温湿度控制改造及集成项目成果报告

2018-01-18唐维奇

电子技术与软件工程 2017年21期

唐维奇

摘要近年来，随着信息化技术在全社会的普及，电信、移动、联通三大运营商、政府机关、银行、教育等各行业对IT基础架构计算及存储能力的需求不断加大，各单位机房规模迅速增长，IT产品也越来越呈高密度、高发热量趋势。而由于传统机房精密空调冷却及送风方式的局限性，导致机房服务器发热密度过大时，仅靠增加传统机房空调制冷量的方式已经无法保障运行安全，局部热点、服务器过热宕机等机房安全隐患问题亟待解决。机房的发展趋势已经对环境维持系统提出了更高的要求，新一代的机房制冷系统必须要解决高热密度，集中化的服务器发热问题，保障机房服务器安全运行，并能有效地降低机房运行成本，实现效益最大化。

【关键词】温湿度控制改造信息化技术机房智冷空调

1 设计原则

本方案采用机房智冷空调系统为IT降温散热，该空调系统的机房室内部分采用热管技术（技术原理见附件），针对每台机柜定点制冷排热，大幅节约能源，消除机房局部过热现象，保证IT设备的运行环境安全。

1.1 系统设计原理

1.1.1 系统构成

系统主要由智冷终端、CDU（冷量分配单元）、冷源设备和智能控制系统构成。本方案冷源设备配置有1台水冷式冷水机组和1台闭式冷却塔，冷量分配设备配置有10台CDU（冷量分配单元），智冷终端配置99台。

系统设计两种运行工况：自然冷源利用工况，在室外环境温度较低季节，如冬季、早春和深秋，可由冷却塔独立运行为系统供冷，冷水机组停机，减少能耗；机械制冷工况，室外环境温度较高，不满足冷却塔塔运行工况时，由冷水机组和共同运行为系统供冷。

1.1.2 系统构成图

智冷终端长宽尺寸和安装方式与机柜后门一致，直接通过原机柜铰链或者插销即可固定，可实现在线改造，不影响IT设备运行，安装便捷。智冷终端使用软连接管与铺设在机柜上、下方的制冷剂总管连接，制冷剂总管与室外系统的CDU连接。室外系统的CDU通过管道与室外供冷装置连接，冷水依靠循环水泵在室外系统回路中循环流动，在CDU内冷水与室内系统的制冷剂进行热交换。

1.2 智能控制系统介绍

智能控制系统，包括监控主机、智冷终端控制器、室外冷源控制单元、基础传感网等。

（1）各智冷终端配置进/出风温度传感器，由终端控制器把采集到的温度、风扇转速及告警信息等通过UWB无线方式上传至监控主机，监控主机可以通过UWB无线方式对每台智冷终端控制器下发控制指令。

（2）室外冷源控制单元根据合理的控制逻辑实时调整冷塔、冷机、水泵等设备的运行状态，并把采集到的温度、压力等数据及冷机、冷塔、水泵等的运行状态信息通过RS485上传至监控主机，监控主机根据上传信息进行合理分析，通过RS485输出控制指令实时调整冷源系统的运行状态与设定参数。

（3）基础传感网实现采集数据的上传、控制指令下发，包括有线和无线方式。室外部分主要采用有线构成，采用总线形式，配置RS485接口和MODBUS或者其他工业通信协议，室内部分则基于UWB无线超宽带制式工作，主要部件包括终端节点、锚节点、桥节点。

智能控制系统可根据室外气候变化自动切换冷源设备最大限度利用自然冷源为机房制冷排热；可根据机房负荷变化智能调节水泵及冷源设备的运行负荷达到按需制冷智能调节；智冷终端各风机转速可独立无级控制、调速，根据柜内IT设备实际发热情况决定风机开启数量、风量分布、转速等，实现精确排热；可提供系统设备故障报警、工况超限预警等全方面警告体系；可根据客户需求提供多种告警方式，包括声光告警、终端告警、监控界面告警和短信告警等。

1.3 机房智冷空调系统技术介绍

1.3.1 机房智冷空调系统技术介绍

机房智冷空调系统由室内系统（以智冷终端为主）、室外系统（以冷量分配单元（CDU）和冷源设备为主）和电控系统组成。

1.3.2 机房智冷空调系统工作原理

机房智冷空调系统的工作原理描述如下：

服务器排出的热风与安装在机柜背后的智冷终端内的环保循环工质间接进行热交换后变成冷风排到室内环境。智冷终端内循环工质通过相变传热，受热由液态变成气态，依靠微小压差沿制冷剂气体管路将热量带室外系统的CDU，在CDU内与室外系统的冷源设备提供的冷水进行热交换，循环工质受冷由气态变成液态，依靠自身重力沿制冷剂液体管路流回智冷终端完成一个完整的热力循环，热量的传递依此顺序源源不断的传递到室外。

