數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)控制策略

1 概述

近年來，伴隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新技術(shù)的迅速推廣和應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模均日趨擴(kuò)大，數(shù)據(jù)中心的能耗也大幅增加。企業(yè)自建自行運(yùn)維的數(shù)據(jù)中心多采取礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備(供配電設(shè)備、制冷設(shè)備等)一次性建設(shè)，IT設(shè)備分期部署的模式，租賃式數(shù)據(jù)中心的用戶進(jìn)入也很難一步到位。因此，以上兩種數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷率長時(shí)間遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。

本文針對某企業(yè)自建自行運(yùn)維的數(shù)據(jù)中心，分析數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)的典型運(yùn)維故障表現(xiàn)與原因，借助CFD模擬方法，研究部分IT設(shè)備負(fù)荷率下的空調(diào)控制策略。

楊譯：“‘Abject Apologies', is it? Retorted Paochai, You two are the ones well versed in ancient and modern literature, so of course you know all about‘a(chǎn)bject apologies'—that's something quite beyond me.”

2 項(xiàng)目概況及典型運(yùn)維故障

① 項(xiàng)目概況

北京地區(qū)某企業(yè)數(shù)據(jù)中心，2018年10月建成，同年11月投入運(yùn)行。基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備一次性建設(shè)，IT設(shè)備分期部署。機(jī)房建筑面積為153.64 m

，共布置機(jī)柜24臺(tái)，單臺(tái)最大電功率為4 kW。機(jī)房采用2臺(tái)直膨式恒溫恒濕機(jī)房空調(diào)(以下簡稱機(jī)房空調(diào))，單臺(tái)額定輸入電功率為23 kW，額定制冷功率為80 kW，機(jī)房空調(diào)配置1臺(tái)不間斷電源(UPS)。數(shù)據(jù)中心搭建了能源管理平臺(tái)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和能效指標(biāo)(電能利用效率、IT設(shè)備負(fù)荷率等)。電能利用效率(Power Usage Effectiveness，PUE)表征數(shù)據(jù)中心電能利用效率，為數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有用電設(shè)備的耗電量與所有電子信息設(shè)備耗電量之比。PUE越小且越接近1，說明數(shù)據(jù)中心的能效水平及綠色化程度越高。IT設(shè)備負(fù)荷率為IT設(shè)備實(shí)際電功率與額定電功率的比。

筆者采用由英國Future Facilities公司研發(fā)的數(shù)據(jù)中心氣流組織仿真軟件6SigmaDC

，對該機(jī)房進(jìn)行仿真。該軟件含有豐富的模型庫，可快速搭建數(shù)據(jù)中心機(jī)房，模擬、仿真、預(yù)測數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱環(huán)境，以多種方式顯示溫度場、氣流場、壓力場、相對濕度場等

。

根據(jù)工程特點(diǎn)和要求，選用中聯(lián)ZDG 360成槽機(jī)進(jìn)行施工，成槽機(jī)上的糾偏裝置能夠?qū)Τ刹圪|(zhì)量隨時(shí)監(jiān)控、糾正。成槽現(xiàn)場圖見圖5。

模擬結(jié)果包括空調(diào)送風(fēng)效率、空調(diào)回風(fēng)效率、空調(diào)回風(fēng)溫度、空調(diào)送風(fēng)溫度、機(jī)柜最大進(jìn)口溫度等?？照{(diào)送風(fēng)效率為總送風(fēng)量中有效用于冷卻機(jī)柜IT設(shè)備的風(fēng)量比例，送風(fēng)效率越高說明制冷效率越高，氣流組織越合理?？照{(diào)回風(fēng)效率為冷卻機(jī)柜IT設(shè)備后的熱氣流返回機(jī)房空調(diào)的比例，回風(fēng)效率越高說明制冷效率越高，機(jī)房氣流組織越合理。機(jī)柜最大進(jìn)口溫度為IT設(shè)備入口進(jìn)風(fēng)最大溫度，反映了IT設(shè)備的熱環(huán)境。

