氣，而是透過熱交換器 (例如板式熱交換器、熱管熱交換器) 將室外冷空氣的冷量傳遞給機房內的循環空氣，間接進行冷卻。間接空氣側外氣冷卻相較於直接空氣側外氣冷卻，對室外空氣品質要求較低，適用範圍更廣，但節能效果稍遜。

• 水側外氣冷卻 (Water-Side Economization)：利用冷卻水塔或乾式冷卻器等設備，將冷卻水循環到室外進行冷卻，再將冷卻後的冷卻水送回機房，為空調系統或液冷系統提供冷源。水側外氣冷卻的節能效果介於直接空氣側外氣冷卻與間接空氣側外氣冷卻之間，適用於氣候相對涼爽的地區。

• 蒸發冷卻 (Evaporative Cooling)：利用水的蒸發吸熱原理進行冷卻。蒸發冷卻系統將水噴灑到空氣中，水蒸發時吸收空氣中的熱量，降低空氣溫度。蒸發冷卻的節能效果顯著，特別是在乾燥地區，但會增加水的消耗。

自然冷卻技術的優點：

• 節能效果顯著：自然冷卻可以大幅降低甚至完全取代機械製冷的需求，顯著降低冷卻系統的能源消耗，PUE 值可降低至 1.2 甚至更低。

• 降低營運成本：能源消耗降低，直接降低了資料中心的營運成本。

• 環境友善：減少了對傳統製冷的依賴，降低了碳排放，符合綠色資料中心的發展趨勢。

自然冷卻技術的缺點：

• 受氣候條件限制：自然冷卻的節能效果受氣候條件影響較大，在炎熱潮濕地區，自然冷卻的適用性受限。

• 初期投資成本較高：自然冷卻系統的初期投資成本通常較傳統空調系統高。

• 維護複雜度較高：自然冷卻系統的維護複雜度較傳統空調系統高。

變頻技術 (Variable Frequency Drive, VFD) – 精確控制，按需調節

變頻技術是一種透過改變設備 (例如空調壓縮機、水泵、風扇) 運轉頻率，來調節設備輸出功率的節能技術。在資料中心冷卻系統中，採用變頻技術可以根據機房的實際散熱需求，精確調節冷卻設備的運轉功率，避免過度冷卻造成的能源浪費。

常見的變頻技術應用包括：

• 變頻空調 (Variable Frequency Air Conditioner)：變頻空調可以根據機房的溫度變化，自動調節壓縮機的運轉頻率，精確控制冷量輸出，避免傳統定頻空調的頻繁啟停造成的能源浪費。

• 變頻水泵 (Variable Frequency Pump)：在冷卻水循環系統中，採用變頻水泵可以根據系統的實際流量需求，自動調節水泵的轉速，精確控制水流量，避免水泵過度運轉造成的能源浪費。

• 變頻風扇 (Variable Frequency Fan)：在空調系統、冷卻塔、乾式冷卻器等設備中，採用變頻風扇可以根據系統的實際風量需求，自動調節風扇的轉速，精確控制風量，避免風扇過度運轉造成的能源浪費。

變頻技術的優點：

• 節能效果顯著：變頻技術可以根據實際需求精確調節設備輸出功率，避免能源浪費，節能效果顯著。

• 控制精度高：變頻技術可以實現對設備運轉參數的精確控制，提高系統的穩定性與可靠性。

• 延長設備壽命：變頻技術可以減少設備的啟停次數，降低設備的磨損，延長設備的使用壽命。

變頻技術的缺點：

• 設備成本較高：變頻設備的採購成本通常較傳統定頻設備高。

• 技術複雜度較高：變頻技術的控制系統較為複雜，維護難度較定頻設備高。

• 電磁干擾風險：變頻設備運轉時可能產生電磁干擾，需要採取必要的電磁屏蔽措施。

智慧化控制系統 (Intelligent Control System) – 精細管理，最佳化運行

智慧化控制系統是實現資料中心冷卻系統節能運行的核心。透過部署先進的感測器、控制器、以及管理軟體，智慧化控制系統可以即時監測機房的環境參數、設備運行狀態、以及能源消耗數據，並根據預設的策略或人工智慧演算法，自動調節冷卻系統的運行參數，實現精細化管理與最佳化運行。

