浅谈数据机房空调系统节能优化

2019-09-24迟媛朱国栋吴飞许永昭

中国设备工程 2019年17期

迟媛，朱国栋，吴飞，许永昭

（北京特种工程设计研究院，北京 100028）

云计算和大数据时代的到来，给用户带来革命性体验的同时，大幅度提高了网络及通信行业对于数据及信息的运用和处理需求，数据中心的规模也在不断的扩大发展。同时，数据中心的高能耗问题也日益突出并被重点关注。大量的数据处理、存储、交换、传输设备聚集在数据机房中，常年处于工作状态，形成了数据中心发热量大，发热密度高的特点；同时，这些数据处理设备的元器件及集成电路极易受到温度、湿度、灰尘、电磁等环境因素干扰，为使其运行可靠，数据机房必须具备一定的环境条件，使数据处理设备可以正常运行。

作为保证电子设备正常运行的辅助系统，数据中心空调系统的能耗问题随着机房电子设备对运行环境要求及其功率密度的不断提高而不断增长，降低能耗成为数据机房运营方越来越关注的问题。一方面要求数据中心保持高可用性特点，能高效安全地运营；另一方面，用户会尽可能要求数据中心降低能耗和运行成本。作为占据数据中心能耗35%～45%的空调系统，其节能效果对于数据中心节能具有重大意义。

1 数据机房空调系统存在的问题分析

目前，很多数据机房都存在空调制冷量过大、冷气流短路、机房内部分区域温度过高的情况，这主要是由以下几个方面的原因造成的：

（1）空调设备选型不合理。目前，空调系统设计的一个主要问题就是空调设备选型的不合理。在空调设备的选型过程中，机房冷负荷是最为重要的参数依据，机房中服务器散热形成的冷负荷是机房冷负荷的主要组成部分，其电功率97%以上转化为热量散发到机房内。每台设备在出厂时均有一个额定功率，它代表了该设备最大的使用功率，在计算设备发热量时，设计人员通常会直接用设备额定率乘以热转化率（90%～97%）作为该机房设备的发热。但在实际应用中，根据服务器的用途不同，其正常运行功耗仅为额定功率的40%～60%，有时甚至更低，因此在空调设备选型时，就会出现制冷量过大的情况。而在空调运行过程中，为了达到设定的环境温度，制冷的同时需要消耗大量的电力制热，产生不必要的能耗。

（2）气流组织不合理。一方面，由于用户的传统观念，有些数据机房的空调设备不是放置在机房内，而是被搁置在“空调机房”内，这就造成无论采用地板下送风、吊顶风管回风的形式还是采用吊顶风管送风，地板回风的形式，都会出现送回风短路现象，由于无组织的送风/回风，使冷热风混合在一起，无法有效带走服务器的热量。另一方面，目前大多数数据机房都是利用架空地板作为静压箱，在机柜附近开口，采用自由出流方式送风，但由于架空地板的高度不够高，一般只有300～450mm，很难达到《数据中心设计规范》推荐的600mm，有些地方甚至低于250mm 并且地板内布置有大量的线槽和线缆，导致各个地板送风口风量分配不均匀，出现部分区域温度偏低，而部分区域机柜内服务器的温度过高的现象。

（3）机柜布置不合理。一些早期建设的数据机房，对机房内气流组织考虑的较少，在布置机柜时采用的是同一方向分多排布置，采用架空地板送风时，空调送风口通常都会开在机柜的前面，在这种布置方式下，冷气流从机柜前部进入机柜，吸收热量升温后从后部排出，与进入后排机柜的冷空气混合，增加了后排机柜的进风温度，使空调制冷效率大幅度降低。同时，即使采用了冷热通道的数据机房，有时为了便于管理及检修，会将处理信息职能相同的高负载密度、高功率机柜放置在同一个冷热通道内，造成该通道制冷不足而出现高温报警。除此之外，空调工况设定不合理、空调系统冷媒管路过长、空调冷源形式选用不当等都是造成目前数据机房空调系统能耗高的原因。

2 数据机房空调系统优化措施

2.1 选取合理的机房运行温度

随着节能要求的日益提高，以及电子信息设备对物理环境要求范围的宽松，包括我国在内的很多国家，都对机房设计参数进行了大范围调整，但许多数据中心依旧是按照23℃±1℃作为设计取值和机房运行温度。

