淺談數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)末端對(duì)機(jī)房規(guī)劃建設(shè)的影響

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1 引言

數(shù)據(jù)中心是信息網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其提供的巨大數(shù)據(jù)處理能力是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)保障。受“新基建”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、數(shù)字經(jīng)濟(jì)等國(guó)家政策指引以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng),我國(guó)數(shù)據(jù)中心持續(xù)快速發(fā)展。同時(shí)數(shù)據(jù)中心巨大的能源消耗和對(duì)環(huán)境的影響使得綠色、節(jié)能成為數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì),而空調(diào)制冷是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能的主要途徑。本文根據(jù)數(shù)據(jù)中心常用的空調(diào)末端類(lèi)型,分析各種空調(diào)末端在機(jī)房設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中的影響,為建設(shè)高效、節(jié)能數(shù)據(jù)中心機(jī)房提供技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)末端類(lèi)型

隨著IT設(shè)備的發(fā)展,計(jì)算機(jī)設(shè)備散熱量也越來(lái)越大。以往單機(jī)架平均功耗平均為2～3 kW,現(xiàn)在逐步提升至5KW,部分互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)單機(jī)架功耗甚至高達(dá)10kW以上。單機(jī)架功耗呈增加的趨勢(shì)已經(jīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。機(jī)架功率密度的提升,對(duì)于機(jī)房散熱也提出了挑戰(zhàn)。一般而言,根據(jù)機(jī)架的功率密度可選取合適的空調(diào)制冷方案。

表1 不同機(jī)房冷負(fù)荷密度下空調(diào)末端類(lèi)型

對(duì)于新建機(jī)房,可參照上述空調(diào)制冷方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。但對(duì)于現(xiàn)有機(jī)房改造,還會(huì)受制于機(jī)房現(xiàn)有的基礎(chǔ)配套設(shè)施,需結(jié)合設(shè)備散熱要求與機(jī)房現(xiàn)有基礎(chǔ)環(huán)境、維護(hù)要求、投資等綜合考慮,擇優(yōu)選取。

3 空調(diào)末端對(duì)機(jī)房的影響

3.1 房間級(jí)空調(diào)末端對(duì)機(jī)房的影響 采用房間級(jí)空調(diào)進(jìn)行制冷時(shí),通常采用地板下送風(fēng)、上回風(fēng)的氣流組織形式,機(jī)柜排列布局采用的是“面對(duì)面”及“背對(duì)背”的方式進(jìn)行布局,這樣自然形成冷風(fēng)通道和熱風(fēng)通道,可優(yōu)化氣流組織,提高制冷效果。為進(jìn)一步提升節(jié)能效果,亦可部署封閉冷通道的形式。房間級(jí)空調(diào)空調(diào)制冷方式有直膨風(fēng)冷精密空調(diào)、冷凍水精密空調(diào)兩種形式。

采用房間級(jí)空調(diào)時(shí),為避免空調(diào)風(fēng)量的損失,通常要求降低靜壓箱內(nèi)的動(dòng)壓,保證空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量能有效傳導(dǎo)至散熱設(shè)備,架空地板的高度應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定,使地板下斷面風(fēng)速降低至2-3m/s。一般單機(jī)柜平均功耗低于3KW時(shí),地板高度可設(shè)置在450mm,機(jī)柜功耗在3-5KW之間時(shí),地板高度可設(shè)置在600mm,機(jī)柜功耗在5-7KW之間時(shí),地板高度可設(shè)置在800mm。

采用通風(fēng)地板下送風(fēng)時(shí),通風(fēng)地板的通透率、設(shè)置數(shù)量等應(yīng)綜合考慮以滿足設(shè)備制冷風(fēng)量的要求以及地板下靜壓控制的需求。通常會(huì)根據(jù)不同機(jī)房冷負(fù)荷密度,選取適宜的通風(fēng)地板的通透率以及風(fēng)口形式,同時(shí)通風(fēng)地板的選用不應(yīng)降低架空地板整體的強(qiáng)度和荷載標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于部分超高密機(jī)房的場(chǎng)景,為滿足設(shè)備散熱要求,冷通道間距按通風(fēng)地板模數(shù)增加,可一步提升機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量。此外在地板下送風(fēng)場(chǎng)景下,地板以下由于溫度較低,與機(jī)房下一樓層的頂面溫差較大,容易產(chǎn)生冷凝水,為避免以上情況發(fā)生,要求在地板下除常規(guī)的地面防塵處理外,還需敷設(shè)難燃性保溫材料。對(duì)于水冷房間級(jí)空調(diào),空調(diào)區(qū)域地板下地面建議采取防水措施,保障機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)施安全。

