淺談數(shù)據(jù)中心機(jī)房上送風(fēng)空調(diào)運(yùn)行模式

陳翼翔，陳慧敏

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410100）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房是以對(duì)信息化服務(wù)提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支撐為目的，確保電子信息系統(tǒng)設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，以及提供氣象、軍事、通信、科研、容災(zāi)、備份、結(jié)算、管理、監(jiān)控等信息服務(wù)的基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)備的集中存放和運(yùn)行的場(chǎng)所。目前，國(guó)內(nèi)外均將數(shù)據(jù)設(shè)備集中放置于數(shù)據(jù)中心機(jī)房中，此房間的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、意義、能耗的密度均很高。

摩爾定律揭示，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18～24個(gè)月便會(huì)增加一倍。而數(shù)據(jù)設(shè)備的發(fā)展正是符合這條定律一直向高容量、高性能化發(fā)展。設(shè)備對(duì)耗電和散熱的要求也在不斷增加。2000～2010年設(shè)備每年熱密度的增長(zhǎng)率將是7%（如磁帶庫(kù)）到28%（如通信設(shè)備）之間［1］。現(xiàn)代電子設(shè)備由大規(guī)模集成電路構(gòu)成，其中的半導(dǎo)體PN結(jié)的導(dǎo)通特性和溫度息息相關(guān)的。溫度會(huì)影響其擴(kuò)散電流、傳導(dǎo)電流、結(jié)間勢(shì)壘等參數(shù)，進(jìn)而影響導(dǎo)通、截止角、溫飄系數(shù)，使性能參數(shù)改變。一般電子器件溫度適應(yīng)范圍：民用級(jí)－15～85℃，軍工級(jí)－55～165℃。數(shù)據(jù)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫之下，會(huì)造成設(shè)備過早老化、設(shè)備運(yùn)行失常、停止工作等危害。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房保有量巨大的通訊運(yùn)營(yíng)商指定的行業(yè)規(guī)范［2］指出：特別是大型IDC機(jī)房里的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備耗電量、發(fā)熱量都非常大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電源、空調(diào)需求量比傳統(tǒng)通信機(jī)房大很多，這類機(jī)房的環(huán)境溫度嚴(yán)重超標(biāo)和電源缺乏足夠的保障已成為制約IDC業(yè)務(wù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。不僅在放置計(jì)算機(jī)服務(wù)器的主要機(jī)房，而且一些網(wǎng)管、監(jiān)控、計(jì)費(fèi)、支撐等重要IT系統(tǒng)機(jī)房也開始出現(xiàn)了環(huán)境溫度過高、電源掉電的運(yùn)行安全隱患。數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)熱的現(xiàn)狀客觀存在，且發(fā)展形勢(shì)越來越嚴(yán)峻［1］。

數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)的研究趨向于數(shù)值化、精確化，已取得不少成果，這些成果大多集中在研究、設(shè)計(jì)、安裝、初始調(diào)試階段；但是，對(duì)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行模式存在的可變性和可操作性卻關(guān)注甚少。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房上送風(fēng)專用空調(diào)

機(jī)房冷卻概念按機(jī)房構(gòu)造形式可分為無活動(dòng)地板機(jī)房（或標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房）和活動(dòng)地板機(jī)房?jī)煞N，與之相匹配的空調(diào)送風(fēng)也就有了上送風(fēng)（over head deliver y）和地板下送風(fēng)（underneath raised floor）兩種形式［3～5］。作為建設(shè)周期快、投資相對(duì)較少的上送風(fēng)機(jī)房專用空調(diào)被廣泛采用，現(xiàn)今采用這種形式的機(jī)房保有量仍然巨大，圖1是常見的上送風(fēng)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)。

圖1 上送風(fēng)機(jī)房專用空調(diào)機(jī)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房，因其空間密閉，機(jī)架體積高大，電子設(shè)備發(fā)熱的大小和位置固定，上送風(fēng)空調(diào)室內(nèi)機(jī)位置固定，出風(fēng)口位置也隨之固定，且出口風(fēng)速較大（據(jù)各生產(chǎn)廠家樣本均大于3 m／s），形成了它獨(dú)特的穩(wěn)態(tài)氣流場(chǎng)。這種氣流場(chǎng)在機(jī)房?jī)?nèi)各機(jī)架、空調(diào)機(jī)位置確定后即已形成，并很難改變，在某些局部區(qū)域，氣流場(chǎng)呈現(xiàn)不利狀態(tài)，冷量輸送不夠，造成局部溫度過高［6～10］。基于上述，唯一能改變機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)系統(tǒng)獨(dú)特的穩(wěn)態(tài)氣流場(chǎng)的方式就是改變空調(diào)機(jī)的開啟狀態(tài)。

