彭淵博 王潯 周明亮 趙鑫（中能深思（北京）節(jié)能技術(shù)有限公司）

1 當(dāng)前機(jī)房能耗狀況

據(jù)統(tǒng)計，我國數(shù)據(jù)中心機(jī)房目前的平均PUE（Power Usage Efficiency，能源利用效率，即機(jī)房總用電量與IT設(shè)備用電量之比）水平在2.0～2.5之間，中間值在2.2以上，也就是說每1 kW的主設(shè)備功耗帶來的是2 kW以上的總功耗（包括空調(diào)制冷、配電、照明等），而其中空調(diào)系統(tǒng)的功耗已經(jīng)占到了數(shù)據(jù)中心機(jī)房總功耗的45%以上?，F(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)高能耗是導(dǎo)致機(jī)房PUE值高企的主要原因。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，2011年度全國數(shù)據(jù)中心用電量已經(jīng)達(dá)到700×108kWh，占全社會用電量的1.5%。在制冷方式不變的情況下，按照目前的發(fā)展趨勢預(yù)計我國數(shù)據(jù)中心的總能耗到2015年將達(dá)到1 000×108kWh左右，其中空調(diào)系統(tǒng)耗電預(yù)計達(dá)到450×108kWh，能耗總量巨大，采取有效措施降低數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗已經(jīng)顯得十分必要。

2 機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)高能耗的原因分析

2.1 機(jī)房運(yùn)行環(huán)境溫度要求

根據(jù)機(jī)房種類和等級的不同，對于機(jī)房運(yùn)行環(huán)境的溫度要求一般是22～26℃，原因是基于機(jī)房內(nèi)的信息及通信設(shè)備對進(jìn)風(fēng)及出風(fēng)溫度的最苛刻標(biāo)準(zhǔn)要求，也就是說要保證機(jī)房內(nèi)信息及通信設(shè)備的進(jìn)風(fēng)環(huán)境要求最高不能高于26℃。與此相應(yīng)，為信息和通信設(shè)備的運(yùn)行安全性考慮，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)制冷溫度設(shè)定應(yīng)保證在機(jī)房熱負(fù)荷下，回風(fēng)溫度最高不應(yīng)超過26℃。

絕大多數(shù)自帶通風(fēng)風(fēng)扇的信息及通信設(shè)備，如果前面的進(jìn)風(fēng)維持不超過26℃，那么按照經(jīng)過設(shè)備加熱溫升為10℃計算，則服務(wù)器的后端出風(fēng)一般為36℃左右。目前按照信息及通信機(jī)房的傳統(tǒng)制冷方式，采用機(jī)房精密空調(diào)所做的工作是將經(jīng)過設(shè)備后被加熱的空氣從36℃冷卻到26℃以下供設(shè)備循環(huán)使用，同時在兼顧處理因為外部熱輻射、維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱（由其在夏季時）、人員、照明等熱源導(dǎo)致的機(jī)房溫度上升，從而起到將信息及通信機(jī)房內(nèi)的環(huán)境溫度維持在不超過26℃的條件，保障信息及通信設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.2 傳統(tǒng)機(jī)房精密空調(diào)的制冷和送冷方式

根據(jù)對IDC機(jī)房行業(yè)多年的相關(guān)研究表明，采用傳統(tǒng)的機(jī)房精密空調(diào)的形式對機(jī)房進(jìn)行制冷的方式，能耗巨大，浪費大量的電力能源消耗，而且還達(dá)不到理想的制冷效果。原因在于：

1）機(jī)房精密空調(diào)的冷卻及氣流組織形式?jīng)Q定了制冷效果的局限性。精密空調(diào)是通過對機(jī)房內(nèi)大環(huán)境送風(fēng)送冷，實現(xiàn)溫度控制從而達(dá)到保障設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度不超過26℃的技術(shù)要求的，那么在制冷運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中就必須要求機(jī)房環(huán)境空間內(nèi)所有的空氣溫度都不高于26℃，才能夠保障所有設(shè)備對于進(jìn)風(fēng)不超過26℃的要求。

在具體的實施過程中，機(jī)房空調(diào)在機(jī)房內(nèi)的布置位置是固定的，而一般情況下放置設(shè)備的機(jī)柜是分散布置在機(jī)房的空間內(nèi)的，這就導(dǎo)致了機(jī)房空調(diào)的冷卻效果不能兼顧到機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的問題，從而出現(xiàn)了機(jī)房內(nèi)冷熱分布不均勻，出現(xiàn)了局部過熱的現(xiàn)象。在實際的機(jī)房維護(hù)工作中，為了解決機(jī)房內(nèi)的局部過熱點，很多情況下會采用認(rèn)為降低機(jī)房空調(diào)的回風(fēng)設(shè)定溫度，比如從26℃設(shè)定降低到18℃設(shè)定，從而去拉低機(jī)房的內(nèi)部過熱點，這就會出現(xiàn)雖然局部過熱點現(xiàn)象得到了一定程度的緩解，但是會出現(xiàn)機(jī)房內(nèi)的一些區(qū)域溫度過低甚至是過冷的現(xiàn)象，更重要的是這種做法還降低了機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行效率，增加了運(yùn)行時間，導(dǎo)致了能源消耗的巨大浪費。

