金爛聚,劉晨陽,何勁池,葉榮珂,徐洪濤,方 遠
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司,浙江 杭州 310000;2.上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)
伴隨全球信息化的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)存儲和交互的基礎(chǔ)設(shè)施,其發(fā)展備受矚目。當前,在能源、環(huán)境與經(jīng)濟問題嚴峻的國際背景下,數(shù)據(jù)中心被稱為“能源黑洞”。根據(jù)工業(yè)和信息化部電信研究院調(diào)研統(tǒng)計數(shù)據(jù),2015年我國數(shù)據(jù)中心耗電量已達到1 000億kWh,相當于全社會總用電量的1.5%,且比例還在不斷快速上漲。其中空調(diào)系統(tǒng)電耗約占數(shù)據(jù)中心總電耗的40%[1]。在數(shù)據(jù)中心的生命周期中,其用電成本可能會超過IT設(shè)備的總成本。隨著中國在2020年9月向全世界作出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的重大宣誓,如何降低數(shù)據(jù)中心的能耗也順理成章的成為了“雙碳”政策下不可忽視的一環(huán)。評價數(shù)據(jù)中心能耗水平的權(quán)威指標是電能使用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)。根據(jù)綠色網(wǎng)格組織(The Green Grid,TGG)的定義[2],PUE指的是數(shù)據(jù)中心的總能耗與IT設(shè)備能耗的比值。PUE越接近1,則說明除IT設(shè)備之外(如照明、冷卻設(shè)備)的能源消耗越少,數(shù)據(jù)中心能源效率越高。根據(jù)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》的相關(guān)內(nèi)容,到2020年,我國新建大型云計算數(shù)據(jù)中心的PUE值不高于1.4。然而,我國目前已有各類數(shù)據(jù)中心超64萬個[3],其中約有80%以上的數(shù)據(jù)中心PUE大于2.0[4],既有數(shù)據(jù)中心的高能耗問題不可忽視。這是由于在規(guī)劃初期,僅僅重視了數(shù)據(jù)中心機房的功能性,忽視了冷卻設(shè)備、冷卻方案與IT設(shè)備之間的匹配,導致了既有機房冷量分配不合理、局部過熱點較難消除等問題。合適的機房熱環(huán)境難以保障,不僅會導致機房投資和運行費用的大幅提高,造成空調(diào)資源的巨大浪費,還會導致IT設(shè)備工作環(huán)境惡化,帶來不必要的生產(chǎn)安全隱患。此外,隨著業(yè)務(wù)量的增長,部分長期服役的數(shù)據(jù)中心面臨著設(shè)備的更新與擴容,隨之而來的則是機房總功耗的上漲。當機房現(xiàn)有的冷卻措施無法滿足功耗增長的需求時,單純地增加制冷設(shè)備功率只會加劇能源的浪費。因此,需要對已建成機房進行改造,通過制定更合理的冷卻方案,降低其對制冷功耗的需求。
對于大多數(shù)機房而言,冷卻效果不佳,制冷功耗虛高主要體現(xiàn)在:機房溫度分布不均勻,有局部的高溫或低溫區(qū)域;設(shè)備進風溫度較高,冷卻效果差;回風溫度低,輸入冷量難以得到有效利用;冷、熱氣流摻混,導致冷量提前損失。造成上述情形的主要原因在于氣流組織混亂[5],具體可分為以下幾個方面。
房間級的空調(diào)系統(tǒng),不論采用上送風或是下送風的方式,均屬于洪灌風形式,冷卻過程一般為“先冷環(huán)境,后冷設(shè)備”[6]。以下送風方式為例,如圖1所示,初級冷空氣由空調(diào)末端設(shè)備輸入地板的下部空間,隨后與室內(nèi)空氣混合形成次級冷空氣,降低室內(nèi)環(huán)境溫度,進而再通過自然對流或強制對流的方式,將設(shè)備附近的次級冷空氣輸送至熱源處,對服務(wù)器進行冷卻降溫。在這一過程中,當冷空氣到達設(shè)備時,溫度不可避免的上升,為了彌補這部分冷量損失以保證冷卻效果,需要設(shè)置較低的送風溫度,從而導致了制冷功耗不必要的增高。尤其是采用上送風方式的機房,冷空氣對整個機房空間進行了冷卻。事實上,在IT設(shè)備以外的區(qū)域,如機房上部空間、過道等地點,對空氣溫度的高低并無特別要求,無需低溫環(huán)境,因此冷量被浪費在了非必要的區(qū)域。此外,對于采用上送風方式的機房,由于熱島效應(yīng)[7],在自然對流條件下,冷空氣無法有效地輸送至發(fā)熱設(shè)備內(nèi)部,從而使設(shè)備發(fā)熱問題愈加惡化,如圖2所示。