采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對該次研究數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，其中計(jì)量資料為血糖水平控制情況，用（±s）表示，進(jìn)行t檢驗(yàn)，治療效果為計(jì)數(shù)資料，用[n（%）]表示，進(jìn)行χ2檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2019年5月25日、11月14日，能源管理平臺(tái)報(bào)警提示PUE偏高。5月25日10:00—16:00機(jī)房空調(diào)持續(xù)發(fā)生溫度超低報(bào)警，期間PUE上升，最大值約2.8。調(diào)取IT設(shè)備負(fù)荷率歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日IT設(shè)備負(fù)荷率在0.2左右，說明IT設(shè)備的使用率比較低，而運(yùn)維人員并未采取相應(yīng)的調(diào)控措施，空調(diào)送風(fēng)量仍按設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，導(dǎo)致送風(fēng)量大于需求量，導(dǎo)致機(jī)房空調(diào)能效降低，PUE升高。11月14日，雖然機(jī)房空調(diào)未發(fā)生低溫報(bào)警，但是PUE約為2.6，屬于偏高情況。調(diào)取當(dāng)日UPS輸出功率歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1、2號(hào)機(jī)房空調(diào)壓縮機(jī)頻繁啟停。主要由于11月室外溫度比較低，當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率比較低時(shí)，運(yùn)維人員沒有采取優(yōu)化控制策略，機(jī)房空調(diào)處于低負(fù)載運(yùn)行，繼而出現(xiàn)頻繁啟停的情況。

機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為絕熱，單臺(tái)機(jī)柜的發(fā)熱功率為4 kW。通過改變機(jī)柜的工作數(shù)量，改變IT設(shè)備負(fù)荷率，不同IT設(shè)備負(fù)荷率條件下采用不同的送風(fēng)比例(實(shí)際送風(fēng)量占設(shè)計(jì)送風(fēng)量的比例)。2臺(tái)機(jī)房空調(diào)均處于運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)回風(fēng)溫度控制送風(fēng)溫度，回風(fēng)溫度的控制目標(biāo)為32 ℃。工況1：IT設(shè)備負(fù)荷率25%，機(jī)柜1～3、13～15布滿IT設(shè)備，送風(fēng)比例分別取50%、20%、15%。工況2：IT設(shè)備負(fù)荷率50%，機(jī)柜1～6、13～18布滿IT設(shè)備，送風(fēng)比例分別取50%、25%。工況3：IT設(shè)備負(fù)荷率75%，機(jī)柜1～9、13～21布滿IT設(shè)備，送風(fēng)比例分別取50%、38%。

3 機(jī)房空調(diào)控制策略

機(jī)柜面對面兩行布置(見圖1)，兩行機(jī)柜中間為冷通道(采用地板下送風(fēng))，機(jī)柜背面為熱通道，2臺(tái)機(jī)房空調(diào)位于南側(cè)。機(jī)房兩側(cè)熱通道上方分別均勻布置2個(gè)機(jī)房溫度傳感器，2臺(tái)機(jī)房空調(diào)回風(fēng)口處分別布置1個(gè)回風(fēng)溫度傳感器，機(jī)房溫度、回風(fēng)溫度實(shí)時(shí)上傳至能源管理平臺(tái)。機(jī)房采用地板下送風(fēng)、地面上回風(fēng)的氣流組織形式(見圖2)，送風(fēng)口位于機(jī)房空調(diào)下方，冷風(fēng)通過冷通道送入機(jī)房，經(jīng)機(jī)柜帶走熱量后進(jìn)入熱通道，并返回至機(jī)房空調(diào)上方的回風(fēng)口，設(shè)計(jì)送風(fēng)速度不大于3 m/s。

