数据中心机房节能改造精确送风技术应用

林燕群

（广东海外建筑设计院有限公司 广州 510075）

1 概况

目前很多数据中心机房普遍采用风管上送风的空调方式（下文简称为“上送风机房”），由于上送风机房的特点是冷风从机房的上部送出，下部回风，先冷却环境，再冷却设备，在与机柜上部的热空气混合时，两股冷热气流交织一起，冷热量互相抵消，不能有效地降低室内温度，能源利用效率低，不利于机房节能。另外，数据中心机房在运行过程中会产生大量的热量，采用上送风空调机房的冷风是分配在整个机房的大空间内，对所有机柜统一在外部进行冷却，没有把冷量具体分配到每个机柜门内，机柜冷却效果不好，会导致机柜或者机房内温度升高，以致有可能会影响局部通信设备，使得设备出现高温报警，存在设备停机风险和加速老化的问题。

所以，针对这种旧有上送风机房进行节能改造迫在眉睫，考虑到尽量不影响到机房内原有机柜的摆放，以及改动机房内部格局和造价等各个方面的因素问题，此次对数据中心旧有机房的节能改造方案采用精确送风的空调方式，即在原有上送风主风管上，接出二级风管，直接往机柜内送风，达到精确送风的目的。

本次数据中心机房节能改造工程，先对一部分地区机房进行改造，后陆续再对其他地区机房进行改造，一阶段预计投资约466 万元人民币，改造前先对机房进行查勘，确认是否可以进行改造，以及改造对机房内部的机柜、线槽、灯盘等的影响程度。本次确定改造的机房涉及广东省6 个地市，包含广州、珠海、佛山、肇庆、云浮、汕头等。

2 精确送风技术

2.1 现场查勘

本次查勘了广东省各地区的二十几个机楼，共需改造机柜总数为1 095 个，其中部分机楼的交换机房机柜数量较少，散热量较小，不建议进行改造；部分机楼C 网核心机房机柜属于前面进风，上面出风型，一个机柜里总共有3 层机器，最底层温度大概为27 ℃，最上层温度约为40 ℃，若采用精确上送风，对设备的冷却效果不是很好，故也不建议改造。以下列出几个数据中心机楼［1］的查勘情况：

2.1.1 某机楼国际交换机房

⑴改造范围：机房内所有可改造机柜（见图1）。

⑵机房情况：机房总面积280 m2，机房总用电量:最大供电功率直流29 kW，交流11 kW。

⑶机柜情况：需改造机柜总数101 个，总共10列，每列间距1 m，机组高2.2 m，宽0.6 m，机柜的总用电功率为80 kW，机柜顶距风管距离为0.9 m。

图1 交换机房机柜平面图Fig.1 Switch Room Cbinet Floor Plan

⑷空调情况：空调送风方式为上送风，送风口布置在两列机柜中间，机房专用空调（精密空调）总共6 台，每台制冷功率为150 kW，送风量为30 000 m3/h，实际用电功率46 kW。

2.1.2 某机楼数据机房

⑴改造范围：机房内所有可改造机柜。

⑵机房情况：机房总面积312 m2。

⑶机柜情况：需改造机柜总数119 个，总共9列，每列间距1 m，机组高2.6 m，宽0.6 m，机柜总用电功率150 kW，机柜顶距风管距离为0.6 m。

⑷空调情况：空调送风方式为上送风，送风口布置在两列机柜中间，机房专用空调（精密空调）总共8 台，6 主 2 备，每台制冷功率为140 kW，送风量为25 000 m3/h。

以上机房冷量复核后均满足要求，但是存在机房冷量分配不均，机房环境温度过高等问题，对设备运行不利，故列入此次改造范围内。

2.2 负荷计算

数据中心机房均应进行逐时逐项冷负荷计算［2］，机房内机柜的散热量等应根据通信工艺等资料为设计依据，建筑围护结构、照明、人体散热、新风等形成的冷负荷，按相关规范要求的设计参数计算确定。电子设备散热量计算公式如下［3-4］：

式中：Q 为散热量（W）；N 为电子设备的安装功率（kW）；n1为利用系数（安装系数），是电子设备最大实耗功率与安装功率之比，一般可取0.7～0.9，可用于反映安装功率的利用程度；n2为同时使用系数，是房间内电子设备同时使用的安装功率与总安装功率之比，根据工艺过程的设备使用情况而定，一般为0.5～0.8；n3为负荷系数，是每小时的平均实耗功率与设计最大实耗功率之比，它反映了平均负荷达到最大负荷的程度，对于已给出实测的实耗功率值的电子计算机可取1.0，一般仪表取 0.5～0.9。

