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1 引言

數(shù)據中心是信息網絡及系統(tǒng)的重要基礎設施,其提供的巨大數(shù)據處理能力是實現(xiàn)互聯(lián)網+、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據等技術和應用的基礎保障。受“新基建”、“互聯(lián)網+”、大數(shù)據戰(zhàn)略、數(shù)字經濟等國家政策指引以及移動互聯(lián)網快速發(fā)展的驅動,我國數(shù)據中心持續(xù)快速發(fā)展。同時數(shù)據中心巨大的能源消耗和對環(huán)境的影響使得綠色、節(jié)能成為數(shù)據中心的發(fā)展趨勢,而空調制冷是實現(xiàn)數(shù)據中心綠色節(jié)能的主要途徑。本文根據數(shù)據中心常用的空調末端類型,分析各種空調末端在機房設計建設過程中的影響,為建設高效、節(jié)能數(shù)據中心機房提供技術支撐。

2 數(shù)據中心機房空調末端類型

隨著IT設備的發(fā)展,計算機設備散熱量也越來越大。以往單機架平均功耗平均為2～3 kW,現(xiàn)在逐步提升至5KW,部分互聯(lián)網企業(yè)單機架功耗甚至高達10kW以上。單機架功耗呈增加的趨勢已經是一個不爭的事實。機架功率密度的提升,對于機房散熱也提出了挑戰(zhàn)。一般而言,根據機架的功率密度可選取合適的空調制冷方案。

表1 不同機房冷負荷密度下空調末端類型

對于新建機房,可參照上述空調制冷方案進行設計和建設。但對于現(xiàn)有機房改造,還會受制于機房現(xiàn)有的基礎配套設施,需結合設備散熱要求與機房現(xiàn)有基礎環(huán)境、維護要求、投資等綜合考慮,擇優(yōu)選取。

3 空調末端對機房的影響

3.1 房間級空調末端對機房的影響 采用房間級空調進行制冷時,通常采用地板下送風、上回風的氣流組織形式,機柜排列布局采用的是“面對面”及“背對背”的方式進行布局,這樣自然形成冷風通道和熱風通道,可優(yōu)化氣流組織,提高制冷效果。為進一步提升節(jié)能效果,亦可部署封閉冷通道的形式。房間級空調空調制冷方式有直膨風冷精密空調、冷凍水精密空調兩種形式。

采用房間級空調時,為避免空調風量的損失,通常要求降低靜壓箱內的動壓,保證空調系統(tǒng)的風量能有效傳導至散熱設備,架空地板的高度應通過計算確定,使地板下斷面風速降低至2-3m/s。一般單機柜平均功耗低于3KW時,地板高度可設置在450mm,機柜功耗在3-5KW之間時,地板高度可設置在600mm,機柜功耗在5-7KW之間時,地板高度可設置在800mm。

采用通風地板下送風時,通風地板的通透率、設置數(shù)量等應綜合考慮以滿足設備制冷風量的要求以及地板下靜壓控制的需求。通常會根據不同機房冷負荷密度,選取適宜的通風地板的通透率以及風口形式,同時通風地板的選用不應降低架空地板整體的強度和荷載標準。

對于部分超高密機房的場景,為滿足設備散熱要求,冷通道間距按通風地板模數(shù)增加,可一步提升機柜進風量。此外在地板下送風場景下,地板以下由于溫度較低,與機房下一樓層的頂面溫差較大,容易產生冷凝水,為避免以上情況發(fā)生,要求在地板下除常規(guī)的地面防塵處理外,還需敷設難燃性保溫材料。對于水冷房間級空調,空調區(qū)域地板下地面建議采取防水措施,保障機房內設施安全。

由于機房內地板的設置,部署房間級空調機房對于機房層高的要求通常較高,具體高度會依據機房內地板高度、機柜高度、線槽空間、消防管網空間等要求而定,結合工程經驗,采用房間級空調下送風時機房凈高建議不低于3.3米。如現(xiàn)場建筑凈高難以滿足,可采取部署42U標準機柜(高度為2米),同時采用單層線槽并列布置等措施予以規(guī)避。

3.2 列間級空調對機房的影響 采用列間空調進行制冷時,通常采用水平前送風,后回風的氣流組織形式,機柜排列布局依舊采用的是“面對面”及“背對背”的方式進行布局,并通常與封閉冷/熱通道一并部署。列間空調因緊靠熱源放置,大大縮短了送風路徑和風壓,因此提高了制冷效率。