在早期的機房建設(shè)過程中,由于未能認識到合理規(guī)劃送風路徑的重要性,極易導致機房空調(diào)系統(tǒng)的“氣流短路”問題[8]。氣流短路指的是,由空調(diào)出風口送出的冷空氣流未經(jīng)發(fā)熱設(shè)備而直接到達空調(diào)回風口的行為,在采用上送風或下送風的機房中均可發(fā)生,如圖3所示。其原因在于機房內(nèi)部并未劃分冷熱氣流通道或冷熱氣流通道封閉措施不到位。氣流短路造成了機房空調(diào)系統(tǒng)的冷量損失,提高了機房的能耗水平。
簡棄非等[9]采用商用軟件Fluent對某上送風通信機房的氣流組織進行了模擬分析。分析結(jié)果表明,在接近回風通道的送風口處,冷空氣僅有小部分參與了機柜換熱,剩余大部分氣流則隨著回風氣流直接到達回風口,導致了冷量浪費。秦冰月等[10]對某下送風的某數(shù)據(jù)中心開展了研究,采用了Sigmaroom軟件在冷熱通道未封閉和封閉冷通道這兩種條件下對機房內(nèi)部的氣流組織進行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在冷熱通道未封閉時,部分冷空氣經(jīng)高架地板流入室內(nèi)空間后,并未進入機柜,而是散逸至機柜上方與大空間內(nèi)的高溫氣流摻混,機房內(nèi)氣流短路的現(xiàn)象較為明顯,冷量無法得到充分利用。謝靜等[11]在對某通信機房進行分析后同樣發(fā)現(xiàn),不合理的架空地板出風百葉設(shè)置導致了“漏風”情況的發(fā)生,冷量無法完全送入機柜內(nèi)部。呂超等[12]通過CFD模擬的方法對小型機房的氣流組織進行了研究,發(fā)現(xiàn)在敞開式的冷熱通道中同樣存在著“漏風”現(xiàn)象,導致了氣流短路的發(fā)生。
對于某些坐落于辦公樓、寫字樓內(nèi)部的機房而言,其用房為普通房間改造而成,受到大樓結(jié)構(gòu)及空間限制,空調(diào)系統(tǒng)多布置于機房內(nèi)部的邊緣區(qū)域,從而造成了送風距離過長,氣流分布不均的問題[13]。隨著送風距離的延長,冷量逐級減小,遠離空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備往往無法獲得足夠的冷卻氣流,從而導致設(shè)備回風溫度逐級升高,如圖4所示。此外,出于設(shè)備排列的規(guī)整性、一致性考慮,在傳統(tǒng)機房的布局設(shè)計中,機柜多為順向排列,即朝向一致,如圖5所示。由于冷空氣進入機柜內(nèi)部進行換熱后,形成的高溫氣流大多被機柜內(nèi)部的散熱風扇從機柜后方排出,因此上游機柜排出的部分高溫氣流不可避免地被下游機柜吸入,導致下游機柜進風溫度升高,冷卻效果下降,加重了設(shè)備的運行負載與室內(nèi)溫度場的非均勻度。
陳巖松[14]對采用上送風順排機柜的數(shù)據(jù)機房進行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)僅有靠近出風口處的機柜運行在安全溫度范圍內(nèi),其他機柜周圍的氣流溫度普遍偏高。同時,前端機柜所排出的高溫氣流也直接流入了后端機柜,加劇了后端機柜熱環(huán)境的惡化??梢哉J為,機柜順向排列的布局具有極大的弊端,冷空氣的冷卻效果無法充分發(fā)揮。如果機房中存在機柜功率密度分配不合理的問題,在上述兩點原因的作用下,機房內(nèi)極易出現(xiàn)局部高溫熱區(qū),影響設(shè)備的穩(wěn)定運行。在頓喆等人[15]對某數(shù)據(jù)機房進行模擬研究時發(fā)現(xiàn),墻角附近的若干服務(wù)器處易形成渦旋氣流,同時該處設(shè)備發(fā)熱量最大,且遠離送、回風口,局部熱環(huán)境惡劣。在鄧科等[16]對某機房的模擬研究中,機房內(nèi)部同樣存在著高功率設(shè)備過于集中,局部熱點溫度較高的現(xiàn)象。
