IDC 大數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)精確送風模式分析與實踐

［王子懿］

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+的飛速發(fā)展，IDC 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也越來越龐大，已然成為了電信行業(yè)的耗電大戶，而其中空調(diào)系統(tǒng)用電占比普遍超過40%，導致數(shù)據(jù)中心的總體PUE 值不夠理想。如何在IT 設備上架越來越密集、用電量越來越大的情況下，既保證機房制冷安全，又減少空調(diào)能耗，從而降低數(shù)據(jù)中心的PUE 值，成為了一個亟待解決的課題。

2 傳統(tǒng)上送風機房現(xiàn)狀及存在的問題

傳統(tǒng)的IDC 機房空調(diào)多采用上送風方式，冷風先冷卻機房環(huán)境再冷卻機架內(nèi)的服務器設備，上送風空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織受機房設備布局和結構的影響，容易使空調(diào)冷風從機柜以上空間、列間過道及機柜的空置區(qū)短路流失，導致能量損失，制冷效率較低。如圖1 所示。

圖1 上送風IDC 機房現(xiàn)狀圖

上送風IDC 機房基本上是所有機架正面朝同一方向的排隊式擺放方式，前排設備排出的熱風被后排設備吸入，導致后排設備溫度高；由于機房各個區(qū)域設備容量不同，設備功耗也不同，采用上送風方式冷量不能合理分配，會導致功耗小的區(qū)域溫度低，功耗大的區(qū)域溫度高；機架門的通孔率不足導致送風量相對不足，機架內(nèi)熱交換不充分，空調(diào)機組制冷效率低。另外，空調(diào)送風量也受送風管網(wǎng)影響，送風口相對熱源較遠很難充分交換，調(diào)配的送風量不能滿足設備密度高的區(qū)域冷量要求，就會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，雖然機房設計容量較大，但新增設備無法再安裝。

3 精確送風改造原理

“上送風IDC 機房采用全封閉冷氣通道精確送風”是針對上送風機房供熱效率低的問題，采用管道上送風方式，通過改造送風管，將空調(diào)冷風直接輸送每個機柜，通過精密空調(diào)調(diào)整送風的溫度和風壓，在每個機柜風道閥門控制送風量，達到解決機房過熱和空調(diào)能耗高的問題。如圖2 所示。

圖2 上送風機房采用全封閉冷氣通道精確送風原理圖

直接將低溫冷風（13℃～15℃）送到封閉的機柜內(nèi)，實現(xiàn)機柜內(nèi)冷卻，避免氣流不經(jīng)過機柜交換熱量而產(chǎn)生的短路現(xiàn)象，同時也可以防止熱風重新吸入機柜內(nèi)，上送風IDC 機房將會達到與現(xiàn)有的下送風系統(tǒng)相近的制冷效率，空調(diào)節(jié)電預計可達到20%～30%。同時可解決上送風IDC機房的“局部熱島現(xiàn)象”，盡管這時機房環(huán)境溫度會比采用普通上送風方式下的環(huán)境溫度高，但通信設備已得到充分的冷卻。

3.1 計算方法

一般情況下，現(xiàn)有的上送風機房機柜發(fā)熱量是2 kW以下，以2 kW 為發(fā)熱量做計算，設計送風管的送風量。假設送風溫度13℃，出風溫度28℃，有15 度溫差。

式中：Q 總顯熱（假設負載的耗電量90%轉(zhuǎn)化為熱量）

G 空氣流量，kg/s

V 為系統(tǒng)風量，m3/s

ρ 為干空氣密度，1.185 kg/m3

1.01為干空氣的定壓比熱，kJ/kg.K。

V=Q/（ρ×△T×1.01）

=2×0.9/（1.185×15×1.01）

=0.100 263 m3/s

送風管有兩種：梯形及圓形

梯形面積約為S=（0.35+0.2）×0.15/2=0.041 255 m2

圓形面積約為S=3.1 415×0.08︿2=0.0 201 056 m2

送風風速：梯形v=0.100 263/0.0 375=2.43 m/s

圓形v=0.100 263/0.0 201 056=4.98 m/s

由此可見，采用“全封閉冷氣通道精確送風”時，送風溫度一般情況不變，只要改變冷空氣的送風風量，就可以滿足不同發(fā)熱量機柜的散熱要求。達到精確控制、精確消除“機房熱島”現(xiàn)象的目的，同時也可以達到少開空調(diào)、節(jié)約電能的目的。