2 上送風(fēng)機(jī)房專用空調(diào)運(yùn)行模式

以開啟運(yùn)行后形成最有利的氣流場(chǎng)、盡可能顧及到每個(gè)局部為目的，選擇空調(diào)機(jī)的主用與備用、開啟與關(guān)閉，即為上送風(fēng)機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行模式。無論在政府、電信、移動(dòng)等單位的數(shù)據(jù)機(jī)房管理制度［11～13］，還是在國(guó)家、行業(yè)規(guī)范中，均沒有機(jī)房空調(diào)運(yùn)行模式的相關(guān)規(guī)定；文獻(xiàn)［14～16］中對(duì)空調(diào)運(yùn)行模式進(jìn)行分析的方法可以借鑒。國(guó)務(wù)院第531號(hào)令，《公共機(jī)構(gòu)節(jié)能條例》第四章第33條：公共機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、食堂、開水間、鍋爐房等部位的用能情況實(shí)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，采取有效措施降低能耗。

目前空調(diào)專業(yè)人員對(duì)機(jī)房空調(diào)工作的介入止于初始空調(diào)狀態(tài)調(diào)試，而廣大數(shù)據(jù)機(jī)房維護(hù)人員均為電子專業(yè)人員，缺乏流體和傳熱等學(xué)科知識(shí)，沒有氣流組織的概念，在運(yùn)行模式選擇上憑經(jīng)驗(yàn)、想當(dāng)然，以為無論開啟哪幾臺(tái)空調(diào)機(jī)，選擇何種空調(diào)運(yùn)行模式，只要制冷量足夠大，開啟時(shí)間夠長(zhǎng)，機(jī)房?jī)?nèi)空氣溫度、數(shù)據(jù)設(shè)備本體的溫度就一定能降下來；而如果某局部的溫度無法維持正常，則本能、武斷地判斷為機(jī)房空調(diào)的制冷量不夠，首先會(huì)違背規(guī)范調(diào)低空調(diào)機(jī)設(shè)定溫度，緊接著報(bào)請(qǐng)上級(jí)主管部門要求增設(shè)空調(diào)機(jī)。這種請(qǐng)求因其重要性，往往被順暢地采納。

2.1 不同運(yùn)行模式的不同效果

無論哪種空調(diào)運(yùn)行模式、開啟多長(zhǎng)時(shí)間，計(jì)算冷負(fù)荷并不能保證每臺(tái)數(shù)據(jù)設(shè)備的發(fā)熱都能得到很好的消化，數(shù)據(jù)設(shè)備間的工作溫度存在差異，局部差異還較大。不同的空調(diào)運(yùn)行模式給機(jī)房?jī)?nèi)的溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)帶來較大的變化，使得數(shù)據(jù)設(shè)備的工作溫度也不相同。

如圖2所示，在同一機(jī)房、同一剖面處、不同運(yùn)行模式下，高溫區(qū)域出現(xiàn)的位置不同、溫度高低也不同，盡管不能完全消去差異，但是其中必有一種模式是所有模式中最佳的。

圖2 不同模式在同一剖面處溫度云圖比較

2.2 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)初投資分析

計(jì)算機(jī)、通訊、數(shù)據(jù)、IT設(shè)備對(duì)工作環(huán)境的空氣品質(zhì)要求很高，在各種規(guī)范及通信行業(yè)規(guī)范中都對(duì)機(jī)房空氣溫濕度、空氣含塵濃度做了量化的要求。為實(shí)現(xiàn)符合要求的機(jī)房室內(nèi)空氣品質(zhì)，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)數(shù)據(jù)機(jī)房都選擇配備了恒溫恒濕精密空調(diào)，又稱機(jī)房專用空調(diào)。因室內(nèi)外機(jī)對(duì)應(yīng)，且獨(dú)立性較強(qiáng)，屬于單元式空調(diào)機(jī)。機(jī)房專用空調(diào)的價(jià)格是單元式空調(diào)機(jī)中最高的，每瓦制冷量單價(jià)對(duì)比如圖3。

圖3 我國(guó)單元式空調(diào)機(jī)價(jià)格對(duì)比

依據(jù)上述數(shù)字計(jì)算，一個(gè)200 m2的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，其專用空調(diào)機(jī)的購(gòu)置費(fèi)將近120萬(wàn)元人民幣。新增單臺(tái)空調(diào)機(jī)的投資至少在十萬(wàn)元以上。