2）傳統(tǒng)機(jī)房精密空調(diào)氣流組織、制冷模式和結(jié)構(gòu)等方面制約導(dǎo)致無法充分挖掘自然冷源利用的潛力，對自然冷源的利用不足，在冷源環(huán)節(jié)消耗大量電能。根據(jù)我國的平均氣象條件分析，如能充分利用自然冷源，可以使數(shù)據(jù)中心機(jī)房的PUE水平由目前的平均2.0以上降低到1.4以下，空調(diào)制冷系統(tǒng)的功耗下降60%以上。

綜合以上分析，可以看出，機(jī)房溫度與機(jī)柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度的強(qiáng)相關(guān)性導(dǎo)致機(jī)房溫度設(shè)定較低，增加空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗，同時，無自然冷源利用或者對自然冷源利用不充分，也是導(dǎo)致目前機(jī)房精密空調(diào)能耗高企的主要原因。

3 基于機(jī)柜微環(huán)境溫度控制的新型直冷技術(shù)

3.1 直冷技術(shù)介紹

根據(jù)以上分析，本文將提出一種全新概念的針對機(jī)房信息和通信設(shè)備的冷卻形式，整體的思路是：將控制機(jī)房總體環(huán)境溫度變?yōu)榭刂茩C(jī)柜微環(huán)境溫度，將機(jī)房環(huán)境溫度和機(jī)柜內(nèi)部微環(huán)境溫度解耦，保障機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的進(jìn)風(fēng)及排放到機(jī)房空間內(nèi)的空氣的溫度要求，降低機(jī)房大的環(huán)境空間內(nèi)對溫度的要求條件。

具體的實現(xiàn)形式：將機(jī)房內(nèi)的每一臺放置設(shè)備的機(jī)柜都看作是一個氣流可以獨立循環(huán)的空間，機(jī)柜的前柜門與后柜門采用熱管蒸發(fā)端的形式，也就是說機(jī)柜的前柜門是一套熱管蒸發(fā)器，后柜門也是一套熱管蒸發(fā)器，空氣在進(jìn)出每臺機(jī)柜的氣流組織形式是：冷卻—被設(shè)備加熱—再被冷卻的過程。同時，此結(jié)構(gòu)將能最大限度地充分利用自然冷源制冷，比傳統(tǒng)自然冷源利用更進(jìn)一步降低制冷的電耗，其實現(xiàn)形式示意圖如圖1所示。

機(jī)房內(nèi)放置設(shè)備的機(jī)柜的前柜門與后柜門分別做成熱管原理換熱的第一蒸發(fā)端與第二蒸發(fā)端，分別連接至室外冷卻裝置的一級冷凝器與二級冷凝器，冷凝器的形式可以是各種實現(xiàn)方式，比如水冷或其他液體冷卻或者風(fēng)冷的形式。同前柜門一體的第一蒸發(fā)端與一級冷凝器之間構(gòu)成封閉的熱管循環(huán)，同后柜門一體的第二蒸發(fā)端與二級冷凝器之間構(gòu)成封閉的熱管循環(huán)。按照目前的相關(guān)行業(yè)規(guī)范對機(jī)房環(huán)境的溫度要求，即設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度不得超過26℃，那么機(jī)房采用此種冷卻方式，機(jī)房的整體環(huán)境溫度控制到不超過30℃，30℃的空氣（黃色）先經(jīng)過前柜門的第一蒸發(fā)端，被冷卻到24℃以下（綠色），那么設(shè)備的實際進(jìn)風(fēng)溫度我們是可以控制到24℃的，已經(jīng)低于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對于不超過26℃的技術(shù)要求；24℃的空氣經(jīng)過發(fā)熱設(shè)備，對發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行冷卻后被加熱到36℃（紅色），36℃的熱空氣在經(jīng)過后柜門的第二蒸發(fā)端，被降溫冷卻到30℃以下，排放到機(jī)房環(huán)境空間。

當(dāng)然，一般情況下IT發(fā)熱設(shè)備是自帶風(fēng)扇運(yùn)行的，設(shè)備的自帶風(fēng)扇基本上可以滿足柜內(nèi)換熱對于風(fēng)量的要求，但是針對于熱流密度較大的高功率密度設(shè)備及其他特殊情況，也可以考慮在機(jī)柜內(nèi)的適當(dāng)位置安裝增加強(qiáng)制對流換熱循環(huán)的風(fēng)機(jī)，以達(dá)到加大氣流組織，增加換熱效率，更加保障設(shè)備運(yùn)行安全的目的。