智慧化控制系統的功能主要包括：

• 即時監控：即時監測機房的溫度、濕度、氣流、電力消耗等環境參數與設備運行狀態。

• 數據分析：對監測數據進行分析，找出能源浪費的環節，評估系統的運行效率，預測設備的故障風險。

• 智慧控制：根據預設的策略或人工智慧演算法，自動調節冷卻設備的運行參數，例如設定溫度、風速、水流量等，實現最佳化運行。

• 告警與報表：當環境參數超出設定範圍或設備發生故障時，及時發出告警，並生成各種報表，方便管理者掌握系統運行狀況。

• 遠端管理：支援遠端監控與管理，方便管理者隨時隨地掌握系統運行狀況，並進行必要的調整與控制。

智慧化控制系統的優點：

• 提升能源效率：透過精細化管理與最佳化運行，智慧化控制系統可以顯著提升冷卻系統的能源效率，降低 PUE 值。

• 提高系統可靠性：即時監控與故障預測功能，可以幫助管理者及時發現並排除潛在的故障風險，提高系統的可靠性。

• 降低維運成本：自動化控制與遠端管理功能，可以減少人工操作與維護工作量，降低維運成本。

• 提升管理水平：智慧化控制系統提供豐富的數據分析與報表功能，可以幫助管理者更深入地了解系統運行狀況，提升管理水平。

智慧化控制系統的缺點：

• 初期投資成本較高：智慧化控制系統的初期投資成本較傳統控制系統高。

• 系統複雜度較高：智慧化控制系統的架構較為複雜，部署與維護難度較高。

• 數據安全風險：智慧化控制系統涉及大量的數據採集與傳輸，存在數據安全風險，需要加強安全防護。

其他節能策略

除了上述幾種主要的節能策略之外，資料中心還可以採用其他多種節能措施，例如：

• 提高伺服器運行溫度：在設備製造商允許的範圍內，適當提高伺服器的進風口溫度設定點，可以降低冷卻系統的能耗。

• 採用高效率伺服器與IT設備：選用能源效率更高的伺服器、網路設備等IT設備，可以從源頭上降低資料中心的整體能耗。

• 虛擬化與整合：透過伺服器虛擬化與整合技術，可以減少物理伺服器的數量，降低設備的總體能耗。

• 機櫃氣流管理最佳化：除了通道封閉之外，還可以透過盲板、氣流擋板、線纜管理等措施，進一步最佳化機櫃內部的氣流組織，提高冷卻效率。

• 定期維護與清潔：定期維護冷卻設備，例如清洗冷凝器、蒸發器、更換過濾器等，可以確保設備維持最佳運行狀態，提高能源效率。

案例分析：阿里巴巴杭州資料中心

阿里巴巴位於中國杭州的資料中心，是亞洲最節能的資料中心之一。該資料中心廣泛應用了自然冷卻、液冷、變頻、智慧化控制等多種節能技術。例如，該資料中心採用了間接蒸發冷卻技術，充分利用杭州濕潤的氣候條件，大幅降低了空調系統的能耗。此外，該資料中心還部署了智慧化控制系統，對冷卻系統進行精細化管理，實現了極低的 PUE 值。

