基于提高機房環(huán)境設定溫度的機柜直冷技術的應用分析

彭淵博 王潯 周明亮 趙鑫（中能深思（北京）節(jié)能技術有限公司）

1 當前機房能耗狀況

據(jù)統(tǒng)計，我國數(shù)據(jù)中心機房目前的平均PUE（Power Usage Efficiency，能源利用效率，即機房總用電量與IT設備用電量之比）水平在2.0～2.5之間，中間值在2.2以上，也就是說每1 kW的主設備功耗帶來的是2 kW以上的總功耗（包括空調(diào)制冷、配電、照明等），而其中空調(diào)系統(tǒng)的功耗已經(jīng)占到了數(shù)據(jù)中心機房總功耗的45%以上。現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)高能耗是導致機房PUE值高企的主要原因。據(jù)相關統(tǒng)計，2011年度全國數(shù)據(jù)中心用電量已經(jīng)達到700×108kWh，占全社會用電量的1.5%。在制冷方式不變的情況下，按照目前的發(fā)展趨勢預計我國數(shù)據(jù)中心的總能耗到2015年將達到1 000×108kWh左右，其中空調(diào)系統(tǒng)耗電預計達到450×108kWh，能耗總量巨大，采取有效措施降低數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)能耗已經(jīng)顯得十分必要。

2 機房空調(diào)系統(tǒng)高能耗的原因分析

2.1 機房運行環(huán)境溫度要求

根據(jù)機房種類和等級的不同，對于機房運行環(huán)境的溫度要求一般是22～26℃，原因是基于機房內(nèi)的信息及通信設備對進風及出風溫度的最苛刻標準要求，也就是說要保證機房內(nèi)信息及通信設備的進風環(huán)境要求最高不能高于26℃。與此相應，為信息和通信設備的運行安全性考慮，機房空調(diào)系統(tǒng)制冷溫度設定應保證在機房熱負荷下，回風溫度最高不應超過26℃。

絕大多數(shù)自帶通風風扇的信息及通信設備，如果前面的進風維持不超過26℃，那么按照經(jīng)過設備加熱溫升為10℃計算，則服務器的后端出風一般為36℃左右。目前按照信息及通信機房的傳統(tǒng)制冷方式，采用機房精密空調(diào)所做的工作是將經(jīng)過設備后被加熱的空氣從36℃冷卻到26℃以下供設備循環(huán)使用，同時在兼顧處理因為外部熱輻射、維護結構傳熱（由其在夏季時）、人員、照明等熱源導致的機房溫度上升，從而起到將信息及通信機房內(nèi)的環(huán)境溫度維持在不超過26℃的條件，保障信息及通信設備的安全運行。

2.2 傳統(tǒng)機房精密空調(diào)的制冷和送冷方式

根據(jù)對IDC機房行業(yè)多年的相關研究表明，采用傳統(tǒng)的機房精密空調(diào)的形式對機房進行制冷的方式，能耗巨大，浪費大量的電力能源消耗，而且還達不到理想的制冷效果。原因在于：

1）機房精密空調(diào)的冷卻及氣流組織形式?jīng)Q定了制冷效果的局限性。精密空調(diào)是通過對機房內(nèi)大環(huán)境送風送冷，實現(xiàn)溫度控制從而達到保障設備進風溫度不超過26℃的技術要求的，那么在制冷運轉(zhuǎn)的過程中就必須要求機房環(huán)境空間內(nèi)所有的空氣溫度都不高于26℃，才能夠保障所有設備對于進風不超過26℃的要求。

在具體的實施過程中，機房空調(diào)在機房內(nèi)的布置位置是固定的，而一般情況下放置設備的機柜是分散布置在機房的空間內(nèi)的，這就導致了機房空調(diào)的冷卻效果不能兼顧到機房內(nèi)所有設備的問題，從而出現(xiàn)了機房內(nèi)冷熱分布不均勻，出現(xiàn)了局部過熱的現(xiàn)象。在實際的機房維護工作中，為了解決機房內(nèi)的局部過熱點，很多情況下會采用認為降低機房空調(diào)的回風設定溫度，比如從26℃設定降低到18℃設定，從而去拉低機房的內(nèi)部過熱點，這就會出現(xiàn)雖然局部過熱點現(xiàn)象得到了一定程度的緩解，但是會出現(xiàn)機房內(nèi)的一些區(qū)域溫度過低甚至是過冷的現(xiàn)象，更重要的是這種做法還降低了機房空調(diào)的運行效率，增加了運行時間，導致了能源消耗的巨大浪費。