由以上分析可知，典型運(yùn)維故障的主要原因?yàn)槿笔T設(shè)備負(fù)荷率比較低時(shí)的機(jī)房空調(diào)控制策略。

② 典型運(yùn)維故障

社區(qū)學(xué)習(xí)共同體是蘊(yùn)藏于社會(huì)關(guān)系結(jié)構(gòu)中的社會(huì)資本，不僅生發(fā)于民，而且具有服務(wù)于民、促進(jìn)社區(qū)政治經(jīng)濟(jì)文化整體發(fā)展的功能。但其生存成長、發(fā)展壯大、能力提升還需一定的環(huán)境保障，具體如下。

由工況1的模擬結(jié)果可知，當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率為25%時(shí)，送風(fēng)比例為50%，送回風(fēng)溫差過小，回風(fēng)溫度不均勻，空調(diào)送回風(fēng)效率均不足50%。送風(fēng)比例為20%、15%時(shí)，上述現(xiàn)象明顯改善。因此，IT設(shè)備負(fù)荷率比較低時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)節(jié)送風(fēng)量，保持比較小的送風(fēng)比例。

近年來，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展也非常的迅速，而在智能電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置，其實(shí)本質(zhì)上也是一個(gè)計(jì)算機(jī)裝置，作用就是對系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控工作，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行指導(dǎo)，讓智能電網(wǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行能夠高效和安全。同時(shí)，繼電保護(hù)裝置在對電力信息的數(shù)據(jù)和故障信息進(jìn)行獲取的時(shí)候，會(huì)及時(shí)反饋信息到系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制中心。另外，隨著我國智能電網(wǎng)的發(fā)展越來越迅速，在自動(dòng)化程度方面，電力系統(tǒng)也做得越來越好，這樣就能夠保障了電力系統(tǒng)的安全和高效。

由工況2的模擬結(jié)果可知，當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率為50%時(shí)，送風(fēng)比例為25%，空調(diào)送回風(fēng)效率均在80%左右，但是機(jī)柜6、18出現(xiàn)過熱。送風(fēng)比例為50%時(shí)，上述現(xiàn)象明顯改善。因此，當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率為50%時(shí)，空調(diào)送風(fēng)量不應(yīng)降低過多，建議送風(fēng)比例為50%。

由工況3的模擬結(jié)果可知，當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率為75%時(shí)，送風(fēng)比例為50%，空調(diào)送回風(fēng)效率均在75%左右，機(jī)柜最高入口溫度為23 ℃。與送風(fēng)比例50%相比，當(dāng)送風(fēng)比例為38%時(shí)，空調(diào)送回風(fēng)效率均在85%左右，機(jī)柜最高入口溫度為25 ℃。不僅滿足了IT設(shè)備的運(yùn)行溫度，而且更加節(jié)能。因此，當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率比較高時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置送風(fēng)比例，并不是越大越好。

IT設(shè)備負(fù)荷率比較低時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)節(jié)送風(fēng)量，保持比較小的送風(fēng)比例。當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率為50%時(shí)，空調(diào)送風(fēng)量不應(yīng)降低過多，建議送風(fēng)比例為50%。當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率比較高時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置送風(fēng)比例，并不是越大越好。

4 結(jié)論

① 典型運(yùn)維故障的主要原因?yàn)槿笔T設(shè)備負(fù)荷率比較低時(shí)的機(jī)房空調(diào)控制策略。

② IT設(shè)備負(fù)荷率比較低時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)節(jié)送風(fēng)量，保持比較小的送風(fēng)比例。當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率為50%時(shí)，空調(diào)送風(fēng)量不應(yīng)降低過多，建議送風(fēng)比例為50%。當(dāng)IT設(shè)備負(fù)荷率比較高時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置送風(fēng)比例，并不是越大越好。

[1] 楊超. 采用CFD仿真優(yōu)化數(shù)據(jù)中心氣流組織[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2018(9)：89-92.

[2] 張量，許鵬. 數(shù)據(jù)中心地板送風(fēng)和IT設(shè)備機(jī)柜散熱的CFD模擬方法總結(jié)和比較[J]. 建筑節(jié)能，2014(8)：38-42.