室外系统为室内系统提供冷水，提供的冷水与循环工质在CDU内进行热交换。由闭式冷却塔、冷水机组根据各自项目的特點组合的冷源系统提供系统所需的冷水。

1.3.3 系统运行特点

机房智冷空调系统运行特点如下：

安全可靠：该系统利用温差和制冷剂自然相变传热，实现将室内传输热量高效迅速的传递到室外。制冷剂循环和热量的释放的这个过程均无需压缩机和泵等大功率动力设备；智冷空调系统无水引进机房：室内系统循环工质常温常压下为气态，不会对机房内的IT设备造成任何危害；智冷终端采用全显热换热设计，无冷凝水产生。

高效节能：相比精密空调制冷方式：该系统直接冷却机柜，减少送风能耗；机柜出风温度在露点温度以上，没有反复加湿除湿能耗；制冷剂的循环和热量的释放，依靠制冷剂自然相变和自身重力自然循环，无需压缩机或者泵等大功率设备，无动力消耗；直接面向热源，利用自然冷源时间长。

高密度散热：目前单块智冷终端冷却能力范围2kW～20kW，解决高密度设备的散热问题。

按需冷却：通过软件与监控点采集计算每台机柜内的IT设备功耗及发热量，控制系统与冷量分配换热单元根据每台机柜的负荷，结合制冷剂自然相变循环原理的固有属性，实现了根据单机柜负荷不同而按需供冷的自适应冷量调节。endprint

消除局部热点：该系统冷却方式为机柜级冷却方式，直接面向机房发热对象，将IT设备的发热直接消除，替代传统机房空调对机房整体大环境的冷却形式，解决机房局部过热问题，从而更好地优化机房内的气流组织。

不占机房空间：智冷终端采用与机柜一体化的设计，能在不占机房空间的前提下解决机房总体制冷能力不足问题和未来服务器扩容受限的问题。

施工安装方便：在室内安装时，不影响服务器的正常工作，不需要服务器停机，对机房整体建筑结构影响小。

维护量小：该系统仅室外供冷装置需要维护，相比传统精密空调，可以减少室内机和相应数量室外机的维护工作。整个系统采用全自动控制，无人值守条件下可以稳定运行。

2 设计特点

2.1 高效节能

该系统利用温差和制冷剂自然相变传热，实现将室内传输热量高效迅速的传递到室外。制冷剂循环和热量的释放的这个过程均无需压缩机和泵等大功率动力设备；智冷空调系统无水引进机房：室内系统循环工质常温常压下为气态，不会对机房内的IT设备造成任何危害；智冷终端采用全显热换热设计，无冷凝水产生。

2.2 安全可靠

冷量分配单元放置于室外，有效地将冷冻水隔离在机房外，无水引进机房，机房内无漏水隐患；依靠制冷剂相变蒸发和重力产生的循环驱动力，室内系统的制冷循环为自然循环，无压缩机或泵等动力部件，故障率低、可靠性高；制冷剂为环保制冷剂，常温常压下为气态，无毒无害，不燃烧、不爆炸、不腐蚀；每台智冷终端的制冷剂接口处均设置截止阀，当某台智冷终端泄漏时可通过关闭进、出口截止阀，其他智冷终端仍然可正常运行；智冷空调系统充分考虑冗余备份设计。

3 设计节能分析

3.1 系统应用情况

机房通过本项目对机房内空调及外围结构进行改造，在项目实施后，进行了运行测试。通过本项目的实施，机房环境温度由原来的最高局部高达32℃，降到国标的：23℃±1℃。根本性解决了气流组织不合理的现象，并消除了机房的局部热岛现象，机房温度有效恒温在23±1℃。

新的空调系统采用了自然冷却节能技术，新的空调系统运行后不但解决了机房内局部过热的问题。同时降低了机房的全年PUE值。达到绿色节能的目的。

3.2 系统产生的效益

3.2.1 消除局部热点

项目实施后，机房环境温度由原来的最高局部高达32℃，降到国标的：23℃±1℃。机房气流组织由原来的精密空调地板下送风，变更为机柜级冷却的方式，根本性解决了气流组织不合理的现象，并消除了机房的局部热岛现象，机房温度有效恒温在23±1℃。