由于機(jī)房?jī)?nèi)地板的設(shè)置,部署房間級(jí)空調(diào)機(jī)房對(duì)于機(jī)房層高的要求通常較高,具體高度會(huì)依據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)地板高度、機(jī)柜高度、線槽空間、消防管網(wǎng)空間等要求而定,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),采用房間級(jí)空調(diào)下送風(fēng)時(shí)機(jī)房?jī)舾呓ㄗh不低于3.3米。如現(xiàn)場(chǎng)建筑凈高難以滿足,可采取部署42U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜(高度為2米),同時(shí)采用單層線槽并列布置等措施予以規(guī)避。

3.2 列間級(jí)空調(diào)對(duì)機(jī)房的影響 采用列間空調(diào)進(jìn)行制冷時(shí),通常采用水平前送風(fēng),后回風(fēng)的氣流組織形式,機(jī)柜排列布局依舊采用的是“面對(duì)面”及“背對(duì)背”的方式進(jìn)行布局,并通常與封閉冷/熱通道一并部署。列間空調(diào)因緊靠熱源放置,大大縮短了送風(fēng)路徑和風(fēng)壓,因此提高了制冷效率。

列間空調(diào)在封閉冷/熱通道的布局中主要有正對(duì)均勻布置,正對(duì)非均勻布置以及交錯(cuò)布置等形式。有研究表明,列間空調(diào)交錯(cuò)布置的布局形式會(huì)減弱了出風(fēng)氣流的對(duì)沖運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致氣流路徑不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,易于產(chǎn)生氣流自渦旋現(xiàn)象,造成部分氣流自循環(huán)而未進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)冷卻設(shè)備從而造成極大的內(nèi)耗；而列間空調(diào)正對(duì)非均勻布置的方式充分利用氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)冷卻設(shè)備,氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律,進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)氣流流量均勻分布,可更加直接高效的冷卻設(shè)備?？紤]到列間空調(diào)在封閉冷/熱通道內(nèi)部布局時(shí),機(jī)柜與列間空調(diào)的數(shù)量比例時(shí)有不同,甚至列間空調(diào)的數(shù)量偶爾會(huì)出現(xiàn)奇數(shù)的情況,建議工程設(shè)計(jì)時(shí)采用CFD對(duì)列間空調(diào)在封閉冷/熱通道中的布局進(jìn)行仿真,從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,提高列間空調(diào)制冷效率。

列間空調(diào)制冷方式有直膨風(fēng)冷列間、冷凍水列間和熱管列間三種形式,通常采用防靜電地板及支架安裝的方式,根據(jù)不同的列間空調(diào)類(lèi)型,地板下需要敷設(shè)冷媒管、供回水管、冷凝水管等,列間空調(diào)對(duì)于防靜電地板的高度要求不高,可滿足管線安裝即可,通常在300-450mm之間。冷凍水列間空調(diào)因供回水進(jìn)入機(jī)房,要求機(jī)房地面采取防水、漏水告警和排水等措施。熱管列間空調(diào)需通常會(huì)配置水冷冷凝器作為冷源,且熱管列間空調(diào)與水冷冷凝器有距離要求,因此需在機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置空調(diào)間區(qū)域用于安裝空調(diào)水冷冷凝器等輔助設(shè)施。此外在應(yīng)用列間空調(diào)時(shí),為進(jìn)一步提高節(jié)能效果,保持環(huán)境濕度在合理范圍內(nèi),建議在微模塊內(nèi)部單獨(dú)配置恒濕機(jī)。