3.2 設計原理

上送風機房進行精確送風包含密不可分的兩個部分：第一部分是以現(xiàn)有的送風管道、送風口為基礎，再增加一部分風管和風口，將冷氣直接送至機柜門的上方；另一部分是從新制造的封閉式機柜柜門，其大小尺寸須與機柜匹配，中間增加了梯形進送槽與頂部進風口，進風口的大小須與上端的送風口準確配合。因各機房機柜外型尺寸不同、原送風管的分布也有所不同，要達到精確送風的良好效果，這兩部分應是一個統(tǒng)一的、密不可分的整體。如圖3 所示。

圖3 改造后的送風管示意圖

4 深圳電信的應用實踐

深圳電信在某面積為245 m2的IDC 機房開展了空調(diào)精確送風模式改造，改造前后，我們各進行了周期為7 天的測試，每天統(tǒng)計時間6 小時，記錄日均耗電量和室外、室內(nèi)日均溫度，從而計算出總節(jié)電率。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某IDC 改造前后能耗測試數(shù)據(jù)表

由表1 可以看出，改造前測試時由于是冬季，室外日均氣溫只有15℃，機房內(nèi)溫度卻有24.4℃，日均耗電量達到162 kWh；而改造后測試時已經(jīng)是夏季，室外日均氣溫有27.5℃，比測試前高了12.5℃，但機柜內(nèi)溫度卻只有20℃，比改造前還低了4.4℃，證明制冷效果明顯提升了，而日均耗電量是144 kWh，比改造前少了18 kWh，總節(jié)電率達到12%，節(jié)能效果明顯。

同時，我們對送風效果也進行了專門的測試，記錄改造前后機柜正面和背面上、下端的溫度，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 某IDC 改造前后機柜溫度測試數(shù)據(jù)表

由表2 可以看出，改造前機柜正面上端進風溫度22℃～25℃，背面下端的平均出風溫度在32℃以上，溫度有10 度的上升幅度。由于外界冷空氣是自然流入或服務器自帶的風扇吸入，冷風流量小，無法控制送風量，容易形成局部熱空氣重新吸入服務器中的現(xiàn)象，所以需要較低的室內(nèi)空氣溫度才能控制局部熱島的產(chǎn)生。

精確送風改造后，機柜正面上端進風溫度19℃～22℃，背面下端的平均出風溫度在23℃左右，溫度有5 度的上升幅度，每個機柜的溫升比較均勻。由于每個機柜可以精確控制送風量的大小，可以很方便的根據(jù)設備發(fā)熱量進行控制，有效的防止機柜熱島現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少冷空氣不合理流動，消除局部過熱。

從以上測試分析可以看到，上送風機房精確送風模式改造具有以下特點及優(yōu)勢：

（1）先冷卻設備后降室溫

采用這種技術將冷空氣直接送到機柜內(nèi)需要冷卻的位置，進入機柜內(nèi)的冷風溫度較低，且先直接作用冷卻機柜的設備，可以利用較大的溫差帶走設備熱源的熱量，提高熱交換的效率。這時機房環(huán)境溫度會比采用普通上送風方式下的環(huán)境溫度高，但機房的環(huán)境溫度不會對通信設備的冷卻有任何影響。

（2）建立機柜內(nèi)部冷風送風通道

上送風機房機柜精確送風技術必須在機柜內(nèi)部建立起全封閉的冷風進風通道，從而直接將冷空氣送到設備的進風口。如果機柜內(nèi)前門與設備之間有足夠的距離空間，則可以利用原有的密封式前門。一般對現(xiàn)有機柜進行改造時，需要將原機柜開孔式前門改為門式送風器，增加密閉儲風結構的送風通道。

（3）優(yōu)化氣流組織，消除局部熱島

冷空氣直接送到機柜內(nèi)部，減少了上送風方式時冷風氣流不經(jīng)過機柜交換熱量而產(chǎn)生的短路現(xiàn)象。采用這種技術后，隔離了冷熱通道，上送風機房可以更合理地進行氣流組織，精確分配冷量，對于機房內(nèi)部局部過熱的位置可以通過調(diào)節(jié)風量來加強冷卻，減少冷空氣的不合理流動和氣流短路，達到或接近下送風系統(tǒng)的冷卻效果。

5 結束語

綜上所述，精確送風方式可將空調(diào)冷源充分利用，有效地解決局部過熱的難點，提高制冷效率，有效降低IDC機房的PUE 值，產(chǎn)生良好的節(jié)能效益，值得進一步推廣。但有兩點需要注意的地方：

（1）精確送風改造設計時，也要考慮回風的氣流組織，如不順暢，會加大送風阻力，從而降低送風效率。

（2）機柜內(nèi)也會產(chǎn)生垂直溫差，因此一個機柜的送風通道要有利于設備的冷熱交換，冷熱要充分利用，上下機架的送風量應盡量均勻布置。