表1 数据中心环境要求

在实际的机房运行过程中，环境温度的控制要求可以参考表1 中的标准以及季节等因素进行区别设定，可以将机房环境温度控制在23～27℃，从而提高空调送、回风温度，通过调整空调设备运行工况的方式提高制冷系数，保证机房设备正常运行的同时，可以减少机房制冷、加热、加湿、除湿的能耗，并且环境温度设定的越高，节能效果越明显。

2.2 提高空调冷负荷计算的准确度

在计算空调夏季冷负荷时，不能采用经验方法按照单位面积冷量估算数据中心的空调负荷，应对设备散热、围护结构传热、太阳辐射热、人体散热、照明设备散热、新风冷负荷及伴随各种散湿过程产生的潜热进行逐时详细计算。且对于占主要部分的设备散热，不能简单地把设备额定率乘以热转化率作为该机房设备的发热，应要求供应商提供根据电子信息设备所配置的处理器频率、处理器数量、内存卡容量规模与数量、PCI 卡数量、硬盘容量规模与数量计算出的该设备的运行功耗与发热量的参考值，作为空调负荷计算的输入值。

2.3 优化气流组织模式

气流组织模式不合理是造成数据中心能耗高的主要原因，根据数据机房的规模和使用情况，选择能够有效地排除机房内余热的气流组织，确保电子信息设备对环境温湿度的需求。数据机房的气流组织不仅包括数据机房整个空间的气流组织，还包括机柜内部的气流组织，当机房内气流组织合理、机柜具有良好的散热工艺结构且摆放位置合理时，就可提高机柜内服务器的散热效率，减少机柜内外的温度差，从而适当降低机房环境湿度要求，达到节能效果。目前，数据中心机房空调系统多采用上送下回/侧回、下送上回及列间送风的气流组织模式。

（1）机房气流组织。在上送风方式中，多数机柜的制冷进风口在下部或前方，排风口在机柜顶部或后方，冷空气从顶部被送入机房，会先与机房内上升的热气流混合，再进入机柜进行冷却，如此就会减小机柜内对流换热温差，从而影响机柜的散热效率。而对于下送上回的气流组织模式，冷空气通过地板送风口送入机房，被机柜吸入升温，然后排出，排出的热空气自动上浮，符合空气梯度分布规律，然后经回风口返回至空调设备，相对上送风方式增加了机柜内对流换热温差，提高了散热效率，并且减少了气流组织分配的阻力。

“冷热通道”的布置方式是对下送上回气流组织模式的进一步优化。在机柜数量众多的机房，将机柜“背靠背、面对面”摆放，这样在两排机柜的正面通道中的地板上布置空调出风口，形成一个冷空气区——“冷通道”。冷空气经过设备后形成的热气流，排放到两排机柜背面的“热通道”中，通过布置在热通道中的回风口回到空调设备，使整个机房气流流动畅通，提高了空调的制冷效果。另外在“冷热通道”布置方式下，为了更好地将冷热气流隔离开，可在冷通道或者热通道内布置一些挡板，或者完全将某一通道封闭起来，实现高效的冷气流利用。

列间送风是伴随高密度数据机房出现的一种送风模式，通常与封闭“冷热通道”的布置结合在一起使用，将列间空调放置在机柜之间。列间空调是通过多个小风扇将冷空气水平送出，由于与机柜紧密安装在一起，水平送出的风与机柜内服务器后部安装的风扇形成一个有效的气流循环，空调制冷量得到充分利用，与传统空调模式相比，节能效果更明显。

（2）机柜气流组织。机柜按行进行排列，采用冷热通道技术，避免统一方向布置；在机柜内空闲的U 位靠近进风口的位置安装盲板，避免热空气在出风口收到轻微增压后（再加上设备进气口的吸力）被重新吸入服务器的进气口，形成短路循环；使用带有风扇系统的机柜，可主动将热空气从机柜顶部或后部排出；对机柜之间的间隙、机柜底部与活动地板间的间隙进行封堵。

2.4 合理应用自然冷源技术

自然冷源技术指的是全部或部分应用自然界的免费天然冷源进行制冷，从而降低空调能耗。当前，较为常用的自然冷源主要是冬季及过渡季节的室外低温空气，将室外空气过滤后直接引入机房作为冷源，此种冷却方式原理简单，成本也相对低。由于利用自然冷源对机房设备进行降温的效果，易受室外温度变化、太阳辐射变化等因素影响，因此，利用自然冷源的新风系统需与机房空调联动，从而保证机房设备的正常运行。