某數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)測試分析及優(yōu)化措施

景 淼，何 健，董 青（聯(lián)通數(shù)字科技有限公司，北京 100085）

0 前言

近年來5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)快速發(fā)展，我國數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模不斷增長［1-2］。數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務器等設備全年均處于不間斷運行狀態(tài)，這些設備對環(huán)境的溫濕度有較為嚴格的要求［3］。為保證服務器的安全穩(wěn)定運行，機房內(nèi)一般存在送風溫度過低或者送風量過大的情況［4］。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174-2017）［5］，數(shù)據(jù)中心冷通道或機柜進風區(qū)域的溫度為18～27 ℃，相對濕度不宜大于60%，機柜送回風溫差為8～15 ℃。但由于某些存儲設備的特殊性，如磁帶機等，部分機房的溫濕度要求較《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》更為嚴格。本文以某數(shù)據(jù)中心機房為例，通過對數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)運行時的溫度、濕度、風量進行測試，對其測試方法及測試結(jié)果進行分析，根據(jù)測試結(jié)果提出優(yōu)化改進措施。

1 項目概況

某數(shù)據(jù)中心機房面積約為152 m2，層高為5.4 m，單機柜功耗為2.5 kW，IT 總功耗為130 kW。氣流組織為活動地板下送風上回風，冷通道封閉方式。被測機房室內(nèi)設計參數(shù)具體如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)機房室內(nèi)設計參數(shù)

機房內(nèi)安裝顯冷量150 kW 的冷凍水下送風型機房專用空調(diào)2 臺，1 用1 備配置，冷凍水、供回水溫度分別為16 ℃、22 ℃。機房內(nèi)配置下送風型恒濕機2 臺，1用1備配置。

恒濕機采用濕膜加濕、冷凍除濕的方式。其中，濕膜加濕屬于等焓加濕，空氣加濕前后的焓值不變，加濕后的空氣溫度降低，含濕量增加，相對濕度增大，加濕工況時恒濕機送風溫度低于進風溫度。冷凍除濕利用低溫冷凝的原理除去空氣中的水分［6］，通過風機將機房內(nèi)潮濕空氣吸進機組，通過蒸發(fā)器除濕后形成干燥空氣，干燥空氣經(jīng)過冷凝器升溫最終排至機房內(nèi)。文獻［7］針對冷凍除濕機的原理進行分析，發(fā)現(xiàn)恒濕機冷凍除濕時出風溫度要略高于進風溫度。綜上，恒濕機除濕時對于機房內(nèi)溫度影響較大。

恒濕機加、除濕量計算如下：

其中，W為加（除）濕量（kg/h）；ρ為空氣密度（kg/m3）；V為房間體積（m3）；n為換氣次數(shù)；d1為加濕前（除濕后）空氣的含濕量（g/kg）；d2為加濕后（除濕前）空氣的含濕量（g/kg）。被測機房位于建筑中心位置，新風從走道取風，走道內(nèi)安裝多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)。被測機房室內(nèi)設計參數(shù)取23 ℃、45%，換氣次數(shù)為1 次/h；走道冬季室內(nèi)計算參數(shù)為16 ℃，夏季室內(nèi)計算參數(shù)為26 ℃，走道內(nèi)相對濕度均按照極端情況取值。按照公式（1）計算得出加濕量為7.8 kg/h，除濕量為13.3 kg/h。

空調(diào)送風量計算如下：

其中，G為空調(diào)送風量（m3/h）；Q為顯冷量（kW）；ρ為空氣密度（kg/m3）；??為回風焓值（kJ/kg）；?s為送風焓值（kJ/kg）；C為空氣定壓比熱容（kJ/kg·℃）；?t為送回風溫差（℃）。按照式（2）計算得出本項目單臺空調(diào)送風量為40 500 m3/h。