考慮到已建成機房需要連續(xù)穩(wěn)定運行,各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備難以長時間斷電離線,因此在機房改造時應(yīng)避免對其主體結(jié)構(gòu)進行重大更改,且既有機房往往存在著物理空間不足、功率冗余有限等客觀限制,無法簡單地提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷功率以滿足設(shè)備的溫控需求。因此,既有機房的改造方案可基于以下思路。
機房設(shè)備的陳列方式,如機柜朝向、擺放方向、空調(diào)的機位選取等因素對氣流組織有著直接的影響。通過對機房內(nèi)部的流場形態(tài)、熱點分布進行研判分析,結(jié)合不同功率設(shè)備的散熱功率需求,對設(shè)備布局進行合理化調(diào)整,能夠在不提高冷卻能耗的前提下,有效降低冷卻氣流的流動阻力,提高溫控效果。該方法簡單易行,幾乎不存在額外投入,但調(diào)整效果難以預期,通常需要借助數(shù)值模擬的手段進行評估。魏蕤[17]研究了機房內(nèi)空調(diào)布局對于室內(nèi)熱環(huán)境的影響,發(fā)現(xiàn)將兩臺空調(diào)成對角線放置時,具有最好的冷卻效果。此時,空氣流動阻力最小,有效地消除了室內(nèi)的局部熱點,且具有進一步提高送風溫度的潛力,有利于機房能耗的降低。王丹華等[18]則對機房內(nèi)空調(diào)分別呈并排、正對及斜對角放置時的流場進行了分析,得到了與魏蕤等相同的結(jié)論,即空調(diào)對角放置具有最佳的冷卻效果和最低能耗水平。呂超等[12]將空調(diào)出風方向與機柜走向呈平行布置后發(fā)現(xiàn),冷卻氣流的流動阻力顯著降低,空調(diào)冷量能夠得到更充分的利用。
當機柜呈順向排列時,如前文所述,上游設(shè)備排出的高溫氣流與冷卻氣流混合后進入下游設(shè)備,導致下游設(shè)備進風溫度升高,不利于設(shè)備的穩(wěn)定運行。因此,將相鄰的兩排機柜調(diào)整為相對排列,有利于形成分離的冷熱通道(如圖6所示)[19],能夠有效避免冷熱氣流摻混,有利于設(shè)備冷卻,同時降低空調(diào)的能耗水平。陳巖松[14]對比了機柜分別呈對向排列和順向排列時的流場和溫度場情況,發(fā)現(xiàn)當對向排列的室內(nèi)最高溫度與順向排列時相比降低了8℃左右,同時機柜進風溫度和冷熱氣流摻混程度均有所降低。韋新東等[20]通過設(shè)置冷熱通道分離式的數(shù)據(jù)中心,改善了機房內(nèi)的氣流短路,解決了出風口遠端機柜的過熱問題。此外,根據(jù)設(shè)備功耗水平,將高功耗設(shè)備靠近出風口放置,對空調(diào)系統(tǒng)冷量進行階梯利用,同樣有利于改善局部過熱,提高室內(nèi)溫度均勻性[16]。
上送風形式的機房具有建設(shè)周期短、投資少的特點,在早期被大量采用且至今仍有較大的保有量[21]。其氣流組織形式為敞開式,受機房設(shè)備陳列影響,氣流組織較為混亂且存在送風損失,部分設(shè)備無法獲得充足的冷量[22]。通過對送風設(shè)備進行改造,利用改裝風道、加裝全封閉風管的方式,對每臺機柜進行獨立送風,可將冷氣流直接輸送至機柜內(nèi)部,減小冷量損失,如圖7所示。這一技術(shù)稱為精確送風技術(shù)。若對各分支風管加裝調(diào)節(jié)閥,還可獨立控制各設(shè)備的風量[8]。因此該方法可以避免將冷量消耗在對溫度并不敏感的區(qū)域,例如遠離機柜的空間及過道內(nèi)。但該方法的實施受到了機房物理空間的限制。研究表明,采用精確送風技術(shù)后可以有效改善上送風空調(diào)系統(tǒng)的各項短板[23]。張賀新等[24]對某通信機房進行精確送風改造后發(fā)現(xiàn),不同機柜的排風溫度的降幅均在2℃以上,說明該技術(shù)能夠顯著改善機房的局部熱點問題,降低空調(diào)系統(tǒng)的制冷負荷,具有良好的節(jié)能效益。但是采用風管進行精確送風時,可能遇到流動阻力增大,風量不穩(wěn)定的情況,因此在進行管路設(shè)計時需要特別留意[25]。對于采用下送風方式的機房,可在易產(chǎn)生局部熱點的機柜附近加裝智能送風地板[26],當空調(diào)系統(tǒng)默認運行模式無法滿足散熱需求時,獨立開啟并根據(jù)設(shè)備溫度高低智能進行風量調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控的效果。