2.3 機(jī)房專用空調(diào)機(jī)能耗分析

典型數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)時(shí)考慮的總電源配給在1 080 W／m2～3 230 W／m2之間［12，13］，相比中國(guó)國(guó)內(nèi)電氣相關(guān)規(guī)定中對(duì)普通辦公樓要求配給的85 W／m2（實(shí)用面積），高達(dá)13～38倍，而在這些能源當(dāng)中，數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)機(jī)的耗能份額如圖4所示。依據(jù)上述數(shù)字計(jì)算，一個(gè)200 m2的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，其專用空調(diào)機(jī)的能耗將近90 k W。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局認(rèn)為把夏季設(shè)定溫度從24℃改為26.7℃，約可節(jié)約能量15%。以日本辦公樓為例夏季室溫設(shè)定值從26℃，提高到28℃，冷負(fù)荷可減少21%～23%［17］。雖然目前沒有針對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的具體能耗調(diào)查，但是調(diào)低空調(diào)設(shè)定溫度非但沒有解決局部溫度過高的現(xiàn)象，反而還引起大量的能源浪費(fèi)?；诖耍瑖?guó)家及各行業(yè)規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房環(huán)境溫度，均規(guī)定為23±1℃，不得隨意升降。

綜上所述，隨意增加空調(diào)設(shè)備和設(shè)低機(jī)房溫度，將會(huì)在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行模式上，普遍存在著隨意性、經(jīng)驗(yàn)性、模糊性和粗放性，導(dǎo)致機(jī)房空調(diào)的初始運(yùn)行狀態(tài)在日常運(yùn)行中被破壞，浪費(fèi)了前期所有研究成果，缺乏機(jī)房空調(diào)運(yùn)行中的運(yùn)行模式選擇的科學(xué)論證，缺乏運(yùn)行模式的預(yù)評(píng)價(jià)和評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致投資和能耗方面的極大浪費(fèi)。

圖4 新加坡數(shù)據(jù)機(jī)房能耗結(jié)構(gòu)圖［20］

在筆者十余年的工作實(shí)踐當(dāng)中，湖南省內(nèi)電信、移動(dòng)、原聯(lián)通、網(wǎng)通數(shù)家通信運(yùn)營(yíng)商在每個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，湖北武漢移動(dòng)公司的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，電業(yè)、交警、廣電的數(shù)據(jù)中心機(jī)房等，筆者都參與過機(jī)房局部溫度過高的難題的會(huì)診。由運(yùn)行模式不當(dāng)造成的機(jī)房局部溫度過高占據(jù)相當(dāng)大的比例。

簡(jiǎn)單地把數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)機(jī)設(shè)定溫度調(diào)節(jié)下來，機(jī)房?jī)?nèi)原有的溫度場(chǎng)性態(tài)沒有發(fā)生質(zhì)的改變，反而拉大了機(jī)房?jī)?nèi)的局部溫差，原溫度高的局部沒有得到改善，而只是導(dǎo)致原溫度低的地方溫度更低。

而加裝的新空調(diào)機(jī)投入運(yùn)行后，所有空調(diào)機(jī)壓縮機(jī)的自動(dòng)開機(jī)頻率減少，呈現(xiàn)出機(jī)房?jī)?nèi)總體冷量過剩的現(xiàn)象。這時(shí)如新舊空調(diào)機(jī)的運(yùn)行模式選擇不當(dāng)?shù)脑?，機(jī)房?jī)?nèi)的溫度場(chǎng)雖然會(huì)有質(zhì)的改變，但是仍有可能解決不了某些局部區(qū)域溫度過高的問題。機(jī)房專用空調(diào)機(jī)造價(jià)昂貴，增設(shè)新空調(diào)則造成固定資產(chǎn)大的浪費(fèi)。

3 上送風(fēng)空調(diào)運(yùn)行模式的研究方向

因?yàn)樯纤惋L(fēng)空調(diào)運(yùn)行模式的改變就是改變機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織，所以可以借鑒前人在此領(lǐng)域內(nèi)的豐碩成果。文獻(xiàn)［6～10，21～23］中研究者進(jìn)行了數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織的研究，國(guó)外研究者主要研究在計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)采用防靜電架空地板下送風(fēng)情況下，機(jī)架內(nèi)和機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織的特性，也嘗試著形成一些較高水平的理論，并對(duì)下一步研究提供較成熟的研究方法；部分國(guó)內(nèi)研究者方向和國(guó)外研究者類似，另一部分是研究目前國(guó)內(nèi)較為普遍采用的空調(diào)機(jī)上送風(fēng)直吹情況下，機(jī)房?jī)?nèi)整體的氣流組織。

