数据中心机房空调控制策略

1 概述

近年来，伴随着人工智能、物联网、5G等新技术的迅速推广和应用，数据中心的数量和规模均日趋扩大，数据中心的能耗也大幅增加。企业自建自行运维的数据中心多采取础设施设备(供配电设备、制冷设备等)一次性建设，IT设备分期部署的模式，租赁式数据中心的用户进入也很难一步到位。因此，以上两种数据中心的负荷率长时间远低于设计值。

本文针对某企业自建自行运维的数据中心，分析数据中心出现的典型运维故障表现与原因，借助CFD模拟方法，研究部分IT设备负荷率下的空调控制策略。

杨译：“‘Abject Apologies', is it? Retorted Paochai, You two are the ones well versed in ancient and modern literature, so of course you know all about‘abject apologies'—that's something quite beyond me.”

2 项目概况及典型运维故障

① 项目概况

北京地区某企业数据中心，2018年10月建成，同年11月投入运行。基础设施设备一次性建设，IT设备分期部署。机房建筑面积为153.64 m

，共布置机柜24台，单台最大电功率为4 kW。机房采用2台直膨式恒温恒湿机房空调(以下简称机房空调)，单台额定输入电功率为23 kW，额定制冷功率为80 kW，机房空调配置1台不间断电源(UPS)。数据中心搭建了能源管理平台，用于实时监测机电设备运行状态和能效指标(电能利用效率、IT设备负荷率等)。电能利用效率(Power Usage Effectiveness，PUE)表征数据中心电能利用效率，为数据中心内所有用电设备的耗电量与所有电子信息设备耗电量之比。PUE越小且越接近1，说明数据中心的能效水平及绿色化程度越高。IT设备负荷率为IT设备实际电功率与额定电功率的比。

笔者采用由英国Future Facilities公司研发的数据中心气流组织仿真软件6SigmaDC

，对该机房进行仿真。该软件含有丰富的模型库，可快速搭建数据中心机房，模拟、仿真、预测数据中心内的热环境，以多种方式显示温度场、气流场、压力场、相对湿度场等

。

根据工程特点和要求，选用中联ZDG 360成槽机进行施工，成槽机上的纠偏装置能够对成槽质量随时监控、纠正。成槽现场图见图5。

模拟结果包括空调送风效率、空调回风效率、空调回风温度、空调送风温度、机柜最大进口温度等。空调送风效率为总送风量中有效用于冷却机柜IT设备的风量比例，送风效率越高说明制冷效率越高，气流组织越合理。空调回风效率为冷却机柜IT设备后的热气流返回机房空调的比例，回风效率越高说明制冷效率越高，机房气流组织越合理。机柜最大进口温度为IT设备入口进风最大温度，反映了IT设备的热环境。

采用SPSS 25.0统计学软件对该次研究数据进行统计处理，其中计量资料为血糖水平控制情况，用（±s）表示，进行t检验，治疗效果为计数资料，用[n（%）]表示，进行χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2019年5月25日、11月14日，能源管理平台报警提示PUE偏高。5月25日10:00—16:00机房空调持续发生温度超低报警，期间PUE上升，最大值约2.8。调取IT设备负荷率历史数据发现，当日IT设备负荷率在0.2左右，说明IT设备的使用率比较低，而运维人员并未采取相应的调控措施，空调送风量仍按设计工况运行，导致送风量大于需求量，导致机房空调能效降低，PUE升高。11月14日，虽然机房空调未发生低温报警，但是PUE约为2.6，属于偏高情况。调取当日UPS输出功率历史数据发现，1、2号机房空调压缩机频繁启停。主要由于11月室外温度比较低，当IT设备负荷率比较低时，运维人员没有采取优化控制策略，机房空调处于低负载运行，继而出现频繁启停的情况。