對于機柜對向布置的下送風機房,機柜面對面、背對背的排列方式使得冷熱氣流形成了天然的隔離通道。但由于氣體散逸、流場擾動等因素,冷熱氣流仍會發(fā)生一定程度的摻混,從而導致冷量浪費、局部溫度過高等后果[27]。通過使用通道門、頂棚、機柜盲板等部件將冷通道封閉,將冷空氣與熱空氣進行物理隔離,可使冷空氣均勻進入機柜內(nèi)部,消除局部熱點,同時降低空調(diào)能耗水平[28]。這一手段稱為冷通道封閉技術(shù),其原理如圖8所示。由于冷通道封閉技術(shù)手段成熟,且機房內(nèi)設(shè)備尺寸和間距統(tǒng)一,可采用模塊化安裝方式降低施工復雜度,因此得到了廣泛應(yīng)用[29-30]。此外,該技術(shù)可與監(jiān)控、消防及制冷等系統(tǒng)進行聯(lián)動控制[31],進一步增加了機房運行的穩(wěn)定性。陳杰[32]對某自建機房的改造項目中提出了冷通道封閉的實施方案,并對其效果進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明,冷通道封閉后,有效抑制了氣流短路的現(xiàn)象,進入機柜內(nèi)部的空氣流量增大,且機柜內(nèi)部各服務(wù)器溫度一致性得到了明顯提升。同時,進風溫度和排風溫度均有所下降,說明空調(diào)系統(tǒng)負荷可進一步降低。高月芬等[33]在對采取了冷通道封閉措施的北京某數(shù)據(jù)中心進行分析時發(fā)現(xiàn),在保證基本溫控要求的條件下,空調(diào)送風溫度可提高4℃,同時將年自然冷源利用天數(shù)延長約40 d,等效節(jié)省電能10 000 kWh/y,經(jīng)濟效益明顯。
隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更新擴容,已建成機房的空調(diào)系統(tǒng)逐漸無法滿足因功耗上漲而提高的散熱需求,從而導致室內(nèi)局部溫度過高,設(shè)備運行不穩(wěn)定等后果。影響機房溫控散熱效果的主要因素包括:冷熱氣流摻混導致進風溫度提高的送風損失,空調(diào)系統(tǒng)的制冷量在送風過程中已被損耗;冷氣流未經(jīng)散熱設(shè)備而直接進入空調(diào)回風口的氣流短路,空調(diào)冷量被直接浪費;以及室內(nèi)設(shè)備布局不合理由,導致流動阻力過大,發(fā)熱功率分布不均等一系列問題。為了不影響現(xiàn)有設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運行狀態(tài),保障生產(chǎn)生活,可以通過調(diào)整優(yōu)化設(shè)備布局,添加風管、智能送風地板等精確送風裝置以及冷通道封閉技術(shù)等手段,提高空調(diào)系統(tǒng)的冷量利用率,減少局部熱點的產(chǎn)生,改善室內(nèi)熱環(huán)境。
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展演變,數(shù)據(jù)機房正朝著現(xiàn)代化的方向不斷進步,例如采用模塊化設(shè)備降低施工復雜度,采用自然冷源、精準化控溫等手段減少冷卻系統(tǒng)能耗,動態(tài)化智能化的任務(wù)分配以平衡各設(shè)備的負載。采用綠色、低碳甚至冷排放的理念進行數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃建設(shè)固然是未來的發(fā)展趨勢,然而各行各業(yè)仍有相當數(shù)量的老舊機房尚在服役且發(fā)揮著不可替代的作用。如何在保障機房平穩(wěn)運行的前提下,采用合理化手段對機房進行改造,降低機房能耗水平、改善熱環(huán)境,并在服役末期實現(xiàn)新舊機房的平穩(wěn)過渡,對“雙碳”政策背景下的社會發(fā)展有著重要意義。