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)

0 引言

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。

1 現(xiàn)有機房散熱問題成因

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。

1.1 送風損失

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。

1.2 氣流短路

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。

1.3 機房布局不合理

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。

2 改造策略

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。

2.1 優(yōu)化機房布局

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]。

2.2 采用精確送風技術(shù)

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。

2.3 冷通道封閉技術(shù)

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。

3 結(jié)論

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。

4 展望

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。