實務建議

• 制定全面的節能策略：資料中心應制定全面的節能策略，涵蓋自然冷卻、變頻技術、智慧化控制、氣流管理、設備選型、維護管理等各個方面。

• 優先考慮自然冷卻技術：在氣候條件允許的地區，應優先考慮採用自然冷卻技術，最大程度地利用自然冷源。

• 積極導入變頻與智慧化控制技術：變頻與智慧化控制技術是提升冷卻系統能源效率的關鍵，應積極導入應用。

• 持續最佳化氣流管理：氣流管理是一個持續改進的過程，應定期評估機房的氣流組織狀況，找出改善空間，並持續導入新的氣流管理措施。

• 建立完善的能源監測與管理平台：建立完善的能源監測與管理平台，即時監測資料中心的能源消耗數據，分析能源效率水平，為節能策略的制定與實施提供數據支持。

• 定期進行能源審計：定期進行能源審計，評估資料中心的能源效率水平，找出節能潛力，並制定相應的節能改進措施。

節能策略是資料中心永續發展的基石。透過積極採用各種節能技術與策略，資料中心不僅可以降低營運成本，更能為環境保護貢獻一份力量，實現經濟效益與環境效益的雙贏。

監控與維護 (Monitoring and Maintenance) – 確保冷卻系統長期穩定運行的保障

完善的監控與維護體系，是確保資料中心冷卻與環境控制系統長期穩定運行的重要保障。如同人體需要定期體檢與保養才能維持健康，資料中心的冷卻系統也需要持續的監控與維護，才能及時發現潛在問題，預防故障發生，確保系統始終處於最佳運行狀態，為資料中心設備提供可靠的環境保障。

TIA-942-C 標準在冷卻與環境控制方面，強調建立完善的監控與維護體系的重要性，並建議資料中心業者應從系統設計、設備選型、日常運維等多個方面入手，打造一個全面、高效、可靠的監控與維護體系。

監控系統 (Monitoring System) – 即時掌握系統運行狀況的眼睛

資料中心冷卻系統的監控系統，如同資料中心的「眼睛」，負責即時監測系統的各項運行參數，例如溫度、濕度、氣流、壓力、電力消耗、設備狀態等，並將監測數據匯總到中央監控平台，方便管理者隨時掌握系統的運行狀況。

一個完善的監控系統應具備以下功能：

• 多參數監測：能夠監測機房內的多種環境參數，例如溫度、濕度、露點溫度、氣流速度、壓差、潔淨度等。

• 設備狀態監測：能夠監測冷卻系統各個關鍵設備的運行狀態，例如空調壓縮機、水泵、風扇、冷凍機組、UPS 等，包括運行時間、電流、電壓、功率、告警信息等。

• 能源消耗監測：能夠監測冷卻系統的能源消耗數據，例如總耗電量、PUE 值、各區域能耗分佈等，為能源效率分析與最佳化提供數據支持。

• 即時告警：當監測參數超出預設範圍，或設備發生故障時，能夠即時發出告警，通知管理者及時處理。告警方式可以包括聲光告警、簡訊告警、郵件告警、App 推送等。

• 數據記錄與分析：能夠長期記錄監測數據，並提供數據分析功能，例如趨勢分析、報表生成、故障診斷等，幫助管理者深入了解系統運行狀況，找出潛在問題，並進行預防性維護。

• 可視化管理：提供友善的使用者介面，例如圖形化介面 (GUI)、Web 介面、行動 App 等，將監測數據以圖表、儀表盤、地圖等可視化方式呈現，方便管理者直觀地掌握系統運行狀況。

• 遠端監控與管理：支援遠端監控與管理功能，管理者可以透過網際網路或行動網路，隨時隨地監控系統運行狀況，並進行必要的遠端控制操作。

• 系統整合能力：能夠與其他資料中心管理系統 (例如電力監控系統、安全監控系統、DCIM 系統) 整合，實現資料中心基礎設施的統一監控與管理。

監控系統的組件

資料中心冷卻系統的監控系統，通常由以下幾個主要組件構成：

• 感測器 (Sensors)：負責採集機房內的環境參數與設備運行狀態數據。常見的感測器包括溫度感測器、濕度感測器、氣流速度感測器、壓力感測器、電流感測器、電壓感測器、功率感測器、液位感測器、煙霧感測器、漏水感測器等。

• 資料採集器 (Data Acquisition System, DAS)：負責接收來自感測器的數據信號，將類比信號轉換為數位信號，並進行初步的數據處理與過濾。

