IT機房全智能送風節能改造分析

文｜太極計算機股份有限公司 周一民

1 項目背景

1.1 目前市場概述

近幾年來，隨著信息技術的普及，數據中心的IT設備數量增長加速；同時，電力價格持續上升并且供應越來越緊張，數據中心面臨不斷擴容的壓力和不斷增長的電能消耗，節電成為全球數據中心管理者共同關注的話題。

我國通信網絡基礎建設資金大量投入，網絡規模位于世界首位，通信行業已經成為推動國民經濟增長的主要產業。同時，通信行業不間斷運行與維護，尤其是大量通信設備匯集的機房和覆蓋全國的無線基站等能源成本日益增長，占運營企業經營投入的比例越來越大。通信運營企業紛紛就節能減排推出新舉措。

數據中心及通信行業不僅是一個高科技的行業，也是一個高耗能的行業，機房過熱、機房利用率極低、耗能高為以前老機房的普遍現象。隨著網絡規模的不斷擴張，通信行業迅速發展，帶來用電量的迅速增長，但其節能空間也非常大，“節能減排”已成為人們耳熟能詳的一個詞，與之相對應的“生態文明”也將深入人心，建設“綠色數據中心”是現在數據及通信中心管理者的首要任務。

SUN公司為下一代“綠色數據中心”推出了一個新的評判標準：即以SWAP值來評判數據中心內部署的服務器系統功效狀況和經濟性，它是綜合考慮了服務器占用的空間、功耗與性能等因素。

所以在同等性能時減少使用空間和降低能耗是提高SWAP的最直接的途徑。

1.2 國家產業政策

“節能減排”不僅被立為國策，更是企業發展的戰略目標。

早在2010年國資委下發的第23號令規定了《中央企業節能減排監督管理暫行辦法》將節能減排作為“中央企業負責人經營業績考核”的重要目標。

“節約能源、保護環境”已是各級政府工作的重點。許多城市和地區已經采取措施，如利用峰谷用電等。然而，節能不僅是各級政府的事，也是全民的事，特別是對于各企業更是責無旁貸。

溫家寶總理在2011年初的政府工作報告中正式披露，“十二五”單位GDP能耗下降目標確定為16%。同時公布的還有新增的約束性指標，二氧化碳排放降低17%。作為耗能大戶，數據及電信運營商的節能舉措無疑將成為完成這個總體目標的重要組成部分。在2010年12月25日召開的全國工業和信息化工作會議上，時任工業和信息化部部長李毅中在工作報告中提出“十二五”期間工業的節能和二氧化碳減排目標。李毅中表示，力爭2015年，單位工業增加值能耗和二氧化碳排放量比“十一五”末均降低16%左右。他還表示，2011年初定單位工業增加值能耗和二氧化碳排放量各降低4%。

“這是工信部第一次在自己的五年規劃中提出減碳目標。”一位業內人士表示，“這一目標將大大推動工業企業節能和減碳的積極性。”

中國電信在2010年4月就節能改造方案提出了一個《中國電信集團節能減排指導意見2010版（征求意見稿）》明確了節能減排的實施辦法；可見各行業都在為十二五的節能減排任務做準備。

2 項目概況

針對前述背景及國家相關產業政策，我們提出“高效送風控制系統”新設計理念。

2.1 目前運行的老機房現實狀況

據測算，我國的IDC機房空調設備的能耗大概占了45%左右、IT設備的能耗則占了30%、電源系統占18%、其他占7%。通信機房及數據中心通常是用來對信息進行集中處理的地方，計算機設備、網絡設備、存儲設備、通信設備是處理信息必不可少的IT關鍵設備，這些設備節能是IT設備供應商的責任。而對于那些用來保障IT關鍵設備運行的基礎設備，如UPS、空調，人們往往不太注意，殊不知這些設備也是電能消耗的大戶，但供電系統只占18%，通過對其進行節能措施基本上是辦不到，即使使用任何技術能在原基礎上節能10%，對整個系統也是微不足道的，所以可以看到空調的制冷系統的節能是很重要的。

我們都知道空調系統的能效比在1∶2.5～1∶3，也就是說我們用1kW的能耗可以帶來3kW的制冷量，而根據我們發現，空調的制冷能耗比例為33%，而IT設備的能耗只占30%，我們認為這30%的能耗都是以熱量來散發給機房，我們只要有10%的制冷能耗就應該滿足這30%的熱量冷卻，而事實是我們還需要33%的制冷能耗來滿足30%的發熱量，足以見得機房的能耗高且也有很大的節能潛力。

應該說，制冷并不是一開始就成為數據中心中的用電大戶，而是隨著計算機應用的普及才使得這個問題日漸突出。過去，由于計算機應用并不普及，數據中心的IT關鍵設備也不多，機房空間相對比較寬裕，機柜中很少有局部熱點出現。因此，有的數據中心即使采用普通空調來為機房制冷，只要保證機房內的溫度符合設備正常工作溫度即可，機柜內的設備也就能正常運行。

如今，隨著IT技術的普及，IT設備的需求量呈現爆炸性的增長，機房日漸擁擠起來。過去寬敞的機房空間逐漸被大大小小的機柜所擠占，與此同時，機柜中的服務器、交換機的數量也大大增加，機房的整體溫度和機柜中的溫度都迅速升高，特別是近年興起的刀片服務器更是進一步加重了這一問題的嚴重性。

單就刀片服務器本身而言，它降低了維護成本，而且省地、節能，但刀片服務器卻導致機柜內熱密度迅速上升，即使增加了足夠多的空調，機房內仍然會出現局部過熱現象，這讓制冷問題日益突出。