3.3 機(jī)柜級(jí)空調(diào)對(duì)機(jī)房的影響 機(jī)柜級(jí)空調(diào)包含熱管背板空調(diào)以及冷水背板空調(diào)。熱管背板空調(diào)安裝于機(jī)柜背面,包含重力熱管型和動(dòng)力熱管型。冷水背板空調(diào)將表冷器設(shè)置于機(jī)柜前門(mén)/后門(mén)內(nèi)部,將冷凍水送到各個(gè)冷水前門(mén)/后門(mén)的表冷器內(nèi)部,根據(jù)機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度,自動(dòng)調(diào)節(jié)冷水前門(mén)/后門(mén)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,控制機(jī)柜內(nèi)部的制冷量的輸送,達(dá)到制冷的效果。熱管背板空調(diào)及冷水背板空調(diào)對(duì)機(jī)房的影響與熱管列間及熱管背板空調(diào)的類(lèi)似,但由于氣流組織僅限于機(jī)柜內(nèi)部。

3.4 空調(diào)末端對(duì)于機(jī)房平面及裝機(jī)率的影響 機(jī)房?jī)?nèi)部的平面布局主要參照現(xiàn)行消防規(guī)范,滿足人員疏散要求,同時(shí)滿足人員、設(shè)備等正常通行,設(shè)備維護(hù)空間要求等,另一方面是根據(jù)設(shè)備功率密度的特點(diǎn),合理安排列間距,滿足設(shè)備散熱要求。

對(duì)于房間級(jí)空調(diào)制冷方式,機(jī)柜列布局采用的是“面對(duì)面”及“背對(duì)背”的方式進(jìn)行布局,機(jī)柜布局排列需考慮空調(diào)送風(fēng)距離的限制,即通常要求不超過(guò)15米,如超過(guò)空調(diào)送風(fēng)距離,要求采取空調(diào)兩側(cè)對(duì)吹的方式進(jìn)行部署。房間級(jí)空調(diào)末端及列間級(jí)空調(diào)末端需占用機(jī)房?jī)?nèi)部空間,且房間級(jí)的冷通道間距在部分場(chǎng)景下會(huì)高于列間空調(diào),機(jī)柜級(jí)空調(diào)與機(jī)柜自成一體,因此理論上不同空調(diào)末端形式的裝機(jī)率由高到低可排列為,機(jī)柜級(jí)空調(diào)末端＞列間空調(diào)末端＞房間級(jí)機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)末端,部分場(chǎng)景下,列間空調(diào)末端與房間級(jí)機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)的裝機(jī)率相差不大。

3.5 空調(diào)末端對(duì)機(jī)房節(jié)能效果的影響 在同種冷媒形式的條件下,風(fēng)冷型列間空調(diào)較風(fēng)冷型房級(jí)間空調(diào)末端更加貼近熱源,氣體輸送距離短,理論上節(jié)能效果更好。同理對(duì)于水冷空調(diào)末端,節(jié)能效果由高到低可排列為水冷背板空調(diào)＞水冷列間空調(diào)＞水冷型房級(jí)間空調(diào)末端。

在同種空調(diào)末端形式的條件下,風(fēng)冷房間級(jí)空調(diào)較水冷型房間空調(diào),水冷型空調(diào)機(jī)組的能效比通常都高于風(fēng)冷型空調(diào)機(jī)組,因此理論上水冷型房間空調(diào)節(jié)能效果更好。熱管型空調(diào)末端的方案通常需要在空調(diào)末端與冷水機(jī)組間配置水冷冷凝器作為冷源,該方案相對(duì)于水冷型空調(diào)末端的方案,多了一次熱交換,因此理論上水冷型末端的節(jié)能效果會(huì)略?xún)?yōu)先于熱管型。綜合而言,對(duì)于列間空調(diào)末端,節(jié)能效果由高到低可排列為,水冷型列間空調(diào)＞熱管型列間空調(diào)＞風(fēng)冷型列間空調(diào)；對(duì)于背板型空調(diào)末端,水冷型背板空調(diào)節(jié)能效果優(yōu)于熱管型背板空調(diào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綠色、節(jié)能數(shù)據(jù)中心是業(yè)內(nèi)未來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展的趨勢(shì),而合理選用空調(diào)末端類(lèi)型是建設(shè)高效節(jié)能數(shù)據(jù)中心機(jī)房的關(guān)鍵。本文對(duì)不同的空調(diào)末端類(lèi)型在機(jī)房建設(shè)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)了探討與分析,對(duì)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題給出了建議,希望在實(shí)際的數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程中,要充分考慮實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行科學(xué)選擇和嚴(yán)格論證,確保數(shù)據(jù)中心制冷節(jié)能技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用,更快更好地建設(shè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房。