在國(guó)內(nèi)外科研工作者的既得成果基礎(chǔ)上，采用成熟的科研方法，分析數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行模式的選擇對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)備安全、空調(diào)機(jī)投資和能耗的影響；形成數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行模式選擇的預(yù)評(píng)價(jià)與評(píng)價(jià)方法。促進(jìn)國(guó)家和行業(yè)規(guī)范進(jìn)一步修訂，摒棄數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行中的隨意性，指導(dǎo)機(jī)房維護(hù)人員選擇科學(xué)的空調(diào)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)備的安全運(yùn)行，節(jié)約機(jī)房空調(diào)的投資和能耗，完善機(jī)房空調(diào)研究—設(shè)計(jì)—安裝—初始調(diào)試—運(yùn)行全過程的數(shù)值化、精確化。

［1］ Kenneth G Brill.2005－2010 Heat Density Trends in Data Processing，Computer System，and Telecommunications Equip ment：Perspectives，Implications and the Current Reality in Many Data Centers［Z］.The Upti me Institute，Inc.TUI 691B，2008.

［2］ 中國(guó)電信數(shù)據(jù)中心機(jī)房電源、空調(diào)環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范（暫行）［S］.DXJS1006－2005，2005.

［3］ Green F.Computer room air distribution［J］.ASHRAE J.1967，9（2）：63－64.

［4］ Bir ken M N.Cooling co mputers，Heating［J］.Piping and Air Conditioning，1967，（6）：125－128.

［5］ Levy H F.Air distribution through computer room floors［Z］.Building Syst.Design，1973.

［6］ Kailash C Kar ki，Suhas V Patankar.Airflow distribution through perforated tiles in raised－floor data centers［J］.Building and Environ ment，2006，（41）：734－744.

［7］ 趙相相，周孝清.某計(jì)算機(jī)房空調(diào)氣流組織方式的數(shù)值模擬［C］.2005年廣東省暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)?？?，2005.

［8］ 黃 赟.數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)探討［J］.上海節(jié)能，2008，（6）：22－23.

［9］ 李雄文.機(jī)房空調(diào)合理安裝與控制對(duì)散熱及節(jié)能的影響分析［J］.通信電源技術(shù)，2007，（6）：104－106.

［10］Fredrik Karlsson J，Bahram Moshfegh.Investigation of indoor cli mate and power usage in a data center［J］.Energy and Buildings，2005，（37）：1075－1083.

［11］陜西省人民政府.證券公司集中交易安全管理技術(shù)指引［EB／OL］.陜西省人民政府門戶網(wǎng)站.

［12］廣東省東莞市電信.廣東省東莞市電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC值班制度［EB／OL］.http：／／www.88310000.co m.

［13］中國(guó)移動(dòng)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)部.中國(guó)移動(dòng)電信級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)房規(guī)范（版本1.0）［S］.2005.

［14］朱光俊，張曉亮，燕 達(dá).空調(diào)運(yùn)行模式對(duì)住宅建筑采暖空調(diào)能耗的影響［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（5）：119－121.

［15］吳澤玲，龍惟定.上海公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造與空調(diào)運(yùn)行模式的優(yōu)化分析［J］.暖通空調(diào)HV＆AC，2008，38（3）：42－45.

［16］徐國(guó)慶.天然氣與電力能源組合的節(jié)能型空調(diào)運(yùn)行模式分析［J］.制冷技術(shù)，2002，（3）：16－19.

［17］廉小虎，李 哲，謝軍龍.空調(diào)建筑節(jié)能及其主要途徑［J］.鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（3）：16－19.

［18］Miller R.How much power？Survey shows split among facility operators［EB／OL］.http：／／www.Carrier Hotels.co m，New Yor k，2001.

［19］Beck F.Energy s mart data centers：applying ener gy efficient design and technology to the digital infor mation sector（Report No.14）［C］.Renewable Energy Policy Project（REPP），Washington，DC，2001.

［20］Sun H S，Lee S E.Case study of data centers’ener gy perfor mance［J］.Ener gy and Buildings，2006，（38）：522－533.

［21］陳秀敏，陳超志，趙范心，梅 熠.基于CFD軟件的機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬［J］.能源技術(shù)，2008，29（3）：170－172.

［22］王 穎，金鳳云，江 麗.某計(jì)算機(jī)房氣流組織的數(shù)值模擬［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2008，29（120）：110－113.

［23］胡 嘯，繆小平，孔 亮，唐厚成.架空地板送風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)探討［J］.建筑節(jié)能，2007，35（5）：17－21.