对于没有详细的设备布置和设备参数等数据的交换机房、传输机房、电力电池室等，现提供《区域节点机楼动力及空调配套标准》［5］提供的冷负荷估算指标供参考：交换机房416 W/m2，传输机房235 W/m2，电力电池室406 W/m2。

2.3 精确送风系统

2.3.1 精确送风原理

精确送风技术是将上送风空调机房送出的冷风，通过风管、送风器、调节器等装置将冷风直接送入机柜内，达到精确送风的目的，这种采用全封闭冷风管道送风的方式，其工作原理如图2［6-7］所示。空调机组送出的冷风，经过静压箱、主风管、再经过支风管，精确地送到各个机柜门内，对设备进行冷却。各支风管均安装有调节阀，通过调节阀控制每个机柜的送风量，实现均匀送风。回风可保留原来的方式，即利用空调机房侧回风，不需要进行改造。

图2 机柜精确送风原理图Fig.2 Cabinet Accurate Air Supply Schematic

2.3.2 精确送风系统

精确送风系统分为上送风系统和下送风系统，本改造工程均采用精确上送风，但是对于往后一些新建通信机楼，也可考虑采用精确下送风系统。

精确下送风系统，利用架空地板形成的空间作为静压箱［8］，通过机柜底部设置的调节阀，根据需要精确调节送入机柜的送风量，回风采用上回风方式，这样形成了明确的冷热通道，因而可以适当地提高回风温度，回风温度可按干球温度25 ℃，回风相对湿度按50%设计。

采用架空地板作为送风静压箱需注意架空地板内不能走线，并且需做好架空地板的保温工作，避免冷量泄露和结露现象。

2.3.3 精确送风设计实例

对于以上查勘后确定改造的机房，进一步进行改造设计，先复核其冷负荷是否满足实际机房发热需求，不满足要求的需增设空调机组，然后再对机柜进行二级风管改造。改造后，机柜能充分地进行热交换，冷却效果较改造前好，一般改造前进入机柜的冷风温度会比精确送风的温度高，排出温度也高，导致机房过热。按照以往的做法，大多采用增加空调台数、加大冷量的方式或者人为地降低空调温度［9］来解决，从而造成很大的冷量浪费。因而精确送风技术，可以很好地解决这一问题（见图3）。

图3 精确送风风管改造剖面及改造后实物图Fig.3 Precise Air Supply Duct Reconstruction Profile and Wind Pipe Physical Map after Transformation

2.3.4 风管安装

⑴本工程为改造工程，受限于机房内各种管线的影响，风管安装时需现场量好尺寸，做好精确定位，以免对其他设备造成影响；

⑵风管施工前，应对机房进行保护措施，防止对机房内设备造成损坏；

⑶二级风管安装时，看是否有线槽、灯盘遮挡，如有遮挡，尽量做到对线槽和灯盘的影响降到最低。

⑷二级风管及进柜风管安装完毕后，再进行风口拆除及封堵工作。

2.3.5 日常维护

日常维护中，需要定期检查空调系统是否运行良好，各个机柜散热是否正常；还需要定期检查风管等是否有密封不严的现象，及时发现并解决。

3 精确送风实际运行效果

通过部分通信机房进行的试点试验结果表明，对旧有机房上送风系统进行精确送风节能改造，取得了良好的运行效果，该技术目前已经在大部分上送风机房采用。空调系统节电预计可达19.3%［10］。精确送风技术具有以下几点优势：

⑴传统上送风系统先冷却机房，再冷却设备，容易导致机房内局部环境过热，设备温度过高，采用精确送风技术，直接冷却设备，可以达到或接近下送风系统的冷却效果；

⑵采用精确送风技术，有效隔离了设备的冷热通道，气流组织更合理，有效解决上送风机房部分服务器温度过高的问题，消除局部热岛现象；

⑶风道采用可控制设计，可根据设备的发热量大小来调整送风量，减少冷量损失，使送风更有针对性和使用性；

⑷精确送风二级风管安装美观方便，对机房内其他管道及线槽影响不大，对机房空间净高的要求与上送风机房一样。

4 结论

本文主要介绍了精确送风的原理以及系统组成，通过列举几个工程实例，分析了精确送风系统的实际运用效果，其中对于老旧上送风机房存在局部机柜过热的现象，可采用精确送风技术解决。对于新建机房，可根据规划要求或者通信机房安保部门等的要求，采用地板下送风或者精确送风技术（精确上送风或者精确下送风）。总之，数据中心机房发热量较大，单位面积冷负荷也较大，传统的上送风机房很难满足机房设备的散热需求，且空调能耗较大，因而迫切地需要进行上送风机房的节能改造，采用精确送风技术，可以更精准地给设备冷却，达到更好的节能效果。尤其在能源日益紧缺的今天，空调节能将成为一种趋势，以最优的方案，最省的投资，最节能的系统，达到最好的冷却效果，是暖通设计追求的目标。