英利能源（中國(guó)）有限公司 張 旭 崔 濤

論文在簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)中心機(jī)房中機(jī)柜冷通道封閉技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過專業(yè)機(jī)房的CFD模擬軟件模擬制冷環(huán)境、電能消耗及數(shù)據(jù)測(cè)算，得出機(jī)柜冷通道封閉技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能有重要的作用。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各企業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)中心的用電成本也在不斷上漲，節(jié)約用電是節(jié)能節(jié)支的一項(xiàng)重要措施。電能消耗主要包括機(jī)房日常運(yùn)營(yíng)用電和IT專業(yè)設(shè)備用電兩部分。數(shù)據(jù)中心日常運(yùn)營(yíng)用電中，空調(diào)制冷用電占據(jù)非常大的比例。本文主要探究機(jī)柜冷通道封閉技術(shù)對(duì)空調(diào)的應(yīng)用效果，提升空調(diào)的制冷效率，起到節(jié)約能源的作用。

1 機(jī)柜冷通道封閉技術(shù)

冷通道密閉組件用于高架地板和間接制冷環(huán)境，通過對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房地板下送風(fēng)至密封的通道中，引導(dǎo)冷氣從機(jī)柜前門進(jìn)入，對(duì)設(shè)備降溫后從機(jī)柜后門及時(shí)排出，形成流動(dòng)氣流方式，主要作用是防止冷熱氣流混合，及時(shí)返回空調(diào)回風(fēng)口，提高冷氣的使用效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的；同時(shí)，機(jī)柜冷通道封閉技術(shù)可有效降低機(jī)房能源消耗率PUE數(shù)值，提高數(shù)據(jù)中心空間利用效率，可增加機(jī)柜設(shè)備存放密度，提高數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備容積率。此外，數(shù)據(jù)中心機(jī)房機(jī)柜還有一種熱通道封閉的方式，熱通道封閉是將機(jī)柜采用背靠背的擺放形式，封閉其熱風(fēng)區(qū)域形成的熱通道?？紤]到機(jī)房的安全性，熱通道又是一個(gè)熱量集中的區(qū)域，所以一般情況下要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制抽風(fēng)回到空調(diào)。這種方式在實(shí)際應(yīng)用中很少采用，除了安全性的考慮外，在施工聯(lián)動(dòng)方面也很復(fù)雜、繁瑣。由于熱通道封閉技術(shù)相對(duì)冷通道封閉技術(shù)施工工藝要求比較高，所以日常應(yīng)用過程中使用的比較少。

2 機(jī)柜通道封閉節(jié)能的數(shù)據(jù)測(cè)算

在測(cè)試過程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了面對(duì)面、背對(duì)背的機(jī)柜擺放、地板下送風(fēng)、封閉冷通道、無吊頂自由回風(fēng)等氣流組織方式，并通過美國(guó)Innovative Research, Inc.公司研制的專門針對(duì)機(jī)房的CFD模擬軟件TileFlow對(duì)幾種氣流組織方式進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。計(jì)算結(jié)果說明，半封閉冷通道可以顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率，并允許運(yùn)維人員在后期運(yùn)行中采用一系列的節(jié)能運(yùn)行模式而不影響到服務(wù)器送風(fēng)溫度。

為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析，我們先建立一個(gè)較小的數(shù)據(jù)中心機(jī)房模型來比較整體效果。

布置了如下設(shè)備：2臺(tái)精密空調(diào)，下送風(fēng)，顯冷量63.5kW/臺(tái)（24℃回風(fēng)條件），最大風(fēng)量15,500CMH/臺(tái)；18臺(tái)機(jī)柜，其中15臺(tái)發(fā)熱量為3.2kW/臺(tái)，需求風(fēng)量857CMH/臺(tái)；2臺(tái)發(fā)熱量為1.6kW/臺(tái)，需求風(fēng)量429CMH/臺(tái)；1臺(tái)（配電列頭柜）發(fā)熱量為0，需求風(fēng)量為0；18片25%通風(fēng)率通風(fēng)地板。

在進(jìn)行模擬運(yùn)算的時(shí)候，按照表1模擬了四種運(yùn)行情景。

表1 模擬四種情況

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在有效送風(fēng)距離范圍內(nèi)（一般為2～16m），越靠近精密空調(diào)的通風(fēng)地板，其出風(fēng)量越小，其主要原因是在靠近精密空調(diào)區(qū)域地板下的壓力較低，水平風(fēng)速較快，導(dǎo)致垂直出風(fēng)速度較低。圖1、圖2列舉了空調(diào)開啟時(shí)地板下的壓力分布情況。

圖1 兩臺(tái)空調(diào)開啟時(shí)地板下的壓力分布

圖2 一臺(tái)空調(diào)開啟時(shí)地板下的壓力分布

從計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，雖然按照冷量計(jì)算，一臺(tái)空調(diào)開啟一臺(tái)空調(diào)備份的模式足以對(duì)本數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行制冷，但是在實(shí)際模擬時(shí)，仍然有2臺(tái)機(jī)柜的局部進(jìn)風(fēng)溫度超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的24℃。

