数据中心空调末端送风形式对空调能效影响的分析

张春朋 岳 晨 杨晓平

1.中国移动通信集团江苏有限公司南京分公司；2.南京航空航天大学；3.中数智慧（北京）信息技术研究院

0 引言

对于数据中心而言，空调系统是为降低服务器CPU温度的必配系统，若空调系统供冷中断，则数据机房送风温度将急剧升高，造成服务器高温宕机，影响业务安全。除此之外，根据Uptime报告，全球大型数据中心年均PUE为1.59，暖通能耗占比为30%。因此，空调系统能耗是制约数据中心PUE值的关键因素。

常见的数据中心服务器CPU冷却形式多为风冷形式，风冷服务器的优点是散热器与基板（CPU）的装配具有标准化特征，虽然散热器的种类和形式各异，但在组装方法上基本可以做到标准化和规范化，有利于大规模生产。因此，为风冷服务器供冷的机房空调对数据中心能耗的影响逐渐受到重视。

1 水冷空调末端布置形式

常见的水冷空调末端布置形式主要有：房间级地板下送风、行列间冷/热通道封闭、热管背板空调。对于风冷型服务器而言，不同的空调末端布置形式不仅影响了服务器的散热效果，也对空调能效产生了较大影响。

1.1 房间级地板下送风空调

部分数据中心使用房间级地板下送风空调，房间级地板下送风空调一般集中布置在空调间内，通过架空地板形成静压箱，冷空气通过架空地板上吹后，经过服务器将CPU降温后回到空调回风口。

房间级下送风空调因输送距离较长，且在输送风路上个点静压不同，呈先小后大再小的形势（如图1所示），因此容易造成机房局部热点的产生。因此，在使用过程中常将房间级空调的风机转速调大，温度调低，减少局部热点的产生，往往造成能耗浪费。

图1 地板下静压分布示意图

房间级地板下送风空调气流组织受架空地板高度影响。未做封闭冷热通道的回风会造成冷热风混合，影响机房气流组织。因此，对于房间级地板下送风空调而言，在规划建设阶段，建议地板高度不低于600mm，且送风口应选择为可调地板，在后期机房投运后可根据实际机柜负载情况调整地板开度进行送风量调整，保证各点送风均匀。

1.2 冷通道封闭列间空调

新建的数据机房大多采用行列间空调冷通道封闭的形式。与房间级下送风空调相比，采用行列间空调冷通道封闭的形式可以使冷量更加集中，气流组织更加均匀，从而获得较高的空调能效比。

对于行列间空调，机柜的布局方式对气流组织有较大影响，近年也有很多专家通过CFD模拟对机柜的布置形式对气流组织的影响做了研究。如邱玉英等对比了列间空调冷通道未封闭和冷通道封闭的气流组织，发现冷通道封闭后气流组织更均匀，冷通道温度相对于未封闭前有所下降。除列间空调的布置形式对气流组织有所影响外，在空调投运后，空调设备本身的设置参数也极大影响了机房的空调能耗和机房故障，经对机房封闭冷通道列间空调参数调整前后对比发现，有效的参数调整可以使冷通道气流组织更加均匀，大幅度降低机房故障率，并且有效降低空调能耗。因此在建设期应合理选取列间空调类型，选择可具备送回风温度分开设立功能的列间空调，并且在设计阶段应采用CFD模拟等手段合理布置列间空调位置，使机房气流组织更加均匀，便于后期运维阶段进行节能参数调整。

1.3 热管背板空调

热管背板空调是一种机柜级的冷却方案，利用热管高密度换热的原理，将热管蒸发器安装在机柜排风侧，热管背板蒸发器的冷媒吸收机柜内IT设备散发的热量；冷媒吸热后气化，气化的冷媒依靠压差经连接管路流向室外热管中间换热器；冷媒蒸气在热管中间换热器内被来自冷源系统的冷媒冷却，由气态冷凝为液态；液态制冷剂借助重力回流至室内末端中的热管换热器中，完成冷量输送循环。

热管背板空调安装于每台机架的排风侧，根据机房实际需求实现机柜按需供冷，因此单机柜功率量大，机房内无局部热点，空间利用率高，节能效果显著。但其初始投资较大，空调设备需根据机柜尺寸定制。但是，对于多台并联的重力式热管背板空调，在规划建设过程中应注意机柜并联数量不宜过多，否则在后期机柜负载率较高时，可能会导致制冷剂分配不均，造成布局热点的产生。

2 风冷服务器机房空调能效对比分析

通过采集数据中心地板下送风空调、列间空调（冷通道封闭）及热管背板空调机房IT设备运行耗电量及机房空调运行耗电量对比发现，地板下送风空调平均COP（COP=机房IT设备耗电量/空调末端耗电量）最低，为9.36。列间空调（冷通道封闭）平均COP为31.84，热管背板空调平均COP最高，为33.29。风冷服务器机房空调能效分析表见表1。