2）傳統(tǒng)機房精密空調(diào)氣流組織、制冷模式和結構等方面制約導致無法充分挖掘自然冷源利用的潛力，對自然冷源的利用不足，在冷源環(huán)節(jié)消耗大量電能。根據(jù)我國的平均氣象條件分析，如能充分利用自然冷源，可以使數(shù)據(jù)中心機房的PUE水平由目前的平均2.0以上降低到1.4以下，空調(diào)制冷系統(tǒng)的功耗下降60%以上。

綜合以上分析，可以看出，機房溫度與機柜內(nèi)設備進風溫度的強相關性導致機房溫度設定較低，增加空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗，同時，無自然冷源利用或者對自然冷源利用不充分，也是導致目前機房精密空調(diào)能耗高企的主要原因。

3 基于機柜微環(huán)境溫度控制的新型直冷技術

3.1 直冷技術介紹

根據(jù)以上分析，本文將提出一種全新概念的針對機房信息和通信設備的冷卻形式，整體的思路是：將控制機房總體環(huán)境溫度變?yōu)榭刂茩C柜微環(huán)境溫度，將機房環(huán)境溫度和機柜內(nèi)部微環(huán)境溫度解耦，保障機柜內(nèi)設備的進風及排放到機房空間內(nèi)的空氣的溫度要求，降低機房大的環(huán)境空間內(nèi)對溫度的要求條件。

具體的實現(xiàn)形式：將機房內(nèi)的每一臺放置設備的機柜都看作是一個氣流可以獨立循環(huán)的空間，機柜的前柜門與后柜門采用熱管蒸發(fā)端的形式，也就是說機柜的前柜門是一套熱管蒸發(fā)器，后柜門也是一套熱管蒸發(fā)器，空氣在進出每臺機柜的氣流組織形式是：冷卻—被設備加熱—再被冷卻的過程。同時，此結構將能最大限度地充分利用自然冷源制冷，比傳統(tǒng)自然冷源利用更進一步降低制冷的電耗，其實現(xiàn)形式示意圖如圖1所示。

機房內(nèi)放置設備的機柜的前柜門與后柜門分別做成熱管原理換熱的第一蒸發(fā)端與第二蒸發(fā)端，分別連接至室外冷卻裝置的一級冷凝器與二級冷凝器，冷凝器的形式可以是各種實現(xiàn)方式，比如水冷或其他液體冷卻或者風冷的形式。同前柜門一體的第一蒸發(fā)端與一級冷凝器之間構成封閉的熱管循環(huán)，同后柜門一體的第二蒸發(fā)端與二級冷凝器之間構成封閉的熱管循環(huán)。按照目前的相關行業(yè)規(guī)范對機房環(huán)境的溫度要求，即設備的進風溫度不得超過26℃，那么機房采用此種冷卻方式，機房的整體環(huán)境溫度控制到不超過30℃，30℃的空氣（黃色）先經(jīng)過前柜門的第一蒸發(fā)端，被冷卻到24℃以下（綠色），那么設備的實際進風溫度我們是可以控制到24℃的，已經(jīng)低于相關行業(yè)標準對于不超過26℃的技術要求；24℃的空氣經(jīng)過發(fā)熱設備，對發(fā)熱設備進行冷卻后被加熱到36℃（紅色），36℃的熱空氣在經(jīng)過后柜門的第二蒸發(fā)端，被降溫冷卻到30℃以下，排放到機房環(huán)境空間。

當然，一般情況下IT發(fā)熱設備是自帶風扇運行的，設備的自帶風扇基本上可以滿足柜內(nèi)換熱對于風量的要求，但是針對于熱流密度較大的高功率密度設備及其他特殊情況，也可以考慮在機柜內(nèi)的適當位置安裝增加強制對流換熱循環(huán)的風機，以達到加大氣流組織，增加換熱效率，更加保障設備運行安全的目的。

