數(shù)據(jù)中心空調(diào)氣流組織精細(xì)化管理探索

肖鑫

摘 ?要：數(shù)據(jù)中心空調(diào)氣流直接影響到溫度控制效果，良好的氣流組織可以在達(dá)到要求的情況下獲得更好的節(jié)能效果。在文中，主要就數(shù)據(jù)中心空調(diào)氣流組織精細(xì)化管理進(jìn)行探討，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;空調(diào);氣流組織;精細(xì)化管理

由于金融行業(yè)對(duì)IT技術(shù)的高度依賴，金融行業(yè)普遍重視數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，大力推進(jìn)“兩地三中心”或“多活數(shù)據(jù)中心”戰(zhàn)略，數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模越來越大，用電報(bào)裝容量從幾百KVA發(fā)展到幾萬KVA，甚至幾十萬KVA。在支持金融業(yè)提升服務(wù)效率和管理水平，以及為社會(huì)大眾提供便捷服務(wù)的同時(shí)，數(shù)據(jù)中心巨大的能源消耗，以及對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響，正受到全社會(huì)的關(guān)注。降低數(shù)據(jù)中心能耗，實(shí)現(xiàn)綠色高效運(yùn)行，既是金融業(yè)積極承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的體現(xiàn)，也是切實(shí)降低金融機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)成本的客觀要求。

中國(guó)人民銀行總行數(shù)據(jù)中心以機(jī)房制冷微環(huán)境為切入點(diǎn)，使用6西格瑪軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)房氣流組織建模，對(duì)影響機(jī)房?jī)?nèi)制冷利用效率的因素進(jìn)行深入分析，驗(yàn)證了幾種可以優(yōu)化機(jī)房氣流組織并實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的有效方法，在數(shù)據(jù)中心資源節(jié)約和基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化管理方面進(jìn)行了有益的探索。

關(guān)注機(jī)房氣流組織的意義

數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷的實(shí)現(xiàn)原理是：空調(diào)吹出的冷空氣經(jīng)過一定路徑完成與IT設(shè)備散熱的充分交換，帶走熱量變?yōu)闊峥諝?，然后被吸收至回風(fēng)口進(jìn)行冷卻再繼續(xù)循環(huán)。當(dāng)熱交換的紐帶不順暢、不合理時(shí)，冷量就會(huì)被浪費(fèi)，只能配置更大制冷量的空調(diào)滿足降溫需求，從而造成運(yùn)行和投資費(fèi)用增大、PUE值升高。因此，優(yōu)化機(jī)房氣流組織，對(duì)于解決機(jī)房局部過熱，提高冷量利用效率和節(jié)能降耗有重要意義。機(jī)房供回風(fēng)布局、機(jī)柜內(nèi)設(shè)備擺放方式、空調(diào)運(yùn)行方式都可以影響氣流組織。

1.供回風(fēng)布局對(duì)氣流組織的影響

空調(diào)與末端機(jī)柜距離太遠(yuǎn)、機(jī)柜擺放雜亂都是供回風(fēng)布局不合理的表現(xiàn)，機(jī)房?jī)?nèi)不劃分冷熱通道對(duì)機(jī)房整體的制冷效率影響最大。本文使用6西格瑪專業(yè)仿真軟件，以人民銀行總行數(shù)據(jù)中心一個(gè)機(jī)房模塊作為研究對(duì)象，采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣流組織仿真，設(shè)計(jì)了劃分冷熱通道和不劃分冷熱通道兩個(gè)模型，氣流組織變化仿真結(jié)果如圖1所示。從顏色分布看，左圖中機(jī)柜溫度明顯更高，機(jī)柜出現(xiàn)紅色區(qū)域是發(fā)生局部高溫的前兆，右圖中機(jī)柜溫度則相對(duì)均勻，這說明不區(qū)分冷熱通道時(shí)，IT設(shè)備冷卻不充分;從氣流路徑看，左右兩圖中代表氣流的線條在空間分布和顏色上也存在很大差別，說明機(jī)房供回風(fēng)布局對(duì)氣流組織起著決定性作用，從而根本上影響著機(jī)房?jī)?nèi)的冷量利用效率。

2.機(jī)柜內(nèi)設(shè)備擺放方式對(duì)氣流組織的影響

數(shù)據(jù)中心機(jī)房機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備之間通常存在一定的空隙（1U或更多），且空隙處未安裝盲板。這種設(shè)備擺放方式其實(shí)不利于設(shè)備散熱。因?yàn)樵O(shè)備排出的熱風(fēng)在出風(fēng)口附近形成局部正壓，而設(shè)備進(jìn)風(fēng)口是局部負(fù)壓，出風(fēng)口的熱風(fēng)散流會(huì)隨著這一壓力沿設(shè)備間的空隙回到進(jìn)風(fēng)口處，直接降低制冷效果。以同一個(gè)機(jī)房模塊為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了機(jī)柜內(nèi)設(shè)備間隔1U擺放且不安裝盲板和設(shè)備逐臺(tái)疊放且剩余空間安裝盲板兩個(gè)模型，仿真結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，左圖機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)的溫度都不均勻，說明有的位置上制冷效果降低而有的位置存在冷量浪費(fèi)。右圖機(jī)房進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)溫度相對(duì)均勻，說明機(jī)柜制冷效果良好。為了降低能耗，在逐臺(tái)疊放的方式下，可適當(dāng)減少空調(diào)開啟時(shí)間。而在設(shè)備間隔擺放方式下，由于機(jī)房各處溫度不均勻，一旦減少空調(diào)開啟時(shí)間，就會(huì)發(fā)生局部過熱情況。