在一些數據中心機房中甚至出現部分區域溫度已經降到10多度，而機房中仍然出現高溫報警的尷尬局面。

正是由于這方面的原因，在機房空間日漸寶貴的情況下，機柜里仍然不得不以犧牲機房容積率的辦法，在機架上空出許多空間來達到設備的制冷要求。事實上，機房的制冷能力已經限制了每個機柜中刀片服務器的安裝數量。

2.2 造成老機房能耗高、局部過熱、容積率低的根本原因，如圖1所示

（1）排放：老機房是按機柜正面朝向一致的方式排列，造成了前排的機柜出風口直接對著后排機柜的進風口，導致后排機柜的進風溫度升高；雖然有冷風補充但由于出風口的風壓低和不充分，不能將冷風輸送到所有機柜的設備上，最終導致局部過熱現象的發生，如圖2所示。

（2）風的短路：由于出風口的冷風出風壓力較低，使冷風無法輸送到機柜出風口的遠端，機柜中的服務器自帶風機將熱風也吸收到服務器中，導致服務器的進風溫度升高，如圖3所示。

圖1

圖2

圖3

（3）風道的堵塞：對于下送風系統，由于地板下風道有電纜，將風道堵塞造成機柜局部地區冷風不能按需輸送到出風口，造成局部過熱現象。

（4）結論：由以上可見，局部過熱問題主要是機房的氣流組織不力造成的。由于局部過熱現象的發生導致用戶為設備安全運行，增加過多的空調，空調之間不能統一調度，致使在空調運行過程中有的制冷、有的制熱，造成很大浪費；又由于有的機房空調的無序排放，使得空調冷風相互阻擋造成浪費； 還有機房中冷熱不均，有的地方冷、有的地方熱，使得很多的熱輻射直接傳入機房增加空調負擔，造成浪費。

由于機房已經出現局部過熱的現象，使用戶不能也不敢在機柜中增加設備的投入，以致在老機房中，大部分機柜中設備不足機柜的30%，設備的平均運行功率小于2kW，造成了機房的容積率很低。

2.3 如何解決以上問題

要降低數據中心制冷的能源消耗，最根本的辦法是減少外界的熱量進入，同時提高空調的制冷效率，合理控制空調回風溫度，節電效果顯著。經測算，如果夏季空調溫度調高1℃，公共建筑空調能耗可降低8%、機房能耗降低3%，如圖4所示。每個機柜的進風口加裝進風風道，使之成為一個小的冷池環境，其風量大小可以根據機柜中的溫度傳感器所測得的溫度或機柜中IT設備的總電流數值按需要隨時調節，數據中心的集中監控系統通過監控所有的機柜溫度和風量的數據來調節精密空調的總制冷量和總風量，該技術可能將數據中心的降溫成本降低30%～50%。

圖4

3 節能的原理

3.1 提高空調的回風溫度

（1）提高回風溫度的可行性：機房原設計規范為：21±2℃（現在的設計規范為23±1℃），也就是服務器設備的最佳工作溫度。

要達到機房設計要求，須將空調的回風溫度調整到22±2℃ ，這樣空調在回風溫度24℃時空調制冷開始工作、在20℃時停止制冷，由于機房空調的蒸發溫度在8℃～10℃，此時空調的出風溫度為12℃～16℃，這樣經空調制冷的冷風與室內的熱風混合才能達到機房的溫度要求，但由于氣流分配的不均勻，易造成局部過冷、局部過熱的冷熱不均現象，這樣使很多冷量大量流失造成浪費，同時也可能造成有的空調制冷、有的空調制熱；還由于在過冷的區域，外界對機房的熱輻射增加，而采用高效送風控制系統，由于使用了冷熱分離的措施，經過空調冷卻后的冷風可直接輸送到機柜設備的進風口處，不與機房內的熱風混合，這樣只要使空調的送風溫度達到22±2℃要求，就可滿足IT設備的正常運行。這樣空調的回風溫度就可設在30±2℃。

（2）提高回風溫度的節能原理：采用高效送風控制系統，空調的回風溫度可設置在30+2℃，回風溫度在32℃時才開啟制冷功能，在28℃時停止制冷，大大減少了對空調制冷要求、提高了制冷效率，從而達到節能的目的。

◆ 按每提高1℃降低機房能耗3%計算，全機房總電力需求可節約25%；

◆ 由于機房環境溫度可提高到30+2℃，考慮在夏天由于外界對機房的熱輻射的減小，在冬季加大了外界的冷輻射效率，也可產生很大的節能效果，所以總節能效率在30%～50%。

3.2 按需制冷

由于采用高效送風控制系統，機房改造后可根據機房實際制冷量和風量的需求，采用按需開啟機房空調的控制，在很多情況下不需要全部空調都開啟運行，從而達到節能的目的。

3.3 減少制冷環境

通過采用高效送風控制系統，將空調的制冷環境由機房的大環境變成了機柜前的小環境，減少了空調的制冷空間。

4 解決的問題

（1）局部過熱：高效送風系統可根據每個機柜的發熱狀態進行微環境的冷風控制，并根據機柜的實際發熱情況調整機柜的冷風風量，徹底改善了局部過熱現象。

（2）節能：由于提高了空調的回風溫度、按需調整空調的使用數量、減少空調的制冷空間，從而達到了節能的目的。

（3）提高機房的容積率：由于解決了以上的問題，使機房在原有的面積和原有的空調數量不變的情況下，可以增加IT設備，充分發揮機房的效率達到提高機房的容積率的目的。

1 通信機房節能技術應用綜述.