遲媛，朱國(guó)棟，吳飛，許永昭

（北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

云計(jì)算和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，給用戶(hù)帶來(lái)革命性體驗(yàn)的同時(shí)，大幅度提高了網(wǎng)絡(luò)及通信行業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)及信息的運(yùn)用和處理需求，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也在不斷的擴(kuò)大發(fā)展。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的高能耗問(wèn)題也日益突出并被重點(diǎn)關(guān)注。大量的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、交換、傳輸設(shè)備聚集在數(shù)據(jù)機(jī)房中，常年處于工作狀態(tài)，形成了數(shù)據(jù)中心發(fā)熱量大，發(fā)熱密度高的特點(diǎn)；同時(shí)，這些數(shù)據(jù)處理設(shè)備的元器件及集成電路極易受到溫度、濕度、灰塵、電磁等環(huán)境因素干擾，為使其運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)機(jī)房必須具備一定的環(huán)境條件，使數(shù)據(jù)處理設(shè)備可以正常運(yùn)行。

作為保證電子設(shè)備正常運(yùn)行的輔助系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗問(wèn)題隨著機(jī)房電子設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求及其功率密度的不斷提高而不斷增長(zhǎng)，降低能耗成為數(shù)據(jù)機(jī)房運(yùn)營(yíng)方越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。一方面要求數(shù)據(jù)中心保持高可用性特點(diǎn)，能高效安全地運(yùn)營(yíng)；另一方面，用戶(hù)會(huì)盡可能要求數(shù)據(jù)中心降低能耗和運(yùn)行成本。作為占據(jù)數(shù)據(jù)中心能耗35%～45%的空調(diào)系統(tǒng)，其節(jié)能效果對(duì)于數(shù)據(jù)中心節(jié)能具有重大意義。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析

目前，很多數(shù)據(jù)機(jī)房都存在空調(diào)制冷量過(guò)大、冷氣流短路、機(jī)房?jī)?nèi)部分區(qū)域溫度過(guò)高的情況，這主要是由以下幾個(gè)方面的原因造成的：

（1）空調(diào)設(shè)備選型不合理。目前，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題就是空調(diào)設(shè)備選型的不合理。在空調(diào)設(shè)備的選型過(guò)程中，機(jī)房冷負(fù)荷是最為重要的參數(shù)依據(jù)，機(jī)房中服務(wù)器散熱形成的冷負(fù)荷是機(jī)房冷負(fù)荷的主要組成部分，其電功率97%以上轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)到機(jī)房?jī)?nèi)。每臺(tái)設(shè)備在出廠時(shí)均有一個(gè)額定功率，它代表了該設(shè)備最大的使用功率，在計(jì)算設(shè)備發(fā)熱量時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)直接用設(shè)備額定率乘以熱轉(zhuǎn)化率（90%～97%）作為該機(jī)房設(shè)備的發(fā)熱。但在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)服務(wù)器的用途不同，其正常運(yùn)行功耗僅為額定功率的40%～60%，有時(shí)甚至更低，因此在空調(diào)設(shè)備選型時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)制冷量過(guò)大的情況。而在空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，為了達(dá)到設(shè)定的環(huán)境溫度，制冷的同時(shí)需要消耗大量的電力制熱，產(chǎn)生不必要的能耗。

（2）氣流組織不合理。一方面，由于用戶(hù)的傳統(tǒng)觀念，有些數(shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)設(shè)備不是放置在機(jī)房?jī)?nèi)，而是被擱置在“空調(diào)機(jī)房”內(nèi)，這就造成無(wú)論采用地板下送風(fēng)、吊頂風(fēng)管回風(fēng)的形式還是采用吊頂風(fēng)管送風(fēng)，地板回風(fēng)的形式，都會(huì)出現(xiàn)送回風(fēng)短路現(xiàn)象，由于無(wú)組織的送風(fēng)/回風(fēng)，使冷熱風(fēng)混合在一起，無(wú)法有效帶走服務(wù)器的熱量。另一方面，目前大多數(shù)數(shù)據(jù)機(jī)房都是利用架空地板作為靜壓箱，在機(jī)柜附近開(kāi)口，采用自由出流方式送風(fēng)，但由于架空地板的高度不夠高，一般只有300～450mm，很難達(dá)到《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的600mm，有些地方甚至低于250mm 并且地板內(nèi)布置有大量的線(xiàn)槽和線(xiàn)纜，導(dǎo)致各個(gè)地板送風(fēng)口風(fēng)量分配不均勻，出現(xiàn)部分區(qū)域溫度偏低，而部分區(qū)域機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器的溫度過(guò)高的現(xiàn)象。