以上所提出機(jī)柜微環(huán)境溫控直冷技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)了機(jī)柜內(nèi)部微環(huán)境溫度和機(jī)房環(huán)境溫度的解耦，并實現(xiàn)對自然冷源的充分利用，在提高了機(jī)房環(huán)境空間的整體設(shè)定溫度、降低了設(shè)備的實際進(jìn)風(fēng)溫度保障發(fā)熱設(shè)備的運(yùn)行安全的同時，提高了熱管循環(huán)利用自然冷源的時段長度，是一種全新概念的IDC機(jī)房冷卻形式，具有積極的實踐創(chuàng)新及節(jié)能減排的社會意義。

3.2 增量節(jié)能效果分析

直冷形式對于提高自然冷源利用效率，增大節(jié)能量的分析如下：

熱管原理的換熱循環(huán)是利用蒸發(fā)端與冷凝端的溫差作為驅(qū)動力來工作的，也就是說同樣的其他條件不變，蒸發(fā)端與冷凝端的溫差越大（蒸發(fā)端溫度高于冷凝端），換熱效率就越高，蒸發(fā)量就越大，排熱量也就越大。根據(jù)熱管原理在機(jī)房環(huán)境應(yīng)用的經(jīng)驗，一般要求機(jī)房室外環(huán)境溫度低于室內(nèi)環(huán)境溫度5℃以上時，熱管設(shè)備才可以利用溫差工作從而產(chǎn)生效果。所以當(dāng)機(jī)房內(nèi)的環(huán)境溫度要求為26℃時，只有當(dāng)機(jī)房室外氣溫不高于21℃時，熱管設(shè)備才能利用自然冷源產(chǎn)生效果。但是按照本文中介紹的機(jī)房冷卻形式，當(dāng)機(jī)房內(nèi)環(huán)境溫度的要求提高到30℃時，同樣是5℃溫差，那么當(dāng)機(jī)房室外氣溫不高于25℃時，熱管設(shè)備即可產(chǎn)生效果利用自然冷源工作，完成自然相變循環(huán)，從而達(dá)到對機(jī)房降溫排熱的目的，大幅增加自然冷源利用的效率和時長，進(jìn)一步降低制冷能耗。

依據(jù)北京地區(qū)的氣象條件來分析，北京地區(qū)全年氣溫低于21℃的時間為6 161 h（全年為8 760 h），而氣溫低于25℃的時間為7 298 h（全年為8 760 h），也就是說采用本文介紹的機(jī)房冷卻形式，會進(jìn)一步提高機(jī)房冷卻系統(tǒng)利用自然冷源的時間，北京地區(qū)全年有83.3%的時間段都可以利用自然冷源，較當(dāng)前普通的自然冷源利用技術(shù)，增加利用時長可達(dá)18.5%，產(chǎn)生可觀的增量節(jié)能效果。

3.3 高發(fā)熱密度設(shè)備冷卻分析

所提出的直冷冷卻形式完全依靠機(jī)柜內(nèi)部環(huán)境溫度保證設(shè)備的散熱平衡問題，采用熱管技術(shù)傳熱效率高，傳熱容量大，能夠迅速精確控制機(jī)柜內(nèi)部溫度，響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)房級制冷。且其直接面向設(shè)備冷卻，基本不存在送風(fēng)的問題，在冷量的產(chǎn)生、響應(yīng)與傳遞方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)機(jī)房制冷模式，可以將高發(fā)熱密度設(shè)備的熱量快速帶走，實現(xiàn)冷熱平衡，解決高發(fā)熱密度設(shè)備的冷卻問題。

4 結(jié)論

1）通過新型直冷技術(shù)可以完全實現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)部環(huán)境溫度和機(jī)房總體環(huán)境溫度的解耦，進(jìn)一步增加信息和通信設(shè)備的運(yùn)行安全性，并可最大限度挖掘自然冷源利用的潛力，產(chǎn)生顯著的節(jié)能增量，大幅度降低數(shù)據(jù)機(jī)房能耗。

2）直冷技術(shù)優(yōu)化了機(jī)房內(nèi)的氣流組織問題，解決了現(xiàn)有制冷方式下冷熱不均及局部過熱點現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)形式對于解決高功率密度設(shè)備的冷卻難題提供了解決方案。

3）根據(jù)直冷技術(shù)推廣情況，可適時建議相關(guān)部門修訂機(jī)房環(huán)境溫度的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，從標(biāo)準(zhǔn)方面為機(jī)房節(jié)能提供依據(jù)。