2 測試方法

2.1 溫濕度測試方法

文獻［8］針對冷通道內(nèi)不同高度的溫度進行測量，發(fā)現(xiàn)隨著垂直高度的增加，機柜進風側(cè)溫度升高。本項目為避免測點高度對溫濕度的影響，將測點布置在冷通道距地面以上1.0 m，距機柜進風側(cè)0.6 m 處［9］，測點布置如圖1 所示。溫濕度測試采用溫濕度傳感器，傳感器安裝高度距架空地板2.4 m，探頭距架空地板1.0 m。溫濕度傳感器信號由動環(huán)實時采集。

圖1 機房測點布置

2.2 風量測試方法

數(shù)據(jù)中心機房常用測量通風地板風量的工具有葉輪風速儀、熱敏風速儀、矩陣式風速儀和風量罩4種。對風量測試方法的分析如表2所示。

表2 風量測試方法分析

本項目采用準確性最高的矩陣式風速儀作為測量工具（見圖2）。

圖2 矩陣式風速儀探頭

3 測試結(jié)果分析及優(yōu)化措施

3.1 溫濕度分析及優(yōu)化措施

3.1.1 除濕風速對濕度影響

恒濕機除濕時可以調(diào)節(jié)風速，當風速降低時，機組總風量降低。根據(jù)式（1），相同除濕量下，風量降低時含濕量的差值增加，使得恒濕機送風含濕量值降低，送風溫度相同時相對濕度更低。從圖3 和圖4 中可以明顯看出，恒濕機低風速工況各測點的濕度明顯低于高風速工況。

圖3 A列對應通道內(nèi)3個測點濕度

圖4 B、C列對應通道內(nèi)4個測點濕度

風速降低時，進入恒濕機回風口的空氣流量會降低，而壓縮機的制冷能力是恒定的，空氣會被冷卻到更低的溫度。若流速過低，冷卻溫度很可能在0 ℃以下，導致蒸發(fā)器結(jié)冰。因此，實際項目中除濕風速不能一味地降低，需找到除濕風速與蒸發(fā)器結(jié)冰的最佳狀態(tài)點。

此外，除濕量受除濕工況的風機風量影響較大，恒濕機廠家在設計產(chǎn)品時也會根據(jù)除濕工況的風機風量和所配置的壓縮機制冷量進行計算［7］，但除濕時所能達到的含濕量未必是設計計算時的含濕量。因此，在設計選型時建議注明需要處理到的送風狀態(tài)點，防止設計人員和廠家對于除濕量理解的不一致。

3.1.2 回風相對濕度對濕度影響

為增加下送風恒濕機的除濕效果，實際工程中常將恒濕機前的架空地板更換為地板送風口。將恒濕機前架空地板更換為地板送風口后，各測點在溫度不變的情況下相對濕度降低。這是因為架空地板下方為空調(diào)送風靜壓箱，空氣溫度較低，相對濕度較高，在恒濕機前增加地板送風口，可以增加恒濕機回風口的相對濕度，提高除濕效果。

3.1.3 切機工況對溫濕度影響

機組熱備穩(wěn)態(tài)運行時，空調(diào)和恒濕機均在部分負荷下運行。若一臺空調(diào)或恒濕機發(fā)生故障，機組切機過程中機房內(nèi)溫濕度會產(chǎn)生波動。當機組熱備運行切機至空調(diào)1#、恒濕機1#時，1 h 內(nèi)機房溫濕度變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 切機至空調(diào)1#、恒濕機1#時1 h內(nèi)機房溫度變化

圖6 切機至空調(diào)1#、恒濕機1#時1 h內(nèi)機房濕度變化

由圖5、圖6可知，測點1的溫度波動為1.9 ℃/h，濕度波動為3.9%/h；測點2 的溫度波動為1.2 ℃/h，濕度波動為2.7%/h；測點3 的溫度波動為1.0 ℃/h，濕度波動為5.2%/h；測點4 的溫度波動為2.6 ℃/h，濕度波動為2.7%/h；測點5 的溫度波動為2.0 ℃/h，濕度波動為2.2%/h；測點6 的溫度波動為1.9 ℃/h，濕度波動為2.2%/h；測點7 的溫度波動為2.2 ℃/h，濕度波動為3.3%/h。這是由于恒濕機安裝在機房熱區(qū)，恒濕機進風為機房熱區(qū)的回風，與空調(diào)送風溫度約相差11 ℃，而恒濕機除濕時的送風溫度略高于其進風溫度，使得恒濕機除濕時的送風溫度與機房空調(diào)送風溫度溫差更大。兩股氣流互相摻混，對溫度和濕度均造成較大的波動，不能滿足該機房的室內(nèi)設計參數(shù)。