（3）機(jī)柜布置不合理。一些早期建設(shè)的數(shù)據(jù)機(jī)房，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織考慮的較少，在布置機(jī)柜時(shí)采用的是同一方向分多排布置，采用架空地板送風(fēng)時(shí)，空調(diào)送風(fēng)口通常都會(huì)開(kāi)在機(jī)柜的前面，在這種布置方式下，冷氣流從機(jī)柜前部進(jìn)入機(jī)柜，吸收熱量升溫后從后部排出，與進(jìn)入后排機(jī)柜的冷空氣混合，增加了后排機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度，使空調(diào)制冷效率大幅度降低。同時(shí)，即使采用了冷熱通道的數(shù)據(jù)機(jī)房，有時(shí)為了便于管理及檢修，會(huì)將處理信息職能相同的高負(fù)載密度、高功率機(jī)柜放置在同一個(gè)冷熱通道內(nèi)，造成該通道制冷不足而出現(xiàn)高溫報(bào)警。除此之外，空調(diào)工況設(shè)定不合理、空調(diào)系統(tǒng)冷媒管路過(guò)長(zhǎng)、空調(diào)冷源形式選用不當(dāng)?shù)榷际窃斐赡壳皵?shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗高的原因。

2 數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化措施

2.1 選取合理的機(jī)房運(yùn)行溫度

隨著節(jié)能要求的日益提高，以及電子信息設(shè)備對(duì)物理環(huán)境要求范圍的寬松，包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家，都對(duì)機(jī)房設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了大范圍調(diào)整，但許多數(shù)據(jù)中心依舊是按照23℃±1℃作為設(shè)計(jì)取值和機(jī)房運(yùn)行溫度。

表1 數(shù)據(jù)中心環(huán)境要求

在實(shí)際的機(jī)房運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)境溫度的控制要求可以參考表1 中的標(biāo)準(zhǔn)以及季節(jié)等因素進(jìn)行區(qū)別設(shè)定，可以將機(jī)房環(huán)境溫度控制在23～27℃，從而提高空調(diào)送、回風(fēng)溫度，通過(guò)調(diào)整空調(diào)設(shè)備運(yùn)行工況的方式提高制冷系數(shù)，保證機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行的同時(shí)，可以減少機(jī)房制冷、加熱、加濕、除濕的能耗，并且環(huán)境溫度設(shè)定的越高，節(jié)能效果越明顯。

2.2 提高空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確度

在計(jì)算空調(diào)夏季冷負(fù)荷時(shí)，不能采用經(jīng)驗(yàn)方法按照單位面積冷量估算數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負(fù)荷，應(yīng)對(duì)設(shè)備散熱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、太陽(yáng)輻射熱、人體散熱、照明設(shè)備散熱、新風(fēng)冷負(fù)荷及伴隨各種散濕過(guò)程產(chǎn)生的潛熱進(jìn)行逐時(shí)詳細(xì)計(jì)算。且對(duì)于占主要部分的設(shè)備散熱，不能簡(jiǎn)單地把設(shè)備額定率乘以熱轉(zhuǎn)化率作為該機(jī)房設(shè)備的發(fā)熱，應(yīng)要求供應(yīng)商提供根據(jù)電子信息設(shè)備所配置的處理器頻率、處理器數(shù)量、內(nèi)存卡容量規(guī)模與數(shù)量、PCI 卡數(shù)量、硬盤(pán)容量規(guī)模與數(shù)量計(jì)算出的該設(shè)備的運(yùn)行功耗與發(fā)熱量的參考值，作為空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的輸入值。

2.3 優(yōu)化氣流組織模式

氣流組織模式不合理是造成數(shù)據(jù)中心能耗高的主要原因，根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房的規(guī)模和使用情況，選擇能夠有效地排除機(jī)房?jī)?nèi)余熱的氣流組織，確保電子信息設(shè)備對(duì)環(huán)境溫濕度的需求。數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織不僅包括數(shù)據(jù)機(jī)房整個(gè)空間的氣流組織，還包括機(jī)柜內(nèi)部的氣流組織，當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織合理、機(jī)柜具有良好的散熱工藝結(jié)構(gòu)且擺放位置合理時(shí)，就可提高機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器的散熱效率，減少機(jī)柜內(nèi)外的溫度差，從而適當(dāng)降低機(jī)房環(huán)境濕度要求，達(dá)到節(jié)能效果。目前，數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)多采用上送下回/側(cè)回、下送上回及列間送風(fēng)的氣流組織模式。