• 控制器 (Controller)：負責接收來自資料採集器的數據，根據預設的控制策略或人工智慧演算法，自動調節冷卻設備的運行參數，並發出控制指令。控制器通常具備本地儲存與運算能力，可以在本地進行數據處理與控制操作。

• 監控伺服器 (Monitoring Server)：負責匯總來自各個控制器的監測數據，儲存歷史數據，執行數據分析，生成報表，處理告警事件，並提供使用者介面。監控伺服器是監控系統的核心組件，通常採用高可靠性、高可用性的伺服器硬體與軟體平台。

• 使用者介面 (User Interface)：提供管理者與操作人員與監控系統互動的介面，例如圖形化介面 (GUI)、Web 介面、行動 App 等。使用者介面應友好易用，操作簡便，功能豐富，方便使用者進行系統監控、數據查詢、報表生成、告警處理、遠端控制等操作。

維護管理 (Maintenance Management) – 預防故障，延長設備壽命

定期、有效的維護管理，是確保資料中心冷卻系統長期穩定運行的關鍵。TIA-942-C 標準建議資料中心業者應建立完善的維護管理制度，制定詳細的維護計畫，並嚴格執行，以預防故障發生，延長設備壽命，確保系統的可靠性與可用性。

資料中心冷卻系統的維護管理主要包括以下幾個方面：

• 預防性維護 (Preventive Maintenance, PM)：根據設備製造商的建議，以及系統的實際運行狀況，制定預防性維護計畫，定期對冷卻系統的各個組件進行檢查、清潔、潤滑、校驗、更換易損件等維護工作。預防性維護的目的是在設備故障發生之前，及時發現並排除潛在的故障隱患，降低設備故障率，延長設備使用壽命。常見的預防性維護項目包括：
  • 空調系統：清洗冷凝器、蒸發器、冷卻盤管、過濾器，檢查冷媒壓力、壓縮機油位、風扇電機軸承，校驗溫度感測器、濕度感測器等。
  • 冷卻水系統：清洗冷卻水塔、冷卻水管路、水泵、閥門，檢查水質、水壓、水流量，更換水過濾器、水處理藥劑等。
  • 液冷系統：檢查冷卻液液位、洩漏情況，清洗冷卻液迴路，更換冷卻液過濾器，檢查液冷管路接頭、快速接頭等。
  • UPS 與電池系統：檢查 UPS 運行狀態、電池電壓、電池容量、電池連接線，定期進行電池放電測試，更換老化電池。
  • 發電機系統：定期啟動測試發電機，檢查發電機油位、冷卻液位、燃料油位，檢查發電機控制系統、保護系統，定期進行滿載測試。

• 矯正性維護 (Corrective Maintenance, CM)：當冷卻系統設備發生故障時，需要及時進行矯正性維護，排除故障，恢復系統正常運行。矯正性維護的重點在於快速響應、準確診斷、有效維修。資料中心應建立完善的故障報修流程，配備專業的維護團隊，以及充足的備品備件，確保故障能夠及時排除，最大限度地縮短停機時間。

• 應急維護 (Emergency Maintenance, EM)：對於突發的、嚴重的故障事件，例如電力系統完全中斷、冷卻系統完全失效等，需要啟動應急維護程序，採取緊急措施，儘快恢復資料中心的關鍵功能。應急維護需要預先制定完善的應急預案，定期進行應急演練，確保在緊急情況下，能夠迅速有效地應對。

• 狀態監測維護 (Condition-Based Maintenance, CBM)：基於監控系統採集的數據，對設備的運行狀態進行分析，預測設備的健康狀況，並根據設備的實際狀態，制定維護計畫。狀態監測維護可以實現更精準、更有效的維護，避免過度維護或維護不足，降低維護成本，延長設備壽命。例如，透過監測空調壓縮機的振動頻率、軸承溫度等參數，可以預測壓縮機的健康狀況，並在故障發生之前，及時進行維護或更換。