3.2.2 环保节能

通过实施本项目可直接冷却机柜，相比精密空调制冷方式，在间接冷却方式、室内送风、反复加湿除湿、降低设定温度等环节可以节省电能。相比目前国内普遍水平（普遍高于2.0），机房PUE能达到1.28，可大幅将少机房用电量，降低机房运营成本，具有非常可观的社会效益和经济效益。

3.2.3 节省机房空间

制冷系统终端采用与机柜一体化的方式，能在不占机房空间的前提下解决机房总体制冷能力不足问题和未来服务器扩容受限的问题。

3.2.4 改善机房的密闭性及气流组织

通过对机房外与走廊间的玻璃隔断及玻璃门的改造，解决了机房密闭不严，机房的冷量及噪音外泄的问题。

制冷系统终端采用与机柜一体化的方式，能在不占机房空间的前提下解决机房总体制冷能力不足问题和未来服务器扩容受限的问题。

4 存在问题与建议

4.1 室外机噪音的问题及解决方案

项目所在地情况比较特殊，位于市中心，距离最近的居民楼不过50米左右，我公司在实施过程中已对室外冷冻机组及冷却水塔进行了降噪处理：在冷水机组外增加隔音屋，在冷却水塔出风口处增加了消音风口。但以上措施仍不能满足要求，现请专业降噪公司出具了专业的降噪方案，以满足周边居民的噪声要求。专业降噪方案如下：

4.1.1 现场勘察及噪声治理目的

噪声治理噪声源设备：1台冷却塔设备。

根据现场勘查，设备安装在4层平台，设备运行时产生的空气动力性噪声对北侧、东侧居住环境造成噪声辐射，为排除设备运行造成的影响，提出噪声治理方案。

根据噪声源设备，噪声特性和噪声传播途径提出此噪声治理方案，此方案主要以隔声、消声方式进行降噪。

4.1.2 现场情况分析

1台冷却塔安装在室外平台，设备的北侧、东侧为居民楼，设备运行时产生的空气动力性噪声对北侧、东侧居住环境造成噪声辐射。

噪声分析：冷却塔设备运行时，淋水噪声与塔顶部排风口噪声是对北侧、东侧居民楼居住境造成影响的主要原因，设备运行产生的噪声通过空气传播对周围环境造成噪声辐射。

4.1.3 室外机噪声实施情况

工作原理：隔声降噪措施主要是针对设备运行时自身产生的噪声进行降噪，将设备运行时产生的噪声与外界进行隔离，从而减少对居民居住环境造成的噪声辐射；消声降噪措施是针对设备通风口噪声进行降噪，在噪声传播的过程中对其进行吸收和衰减，最大可能的降低其噪声分贝值，在对风口排风噪声进行降噪的同时，保证设备有足够的排风量，满足设备排风需求，避免设备运行中由于高温报警而停止运行。

具体降噪措施：

本方案针对1台冷却塔设备提出噪声治理方案。

（1）冷却塔整体安装隔声罩，隔声罩为两部分，第一部分为隔声，将设备运行时产生的噪声与外界进行隔离；第二部分为吸声，将设备运行时产生的部分噪声进行吸收和衰减，排除设备运行时产生的噪声通过空气传播对北侧、东侧居民楼居住环境造成的影响。

（2）隔声罩由模块隔声板拼装而成，隔声板材质组成：1.0mm镀锌钢板，内板为0.7mm镀锌穿孔板，内部填充隔声棉，整体厚度为100mm，

（3）考虑设备的通风需求，隔声罩与设备之间留有适当间距。

（4）设备顶部排风口上方安装排风消声器，排风消声器与设备之间安装热风导流板，针对排风口部位噪声进行消声降噪处理，减少对北侧、东侧居民楼居住环境造成的影响。

（5）排风消声器为片式阻性消声器，消声器的通风量均根据设备所需风量进行选型，保证满足設备的日常运行需求。

（6）排风消声器消声长度为1.5米，消声器内插片孔板板材均为穿孔铝板，有效的将排风口部位噪声进行消减，减少对居民楼的影响。

（7）设备西侧、南侧留有进风口，并安装进风消声器，进风消声器消声长度为1米，以满足设备风量需求。

（8）东侧适当位置安装检修隔声门。

（9）具体降噪方式请参考降噪示意图。

（10）单台进风消声器进风量为：46800m3＼h，两台进风量为93600m3＼h，设备所需风量为65000m3＼h，风量为所需风量的1.44倍，可满足设备运行需求。