通過模擬軟件測(cè)算發(fā)現(xiàn)，在機(jī)柜的正面溫度分布不均勻，靠近冷走廊外沿部分及機(jī)柜頂部溫度最高，其主要原因是地板送風(fēng)量在靠近精密空調(diào)的區(qū)域比遠(yuǎn)離精密空調(diào)的區(qū)域低，這樣回流的熱氣容易導(dǎo)致機(jī)柜正面升溫。那么回流的熱氣是從哪里來的呢？

從情景A1冷通道縱向溫度分布中發(fā)現(xiàn)，來自于送風(fēng)地板的冷空氣在慣性上升的過程中遇到機(jī)柜背面發(fā)出的熱空氣而被升溫，這種現(xiàn)象在冷空氣風(fēng)量較弱的部分尤為明顯。

通過情景A1冷通道水平溫度分布可知，大量機(jī)柜背面釋放的熱空氣從冷走廊的頂部及兩側(cè)侵入，導(dǎo)致機(jī)柜正面的溫度分布不均衡。

從情景A1冷通道橫向溫度分布看出，部分熱空氣從機(jī)柜背部發(fā)出，并從機(jī)柜上方回饋到機(jī)柜正面。

從情景A2機(jī)柜正面溫度分布、情景A2冷通道縱向溫度分布、情景A2冷通道水平溫度分布、情景A2冷通道橫向溫度分布的計(jì)算結(jié)果中了解到，由于兩臺(tái)空調(diào)同時(shí)開啟，提供了過量的冷風(fēng)，阻擋了熱風(fēng)從冷通道上方及側(cè)面侵入，避免了機(jī)柜重新吸入熱空氣的情況。然而，這種消除熱點(diǎn)的方式由于開啟了過量的空調(diào)，提供過量的風(fēng)量，并導(dǎo)致過量的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至引入了過量制冷及加熱、加濕循環(huán)，浪費(fèi)了大量電能，并不值得推薦。

在情景B1的計(jì)算結(jié)果中，機(jī)柜正面的送風(fēng)溫度非常理想，均低于國(guó)標(biāo)要求的24℃，甚至最高不超過14℃。

情景B1機(jī)柜正面溫度分布與A1情景形成鮮明的對(duì)比，在封閉冷通道之后，機(jī)柜正面的溫度分布非常均勻，無論是機(jī)柜頂部還是冷通道末端都沒有出現(xiàn)冷空氣被熱空氣“侵蝕”的情況。

情景B1的計(jì)算結(jié)果讓我們對(duì)冷通道半封閉這種氣流組織模式充滿了信心，并且我們發(fā)現(xiàn)機(jī)柜正面的溫度分布非常均勻而且普遍較低，這讓我們對(duì)情景B2的計(jì)算結(jié)果充滿的期待。在將空調(diào)回風(fēng)溫度從24℃提升到28℃的情況下，我們的氣流組織模式是否能達(dá)到很好的效果？

在情景B2的計(jì)算結(jié)果中，機(jī)柜正面的送風(fēng)溫度同樣低于國(guó)標(biāo)要求的24℃，甚至最高不超過18℃。相比之下，不封閉冷通道的情景A3由于提升了空調(diào)回風(fēng)溫度，無法在機(jī)柜正面提供良好的送風(fēng)溫度，將導(dǎo)致多個(gè)機(jī)柜過熱。

通過情景A3的模擬結(jié)果，從反面充分說明了如果不對(duì)冷通道進(jìn)行封閉處理，精密空調(diào)將無法通過提升回風(fēng)溫度的方式達(dá)到節(jié)能的目的。

3 機(jī)柜通道封閉節(jié)能的結(jié)論

在比較上述四種情景的模擬之后，可以總結(jié)出如下結(jié)論：封閉式冷通道能有效改善機(jī)柜正面送風(fēng)溫度的分布。由于封閉式冷通道確保機(jī)柜正面的溫度均勻分布，能夠提升空調(diào)的回風(fēng)溫度而不在數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)產(chǎn)生熱點(diǎn)，也不會(huì)影響IT設(shè)備的正常運(yùn)行。

提升空調(diào)回風(fēng)溫度有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以使室內(nèi)空氣持續(xù)高于露點(diǎn)溫度運(yùn)行，避免空調(diào)的過量制冷、除濕、加濕和加熱流程，從而節(jié)省大量能耗。（2）在采用相同室內(nèi)機(jī)情況下，可以提升制冷機(jī)組冷凍水的供回水溫度。在較高供回水溫度的工況下，制冷機(jī)組在相同制冷量情況下的耗電量將大大降低，且自然冷卻對(duì)室外氣溫的要求可以大幅提升，從而延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間并降低制冷機(jī)組的耗電量。