維護管理的工具與流程

為了提高維護效率，降低維護成本，資料中心可以採用各種維護管理工具與流程，例如：

• 電腦化維護管理系統 (Computerized Maintenance Management System, CMMS)：CMMS 是一種用於管理維護工作的軟體系統，可以幫助資料中心實現維護計畫制定、工單管理、備品備件管理、維護記錄管理、報表生成等功能，提高維護管理的效率與規範性。

• 行動維護 App (Mobile Maintenance App)：行動維護 App 可以將 CMMS 的功能延伸到行動裝置上，方便維護人員在現場進行設備巡檢、工單接收、維護記錄填寫、備品備件查詢等操作，提高維護工作的便捷性與即時性。

• 維護標準作業程序 (Standard Operating Procedure, SOP)：制定詳細的維護標準作業程序，規範各種維護工作的操作步驟、安全注意事項、質量標準等，確保維護工作的規範化、標準化、專業化。

• 維護人員培訓與認證 (Maintenance Personnel Training and Certification)：定期對維護人員進行培訓，提升其專業技能與知識水平。可以考慮引入第三方認證機構，對維護人員進行技能認證，確保維護團隊的專業能力。

案例分析：NTT Communications 資料中心

NTT Communications 是全球領先的網際網路基礎設施服務供應商，其在全球各地運營著大量的資料中心。NTT Communications 在資料中心維護管理方面，建立了嚴格的標準與流程，並採用了先進的監控系統與維護工具。例如，NTT Communications 採用了 CMMS 系統，對其全球資料中心的設備維護工作進行統一管理，並開發了行動維護 App，方便維護人員進行現場操作與記錄。

實務建議

• 建立完善的監控系統：監控系統是資料中心冷卻系統維護管理的基礎，必須建立完善的監控系統，實現對系統運行狀況的全面監測。

• 制定詳細的維護計畫：根據設備製造商的建議，以及系統的實際運行狀況，制定詳細的預防性維護計畫、矯正性維護流程、應急維護預案。

• 嚴格執行維護計畫：維護計畫的制定只是第一步，更重要的是要嚴格執行維護計畫，確保各項維護工作按時、按質完成。

• 採用先進的維護工具與系統：積極採用 CMMS 系統、行動維護 App 等先進的維護工具與系統，提高維護效率，降低維護成本。

• 重視維護人員培訓：人才是維護工作的核心，必須重視維護人員的培訓，提升其專業技能與知識水平。

• 持續最佳化維護管理體系：維護管理是一個持續改進的過程，應定期評估維護管理體系的有效性，找出改善空間，並持續進行最佳化。

完善的監控與維護體系，是資料中心冷卻系統長期穩定運行的堅實保障。透過建立全面、高效、可靠的監控與維護體系，資料中心可以最大限度地降低設備故障風險，延長設備壽命，確保冷卻系統始終處於最佳運行狀態，為資料中心的高效、穩定運行保駕護航。

總結

冷卻與環境控制系統是資料中心高效運行的關鍵。TIA-942-C 標準在冷卻與環境控制方面，提出了全面而嚴格的規範，涵蓋了環境參數要求、冷卻技術演進、氣流管理、節能策略以及監控與維護等各個面向。

從傳統的風冷技術，到先進的液冷技術，再到兼顧效率與彈性的混合冷卻系統；從粗放式的環境控制，到精細化的氣流管理，再到智慧化的節能策略；從被動式的故障排除，到主動式的預防維護，再到預測性的狀態監測維護，資料中心冷卻與環境控制技術，正不斷演進與革新，朝著更高效、更節能、更可靠、更智慧的方向發展。

透過遵循 TIA-942-C 標準，並結合先進的冷卻技術、氣流管理策略、節能措施以及完善的監控與維護體系，資料中心業者可以打造出一個高效節能、穩定可靠、環境友好的冷卻與環境控制系統，為資料中心的高效運行與永續發展，奠定堅實的基礎。

在明天第五天的專欄中，我們將繼續深入探討 TIA-942-C 標準，聚焦於資料中心的另一個關鍵基礎設施 – 電信佈線系統。敬請期待。

常見問題