表1 风机服务器机房空调运行能效表

空调形式 机房编号 3月IT设备总电量/kWh 3月机房空调总电量/kWh机房IT设备负载率/%末端COP=IT设备耗电量/空调末端耗电量列间空调（冷通道封闭）4-4 428744.97 12537.95 47% 34.2 4-2 327977.86 9872.42 34% 33.22 4-1 505599.31 16128.27 53% 31.35 4-3 511726.62 17890.10 53% 28.6热管背板s4-3 410335.34 10723.40 28% 38.27 s2-3 554152.14 15570.74 38% 35.59 s2-4 493253.54 15460.90 34% 31.9 s4-4 441201.38 16110.20 30% 27.39

2.1 地板下送风空调能效分析

以南京移动及江苏广电某数据中心房间级空调地板下送风无冷热通道封闭的机房为测试对象，在空调控制参数为回风22℃时，对包间IT设备运行耗电量及空调末端耗电量数据进行一个月的采集，对测试数据进行计算发现此种机房送风模式空调末端平均COP仅为9.36。机房布置示意图见图2，测试数据见表1。究其原因是房间级空调送风距离过长，且冷热空气因无封闭通道隔离产生混流现象。因此，为避免机房冷通道局部热点的产生，房间级空调风机转速会设置偏大，机房温度设置相对较低。而对于水冷空调末端而言，空调末端的耗能主要集中在空调风机。因此，较高的EC风机转速导致了空调末端能耗的增大，从而降低了地板下送风空调的能效。

图2 江苏广电某数据中心水冷房间级地板下送风空调机房布置示意图

2.2 冷通道封闭列间空调能效分析

对南京移动某数据中心B栋机房楼冷通道封闭水冷列间空调机房IT设备运行耗电量及空调末端耗电量数据进行一个月的采集，该数据机楼列间空调采用交叉布置，机房列间空调风机控制为送风温度25℃，水阀控制为送风温度20℃，机房布置示意图见图3。经统计发现该冷通道封闭空调平均COP为31.84。相对于地板下送风的房间级空调而言，冷通道封闭的列间空调形式冷量更加集中，输风距离更短，因此能效更高。但列间空调机房气流组织受空调布置形式、机柜上架率、盲板封堵情况等因素影响，若设置不合理将产生微模块气流组织杂乱、冷热通道串流等问题，从而造成部分能源的浪费。如列间空调呈对角形式分布相对与空调对立布置气流组织更杂乱。又如在机柜上架率较高时，冷通道压力可能会低于热通道压力，造成热通道内高温空气经过服务器间缝隙反吹至冷通道造成冷通道局部热点，从而导致维护人员需增大空调送风量，保证冷通道正压，造成空调能耗增大，导致能源浪费。因此，在建设规划阶段应合理布置列间空调位置，并配置相应数量的机柜盲板，避免后期运行过程中因局部热点问题导致的能源浪费。

图3 南京移动某数据中心列间空调机房布置示意图

2.3 热管背板空调能效分析

对苏州移动某数据中心热管背板空调机房IT设备运行耗电量及空调末端耗电量数据进行一个月的采集，该数据空调末端布置示意图见图4，经计算热管背板空调平均COP为33.29。经现场数据采集，部分背板空调设置出风温度为24度，实际出风温度为18度，即在热管背板风机最低转速下（最低转速为20%），冷量供给远大于机房需冷量，这也是在低负载状态下热管背板空调仅略高于列间空调的原因。因此，对未上架的机柜背板空调可暂时关闭，降低空调运行能耗。热管背板空调相对与列间空调而言，与机柜一一对应，热空气直接经过热管盘后被降温，供冷效率最高，几乎没有局部热点，也无需考虑热空气串流问题。热管背板在建设规划阶段，应注意背板空调并联台数，若并联数量过多，在机柜高负载情况下，可能会因制冷剂蒸发量差异、沿程阻力、局部阻力等因素的影响，造成制冷剂分配不均，导致局部热点产生。

图4 苏州移动某数据中心热管背板空调机房布置示意图

3 结束语

以一个IT运行功率600kW的机房包间为例，根据公式“空调末端年用电量=IT功率×（1/COP）×365d×24h”，得出房间级空调年用电量56.15万kWh，列间空调冷通道封闭和热管背板空调用电量分别为16.51万kWh、15.79万kWh，列间空调冷通道封闭耗电量仅是房间级空调地板下送风耗电量的29.4%；低、中负载阶段，列间空调能效接近热管背板空调。建议在新建数据中心优先采用列间空调冷/热通道封闭或热管背板的空调末端供冷形式；对于列间空调，建议优先采用空调对立布置的形式，有利于冷通道气流组织的均匀分布，给运维阶段的空调参数调整提供更大的可操作空间。另外，为降低数据中心整体能耗，不仅要注重空调系统本身能耗，还需要关注空调末端送风情况对IT设备运行功率的影响，以期获得二者之间的最优值，从而实现数据中心整体节能。