3.空調(diào)運(yùn)行方式對(duì)氣流組織的影響

數(shù)據(jù)中心機(jī)房精密空調(diào)的編組和運(yùn)行方式?jīng)Q定了機(jī)房區(qū)域的基本制冷條件，由于每個(gè)機(jī)房的空間大小和形狀都不一樣，機(jī)房?jī)?nèi)巡檢通道設(shè)置、機(jī)柜及空調(diào)擺放格局也不盡相同。我們對(duì)同一機(jī)房模塊內(nèi)三臺(tái)按照“兩用一備”配置的精密空調(diào)進(jìn)行了不同運(yùn)行組合下的氣流組織分析，制冷效果對(duì)比如圖3所示。

左側(cè)圖紅色區(qū)域最多，中間圖次之，右側(cè)圖基本沒有紅色區(qū)域，說明空調(diào)運(yùn)行方式對(duì)制冷效果有顯著影響。在大型系統(tǒng)上線前或新的機(jī)房區(qū)域啟用前，應(yīng)提前通過氣流組織仿真的方式，篩選制冷效果最好的空調(diào)運(yùn)行方案。

優(yōu)化機(jī)房氣流組織的措施

機(jī)房氣流組織形式其實(shí)一直在發(fā)展，比如精密空調(diào)的送風(fēng)方式從風(fēng)帽上送風(fēng)、風(fēng)管上送風(fēng)演變?yōu)橐缘匕逑滤惋L(fēng)為主;各類IT設(shè)備的進(jìn)出風(fēng)形式也從早期的下進(jìn)后出、前進(jìn)后出、側(cè)進(jìn)側(cè)出等多種形式規(guī)范為如今的前進(jìn)后出。但隨著IT設(shè)備更新周期越來越短，單機(jī)柜內(nèi)設(shè)備數(shù)量、功率密度和發(fā)熱密度不斷提高，機(jī)房?jī)?nèi)局部區(qū)域出現(xiàn)熱點(diǎn)在所難免，需要持續(xù)開展氣流組織狀態(tài)評(píng)估，并采取有效措施實(shí)現(xiàn)氣流組織優(yōu)化。

1.實(shí)施冷通道封閉提升整體制冷效果

在區(qū)分冷熱通道的基礎(chǔ)上，還可以通過冷通道封閉的方法進(jìn)一步提高對(duì)機(jī)房氣流組織的控制：把整個(gè)冷通道的兩端和頂部封閉起來，整個(gè)冷通道形成一個(gè)封閉的“冷池”，徹底隔絕了冷風(fēng)和熱風(fēng)的混合，冷風(fēng)全部用于設(shè)備散熱，冷通道的上方和側(cè)面封閉板與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)可接收消防系統(tǒng)的指令緊急開啟滅火。傳統(tǒng)機(jī)房可以通過改造實(shí)現(xiàn)冷通道封閉，新機(jī)房應(yīng)在設(shè)計(jì)階段提早安排。

我們利用仿真軟件對(duì)前述的生產(chǎn)機(jī)房進(jìn)行了模擬“改造”，將機(jī)房的兩個(gè)冷通道進(jìn)行了封閉，從“改造”前后機(jī)房制冷效果對(duì)比圖（圖4）可看出，左圖中位于冷通道兩端的機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口邊緣進(jìn)風(fēng)溫度比冷通道其它位置高，說明這些位置存在冷熱氣流混雜，導(dǎo)致各處進(jìn)風(fēng)溫度不一致。右圖冷通道內(nèi)溫度均勻，整個(gè)機(jī)房中基本沒有黃色區(qū)域出現(xiàn)，說明冷量利用率較高。

2.精細(xì)調(diào)整冷量保障局部制冷能力

在保持機(jī)房整體制冷條件不變的前提下，還可通過以下方法實(shí)現(xiàn)對(duì)局部高溫點(diǎn)制冷量的精細(xì)化調(diào)整。一是人工調(diào)整法，及時(shí)調(diào)大局部高溫點(diǎn)附近冷通道上通風(fēng)地板的通風(fēng)間隙以加大冷量供給;二是智能調(diào)整法，對(duì)于通風(fēng)間隙已經(jīng)調(diào)至最大但仍存在高溫風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)位，可采取將局部熱點(diǎn)附近原有普通通風(fēng)地板更換為可強(qiáng)制送風(fēng)的智能溫控地板，一旦溫度超過設(shè)定的最高溫度智能地板上的風(fēng)機(jī)就會(huì)啟動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)隨溫度變化的制冷量跟蹤調(diào)整以降低機(jī)柜高溫風(fēng)險(xiǎn)。

3.科學(xué)管理分配機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施資源

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備擺放需要綜合考慮機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)配置情況、擬上架設(shè)備的散熱量和散熱方式、擬上架區(qū)域的制冷承載能力等多方面因素，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理。比如機(jī)房?jī)?nèi)溫度相對(duì)較高的區(qū)域應(yīng)慎重增加大容量設(shè)備、上架前要認(rèn)真核實(shí)設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口位置以防反向安裝、新增機(jī)柜應(yīng)檢查柜門開孔率和開孔面積以確定機(jī)柜的通風(fēng)效果等等。

結(jié)語

金融業(yè)數(shù)據(jù)中心應(yīng)高度重視氣流組織對(duì)機(jī)房制冷效果的影響，在機(jī)房制冷供給各個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行精細(xì)化管理，多措并舉優(yōu)化機(jī)房氣流組織，提高空調(diào)制冷效率，積極探索實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能發(fā)展的新方法。

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責(zé)編/馬銘陽