列間空調在封閉冷/熱通道的布局中主要有正對均勻布置,正對非均勻布置以及交錯布置等形式。有研究表明,列間空調交錯布置的布局形式會減弱了出風氣流的對沖運動,導致氣流路徑不規(guī)則運動的結果,易于產生氣流自渦旋現(xiàn)象,造成部分氣流自循環(huán)而未進入機柜內冷卻設備從而造成極大的內耗；而列間空調正對非均勻布置的方式充分利用氣流運動進入機柜內冷卻設備,氣流運動規(guī)律,進入機柜內氣流流量均勻分布,可更加直接高效的冷卻設備?？紤]到列間空調在封閉冷/熱通道內部布局時,機柜與列間空調的數(shù)量比例時有不同,甚至列間空調的數(shù)量偶爾會出現(xiàn)奇數(shù)的情況,建議工程設計時采用CFD對列間空調在封閉冷/熱通道中的布局進行仿真,從而優(yōu)化設計方案,提高列間空調制冷效率。

列間空調制冷方式有直膨風冷列間、冷凍水列間和熱管列間三種形式,通常采用防靜電地板及支架安裝的方式,根據不同的列間空調類型,地板下需要敷設冷媒管、供回水管、冷凝水管等,列間空調對于防靜電地板的高度要求不高,可滿足管線安裝即可,通常在300-450mm之間。冷凍水列間空調因供回水進入機房,要求機房地面采取防水、漏水告警和排水等措施。熱管列間空調需通常會配置水冷冷凝器作為冷源,且熱管列間空調與水冷冷凝器有距離要求,因此需在機房內設置空調間區(qū)域用于安裝空調水冷冷凝器等輔助設施。此外在應用列間空調時,為進一步提高節(jié)能效果,保持環(huán)境濕度在合理范圍內,建議在微模塊內部單獨配置恒濕機。

3.3 機柜級空調對機房的影響 機柜級空調包含熱管背板空調以及冷水背板空調。熱管背板空調安裝于機柜背面,包含重力熱管型和動力熱管型。冷水背板空調將表冷器設置于機柜前門/后門內部,將冷凍水送到各個冷水前門/后門的表冷器內部,根據機柜的進風溫度和出風溫度,自動調節(jié)冷水前門/后門風扇的轉速,控制機柜內部的制冷量的輸送,達到制冷的效果。熱管背板空調及冷水背板空調對機房的影響與熱管列間及熱管背板空調的類似,但由于氣流組織僅限于機柜內部。

3.4 空調末端對于機房平面及裝機率的影響 機房內部的平面布局主要參照現(xiàn)行消防規(guī)范,滿足人員疏散要求,同時滿足人員、設備等正常通行,設備維護空間要求等,另一方面是根據設備功率密度的特點,合理安排列間距,滿足設備散熱要求。

對于房間級空調制冷方式,機柜列布局采用的是“面對面”及“背對背”的方式進行布局,機柜布局排列需考慮空調送風距離的限制,即通常要求不超過15米,如超過空調送風距離,要求采取空調兩側對吹的方式進行部署。房間級空調末端及列間級空調末端需占用機房內部空間,且房間級的冷通道間距在部分場景下會高于列間空調,機柜級空調與機柜自成一體,因此理論上不同空調末端形式的裝機率由高到低可排列為,機柜級空調末端＞列間空調末端＞房間級機房專用空調末端,部分場景下,列間空調末端與房間級機房專用空調的裝機率相差不大。

3.5 空調末端對機房節(jié)能效果的影響 在同種冷媒形式的條件下,風冷型列間空調較風冷型房級間空調末端更加貼近熱源,氣體輸送距離短,理論上節(jié)能效果更好。同理對于水冷空調末端,節(jié)能效果由高到低可排列為水冷背板空調＞水冷列間空調＞水冷型房級間空調末端。

在同種空調末端形式的條件下,風冷房間級空調較水冷型房間空調,水冷型空調機組的能效比通常都高于風冷型空調機組,因此理論上水冷型房間空調節(jié)能效果更好。熱管型空調末端的方案通常需要在空調末端與冷水機組間配置水冷冷凝器作為冷源,該方案相對于水冷型空調末端的方案,多了一次熱交換,因此理論上水冷型末端的節(jié)能效果會略優(yōu)先于熱管型。綜合而言,對于列間空調末端,節(jié)能效果由高到低可排列為,水冷型列間空調＞熱管型列間空調＞風冷型列間空調；對于背板型空調末端,水冷型背板空調節(jié)能效果優(yōu)于熱管型背板空調。

4 結束語

綠色、節(jié)能數(shù)據中心是業(yè)內未來數(shù)據中心建設發(fā)展的趨勢,而合理選用空調末端類型是建設高效節(jié)能數(shù)據中心機房的關鍵。本文對不同的空調末端類型在機房建設中的一些關鍵問題展開了探討與分析,對設計中需要重點考慮的問題給出了建議,希望在實際的數(shù)據中心規(guī)劃設計、建設過程中,要充分考慮實際情況來進行科學選擇和嚴格論證,確保數(shù)據中心制冷節(jié)能技術的科學應用,更快更好地建設數(shù)據中心機房。