3.1.4 優(yōu)化措施

如圖1 所示，恒濕機1#與空調(diào)1#的送風氣流相互垂直，空調(diào)的送風速度遠大于恒濕機的送風速度，恒濕機風速降低時其送風氣流受到空調(diào)送風氣流的阻擋，導致恒濕機出現(xiàn)壓力報警。此外，由于恒濕機和空調(diào)均為地板下送風，恒濕機送風溫度高于其進風溫度（即機房內(nèi)熱區(qū)的回風溫度），并且遠高于空調(diào)的送風溫度，導致切機工況時機房內(nèi)的溫濕度變化超過機房室內(nèi)設計參數(shù)要求。為保證恒濕機的除濕效果及避免氣流波動引起的溫濕度超標，本項目將恒濕機支架抬高500 mm，保證恒濕機出風口位于架空地板上方，如圖7所示。改造后，恒濕機送風氣流不再受空調(diào)送風的影響，可以調(diào)整除濕工況的送風風速。此外，本項目也將末端空調(diào)的送風溫度傳感器由空調(diào)機組下方調(diào)整至冷通道中心位置，通過送風溫度控制保證冷通道內(nèi)各測點溫度滿足機房室內(nèi)設計參數(shù)。

圖7 改造前后恒濕機安裝示意

改造后機組熱備運行切機至空調(diào)1#、恒濕機1#時，1 h內(nèi)機房溫濕度變化情況如圖8和圖9所示。

圖8 改造后切機至空調(diào)1#、恒濕機1#時1 h內(nèi)機房溫度變化

圖9 改造后切機至空調(diào)1#、恒濕機1#時1 h內(nèi)機房濕度變化

如表3所示，改造后機組熱備狀態(tài)切機到空調(diào)1#、恒濕機1#運行時，1 h 內(nèi)機房的溫度波動均在2 ℃/h，濕度波動均在5%/h以內(nèi)，完全滿足該機房的室內(nèi)設計參數(shù)。

表3 改造前、后切機到空調(diào)1#、恒濕機1#時的溫濕度變化

3.2 風量分析及優(yōu)化措施

本項目機房內(nèi)共有104 塊通風地板，優(yōu)化前各列機柜前地板送風口的風量如表4所示。

表4 優(yōu)化前各列機柜風量

根據(jù)式（2），理論上單機柜風量為675 m3/h。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，地板風口存在送風不均的問題，本項目通過調(diào)節(jié)地板風口的開度，平衡冷通道內(nèi)各地板風口的送風量。若冷通道內(nèi)地板風口風量差別較為懸殊，也可增加智能通風地板。智能通風地板可根據(jù)溫度傳感器的數(shù)值自動調(diào)整風量，也可手動設置參數(shù)。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)溫濕度及風量對于服務器的安全穩(wěn)定運行影響極大，本文通過對某機房的環(huán)境測試進行分析，得出如下結(jié)論。

a）在恒濕機選型時，室外環(huán)境參數(shù)需選取最不利參數(shù)。除濕工況選型時建議同時注明除濕量、回風狀態(tài)點溫濕度以及需要處理到的送風狀態(tài)點溫濕度。除濕風速、回風相對濕度等都會對除濕效果產(chǎn)生影響。對于采用地板下送風且對機房內(nèi)溫濕度變化率要求較高的機房，建議恒濕機采用上送風方式，避免恒濕機送風氣流與空調(diào)送風氣流相互摻混，造成較大的溫濕度波動。

b）空調(diào)選型時需根據(jù)送回風溫差計算出風量。風量測量建議選用矩陣風速儀，測量結(jié)果最為準確。對于送風不均的問題，可采用調(diào)節(jié)地板送風口或增加智能通風地板等方式解決。