（1）機(jī)房氣流組織。在上送風(fēng)方式中，多數(shù)機(jī)柜的制冷進(jìn)風(fēng)口在下部或前方，排風(fēng)口在機(jī)柜頂部或后方，冷空氣從頂部被送入機(jī)房，會(huì)先與機(jī)房?jī)?nèi)上升的熱氣流混合，再進(jìn)入機(jī)柜進(jìn)行冷卻，如此就會(huì)減小機(jī)柜內(nèi)對(duì)流換熱溫差，從而影響機(jī)柜的散熱效率。而對(duì)于下送上回的氣流組織模式，冷空氣通過(guò)地板送風(fēng)口送入機(jī)房，被機(jī)柜吸入升溫，然后排出，排出的熱空氣自動(dòng)上浮，符合空氣梯度分布規(guī)律，然后經(jīng)回風(fēng)口返回至空調(diào)設(shè)備，相對(duì)上送風(fēng)方式增加了機(jī)柜內(nèi)對(duì)流換熱溫差，提高了散熱效率，并且減少了氣流組織分配的阻力。

“冷熱通道”的布置方式是對(duì)下送上回氣流組織模式的進(jìn)一步優(yōu)化。在機(jī)柜數(shù)量眾多的機(jī)房，將機(jī)柜“背靠背、面對(duì)面”擺放，這樣在兩排機(jī)柜的正面通道中的地板上布置空調(diào)出風(fēng)口，形成一個(gè)冷空氣區(qū)——“冷通道”。冷空氣經(jīng)過(guò)設(shè)備后形成的熱氣流，排放到兩排機(jī)柜背面的“熱通道”中，通過(guò)布置在熱通道中的回風(fēng)口回到空調(diào)設(shè)備，使整個(gè)機(jī)房氣流流動(dòng)暢通，提高了空調(diào)的制冷效果。另外在“冷熱通道”布置方式下，為了更好地將冷熱氣流隔離開(kāi)，可在冷通道或者熱通道內(nèi)布置一些擋板，或者完全將某一通道封閉起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高效的冷氣流利用。

列間送風(fēng)是伴隨高密度數(shù)據(jù)機(jī)房出現(xiàn)的一種送風(fēng)模式，通常與封閉“冷熱通道”的布置結(jié)合在一起使用，將列間空調(diào)放置在機(jī)柜之間。列間空調(diào)是通過(guò)多個(gè)小風(fēng)扇將冷空氣水平送出，由于與機(jī)柜緊密安裝在一起，水平送出的風(fēng)與機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器后部安裝的風(fēng)扇形成一個(gè)有效的氣流循環(huán)，空調(diào)制冷量得到充分利用，與傳統(tǒng)空調(diào)模式相比，節(jié)能效果更明顯。

（2）機(jī)柜氣流組織。機(jī)柜按行進(jìn)行排列，采用冷熱通道技術(shù)，避免統(tǒng)一方向布置；在機(jī)柜內(nèi)空閑的U 位靠近進(jìn)風(fēng)口的位置安裝盲板，避免熱空氣在出風(fēng)口收到輕微增壓后（再加上設(shè)備進(jìn)氣口的吸力）被重新吸入服務(wù)器的進(jìn)氣口，形成短路循環(huán)；使用帶有風(fēng)扇系統(tǒng)的機(jī)柜，可主動(dòng)將熱空氣從機(jī)柜頂部或后部排出；對(duì)機(jī)柜之間的間隙、機(jī)柜底部與活動(dòng)地板間的間隙進(jìn)行封堵。

2.4 合理應(yīng)用自然冷源技術(shù)

自然冷源技術(shù)指的是全部或部分應(yīng)用自然界的免費(fèi)天然冷源進(jìn)行制冷，從而降低空調(diào)能耗。當(dāng)前，較為常用的自然冷源主要是冬季及過(guò)渡季節(jié)的室外低溫空氣，將室外空氣過(guò)濾后直接引入機(jī)房作為冷源，此種冷卻方式原理簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)低。由于利用自然冷源對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行降溫的效果，易受室外溫度變化、太陽(yáng)輻射變化等因素影響，因此，利用自然冷源的新風(fēng)系統(tǒng)需與機(jī)房空調(diào)聯(lián)動(dòng)，從而保證機(jī)房設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)數(shù)據(jù)中心，分析了在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型、氣流組織、機(jī)柜布置等方面存在的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際，從機(jī)房運(yùn)行溫度、設(shè)備負(fù)荷計(jì)算、氣流組織模式等方面提出了優(yōu)化措施，為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的綜合節(jié)能建設(shè)與改造提供參考和依據(jù)。