以上所提出機柜微環(huán)境溫控直冷技術的結構形式，實現(xiàn)了機柜內(nèi)部微環(huán)境溫度和機房環(huán)境溫度的解耦，并實現(xiàn)對自然冷源的充分利用，在提高了機房環(huán)境空間的整體設定溫度、降低了設備的實際進風溫度保障發(fā)熱設備的運行安全的同時，提高了熱管循環(huán)利用自然冷源的時段長度，是一種全新概念的IDC機房冷卻形式，具有積極的實踐創(chuàng)新及節(jié)能減排的社會意義。

3.2 增量節(jié)能效果分析

直冷形式對于提高自然冷源利用效率，增大節(jié)能量的分析如下：

熱管原理的換熱循環(huán)是利用蒸發(fā)端與冷凝端的溫差作為驅(qū)動力來工作的，也就是說同樣的其他條件不變，蒸發(fā)端與冷凝端的溫差越大（蒸發(fā)端溫度高于冷凝端），換熱效率就越高，蒸發(fā)量就越大，排熱量也就越大。根據(jù)熱管原理在機房環(huán)境應用的經(jīng)驗，一般要求機房室外環(huán)境溫度低于室內(nèi)環(huán)境溫度5℃以上時，熱管設備才可以利用溫差工作從而產(chǎn)生效果。所以當機房內(nèi)的環(huán)境溫度要求為26℃時，只有當機房室外氣溫不高于21℃時，熱管設備才能利用自然冷源產(chǎn)生效果。但是按照本文中介紹的機房冷卻形式，當機房內(nèi)環(huán)境溫度的要求提高到30℃時，同樣是5℃溫差，那么當機房室外氣溫不高于25℃時，熱管設備即可產(chǎn)生效果利用自然冷源工作，完成自然相變循環(huán)，從而達到對機房降溫排熱的目的，大幅增加自然冷源利用的效率和時長，進一步降低制冷能耗。

依據(jù)北京地區(qū)的氣象條件來分析，北京地區(qū)全年氣溫低于21℃的時間為6 161 h（全年為8 760 h），而氣溫低于25℃的時間為7 298 h（全年為8 760 h），也就是說采用本文介紹的機房冷卻形式，會進一步提高機房冷卻系統(tǒng)利用自然冷源的時間，北京地區(qū)全年有83.3%的時間段都可以利用自然冷源，較當前普通的自然冷源利用技術，增加利用時長可達18.5%，產(chǎn)生可觀的增量節(jié)能效果。

3.3 高發(fā)熱密度設備冷卻分析

所提出的直冷冷卻形式完全依靠機柜內(nèi)部環(huán)境溫度保證設備的散熱平衡問題，采用熱管技術傳熱效率高，傳熱容量大，能夠迅速精確控制機柜內(nèi)部溫度，響應速度遠遠小于機房級制冷。且其直接面向設備冷卻，基本不存在送風的問題，在冷量的產(chǎn)生、響應與傳遞方面遠遠好于傳統(tǒng)機房制冷模式，可以將高發(fā)熱密度設備的熱量快速帶走，實現(xiàn)冷熱平衡，解決高發(fā)熱密度設備的冷卻問題。

4 結論

1）通過新型直冷技術可以完全實現(xiàn)機柜內(nèi)部環(huán)境溫度和機房總體環(huán)境溫度的解耦，進一步增加信息和通信設備的運行安全性，并可最大限度挖掘自然冷源利用的潛力，產(chǎn)生顯著的節(jié)能增量，大幅度降低數(shù)據(jù)機房能耗。

2）直冷技術優(yōu)化了機房內(nèi)的氣流組織問題，解決了現(xiàn)有制冷方式下冷熱不均及局部過熱點現(xiàn)象，其結構形式對于解決高功率密度設備的冷卻難題提供了解決方案。

3）根據(jù)直冷技術推廣情況，可適時建議相關部門修訂機房環(huán)境溫度的設定標準，從標準方面為機房節(jié)能提供依據(jù)。