机房围护结构视为绝热，单台机柜的发热功率为4 kW。通过改变机柜的工作数量，改变IT设备负荷率，不同IT设备负荷率条件下采用不同的送风比例(实际送风量占设计送风量的比例)。2台机房空调均处于运行状态，根据回风温度控制送风温度，回风温度的控制目标为32 ℃。工况1：IT设备负荷率25%，机柜1～3、13～15布满IT设备，送风比例分别取50%、20%、15%。工况2：IT设备负荷率50%，机柜1～6、13～18布满IT设备，送风比例分别取50%、25%。工况3：IT设备负荷率75%，机柜1～9、13～21布满IT设备，送风比例分别取50%、38%。

3 机房空调控制策略

机柜面对面两行布置(见图1)，两行机柜中间为冷通道(采用地板下送风)，机柜背面为热通道，2台机房空调位于南侧。机房两侧热通道上方分别均匀布置2个机房温度传感器，2台机房空调回风口处分别布置1个回风温度传感器，机房温度、回风温度实时上传至能源管理平台。机房采用地板下送风、地面上回风的气流组织形式(见图2)，送风口位于机房空调下方，冷风通过冷通道送入机房，经机柜带走热量后进入热通道，并返回至机房空调上方的回风口，设计送风速度不大于3 m/s。

由以上分析可知，典型运维故障的主要原因为缺失IT设备负荷率比较低时的机房空调控制策略。

② 典型运维故障

社区学习共同体是蕴藏于社会关系结构中的社会资本，不仅生发于民，而且具有服务于民、促进社区政治经济文化整体发展的功能。但其生存成长、发展壮大、能力提升还需一定的环境保障，具体如下。

由工况1的模拟结果可知，当IT设备负荷率为25%时，送风比例为50%，送回风温差过小，回风温度不均匀，空调送回风效率均不足50%。送风比例为20%、15%时，上述现象明显改善。因此，IT设备负荷率比较低时，应优先调节送风量，保持比较小的送风比例。

近年来，网络技术发展也非常的迅速，而在智能电网中的继电保护装置，其实本质上也是一个计算机装置，作用就是对系统进行全面的监控工作，对整个网络的运行进行指导，让智能电网的系统运行能够高效和安全。同时，继电保护装置在对电力信息的数据和故障信息进行获取的时候，会及时反馈信息到系统的网络控制中心。另外，随着我国智能电网的发展越来越迅速，在自动化程度方面，电力系统也做得越来越好，这样就能够保障了电力系统的安全和高效。

由工况2的模拟结果可知，当IT设备负荷率为50%时，送风比例为25%，空调送回风效率均在80%左右，但是机柜6、18出现过热。送风比例为50%时，上述现象明显改善。因此，当IT设备负荷率为50%时，空调送风量不应降低过多，建议送风比例为50%。

由工况3的模拟结果可知，当IT设备负荷率为75%时，送风比例为50%，空调送回风效率均在75%左右，机柜最高入口温度为23 ℃。与送风比例50%相比，当送风比例为38%时，空调送回风效率均在85%左右，机柜最高入口温度为25 ℃。不仅满足了IT设备的运行温度，而且更加节能。因此，当IT设备负荷率比较高时，应合理设置送风比例，并不是越大越好。

IT设备负荷率比较低时，应优先调节送风量，保持比较小的送风比例。当IT设备负荷率为50%时，空调送风量不应降低过多，建议送风比例为50%。当IT设备负荷率比较高时，应合理设置送风比例，并不是越大越好。

4 结论

① 典型运维故障的主要原因为缺失IT设备负荷率比较低时的机房空调控制策略。

② IT设备负荷率比较低时，应优先调节送风量，保持比较小的送风比例。当IT设备负荷率为50%时，空调送风量不应降低过多，建议送风比例为50%。当IT设备负荷率比较高时，应合理设置送风比例，并不是越大越好。

[1] 杨超. 采用CFD仿真优化数据中心气流组织[J]. 电信工程技术与标准化，2018(9)：89-92.

[2] 张量，许鹏. 数据中心地板送风和IT设备机柜散热的CFD模拟方法总结和比较[J]. 建筑节能，2014(8)：38-42.