淺談數據機房空調系統節能優化

遲媛，朱國棟，吳飛，許永昭

（北京特種工程設計研究院，北京 100028）

云計算和大數據時代的到來，給用戶帶來革命性體驗的同時，大幅度提高了網絡及通信行業對于數據及信息的運用和處理需求，數據中心的規模也在不斷的擴大發展。同時，數據中心的高能耗問題也日益突出并被重點關注。大量的數據處理、存儲、交換、傳輸設備聚集在數據機房中，常年處于工作狀態，形成了數據中心發熱量大，發熱密度高的特點；同時，這些數據處理設備的元器件及集成電路極易受到溫度、濕度、灰塵、電磁等環境因素干擾，為使其運行可靠，數據機房必須具備一定的環境條件，使數據處理設備可以正常運行。

作為保證電子設備正常運行的輔助系統，數據中心空調系統的能耗問題隨著機房電子設備對運行環境要求及其功率密度的不斷提高而不斷增長，降低能耗成為數據機房運營方越來越關注的問題。一方面要求數據中心保持高可用性特點，能高效安全地運營；另一方面，用戶會盡可能要求數據中心降低能耗和運行成本。作為占據數據中心能耗35%～45%的空調系統，其節能效果對于數據中心節能具有重大意義。

1 數據機房空調系統存在的問題分析

目前，很多數據機房都存在空調制冷量過大、冷氣流短路、機房內部分區域溫度過高的情況，這主要是由以下幾個方面的原因造成的：

（1）空調設備選型不合理。目前，空調系統設計的一個主要問題就是空調設備選型的不合理。在空調設備的選型過程中，機房冷負荷是最為重要的參數依據，機房中服務器散熱形成的冷負荷是機房冷負荷的主要組成部分，其電功率97%以上轉化為熱量散發到機房內。每臺設備在出廠時均有一個額定功率，它代表了該設備最大的使用功率，在計算設備發熱量時，設計人員通常會直接用設備額定率乘以熱轉化率（90%～97%）作為該機房設備的發熱。但在實際應用中，根據服務器的用途不同，其正常運行功耗僅為額定功率的40%～60%，有時甚至更低，因此在空調設備選型時，就會出現制冷量過大的情況。而在空調運行過程中，為了達到設定的環境溫度，制冷的同時需要消耗大量的電力制熱，產生不必要的能耗。

（2）氣流組織不合理。一方面，由于用戶的傳統觀念，有些數據機房的空調設備不是放置在機房內，而是被擱置在“空調機房”內，這就造成無論采用地板下送風、吊頂風管回風的形式還是采用吊頂風管送風，地板回風的形式，都會出現送回風短路現象，由于無組織的送風/回風，使冷熱風混合在一起，無法有效帶走服務器的熱量。另一方面，目前大多數數據機房都是利用架空地板作為靜壓箱，在機柜附近開口，采用自由出流方式送風，但由于架空地板的高度不夠高，一般只有300～450mm，很難達到《數據中心設計規范》推薦的600mm，有些地方甚至低于250mm 并且地板內布置有大量的線槽和線纜，導致各個地板送風口風量分配不均勻，出現部分區域溫度偏低，而部分區域機柜內服務器的溫度過高的現象。

（3）機柜布置不合理。一些早期建設的數據機房，對機房內氣流組織考慮的較少，在布置機柜時采用的是同一方向分多排布置，采用架空地板送風時，空調送風口通常都會開在機柜的前面，在這種布置方式下，冷氣流從機柜前部進入機柜，吸收熱量升溫后從后部排出，與進入后排機柜的冷空氣混合，增加了后排機柜的進風溫度，使空調制冷效率大幅度降低。同時，即使采用了冷熱通道的數據機房，有時為了便于管理及檢修，會將處理信息職能相同的高負載密度、高功率機柜放置在同一個冷熱通道內，造成該通道制冷不足而出現高溫報警。除此之外，空調工況設定不合理、空調系統冷媒管路過長、空調冷源形式選用不當等都是造成目前數據機房空調系統能耗高的原因。

2 數據機房空調系統優化措施

2.1 選取合理的機房運行溫度

隨著節能要求的日益提高，以及電子信息設備對物理環境要求范圍的寬松，包括我國在內的很多國家，都對機房設計參數進行了大范圍調整，但許多數據中心依舊是按照23℃±1℃作為設計取值和機房運行溫度。

表1 數據中心環境要求

在實際的機房運行過程中，環境溫度的控制要求可以參考表1 中的標準以及季節等因素進行區別設定，可以將機房環境溫度控制在23～27℃，從而提高空調送、回風溫度，通過調整空調設備運行工況的方式提高制冷系數，保證機房設備正常運行的同時，可以減少機房制冷、加熱、加濕、除濕的能耗，并且環境溫度設定的越高，節能效果越明顯。

2.2 提高空調冷負荷計算的準確度

在計算空調夏季冷負荷時，不能采用經驗方法按照單位面積冷量估算數據中心的空調負荷，應對設備散熱、圍護結構傳熱、太陽輻射熱、人體散熱、照明設備散熱、新風冷負荷及伴隨各種散濕過程產生的潛熱進行逐時詳細計算。且對于占主要部分的設備散熱，不能簡單地把設備額定率乘以熱轉化率作為該機房設備的發熱，應要求供應商提供根據電子信息設備所配置的處理器頻率、處理器數量、內存卡容量規模與數量、PCI 卡數量、硬盤容量規模與數量計算出的該設備的運行功耗與發熱量的參考值，作為空調負荷計算的輸入值。

2.3 優化氣流組織模式

氣流組織模式不合理是造成數據中心能耗高的主要原因，根據數據機房的規模和使用情況，選擇能夠有效地排除機房內余熱的氣流組織，確保電子信息設備對環境溫濕度的需求。數據機房的氣流組織不僅包括數據機房整個空間的氣流組織，還包括機柜內部的氣流組織，當機房內氣流組織合理、機柜具有良好的散熱工藝結構且擺放位置合理時，就可提高機柜內服務器的散熱效率，減少機柜內外的溫度差，從而適當降低機房環境濕度要求，達到節能效果。目前，數據中心機房空調系統多采用上送下回/側回、下送上回及列間送風的氣流組織模式。

（1）機房氣流組織。在上送風方式中，多數機柜的制冷進風口在下部或前方，排風口在機柜頂部或后方，冷空氣從頂部被送入機房，會先與機房內上升的熱氣流混合，再進入機柜進行冷卻，如此就會減小機柜內對流換熱溫差，從而影響機柜的散熱效率。而對于下送上回的氣流組織模式，冷空氣通過地板送風口送入機房，被機柜吸入升溫，然后排出，排出的熱空氣自動上浮，符合空氣梯度分布規律，然后經回風口返回至空調設備，相對上送風方式增加了機柜內對流換熱溫差，提高了散熱效率，并且減少了氣流組織分配的阻力。

“冷熱通道”的布置方式是對下送上回氣流組織模式的進一步優化。在機柜數量眾多的機房，將機柜“背靠背、面對面”擺放，這樣在兩排機柜的正面通道中的地板上布置空調出風口，形成一個冷空氣區——“冷通道”。冷空氣經過設備后形成的熱氣流，排放到兩排機柜背面的“熱通道”中，通過布置在熱通道中的回風口回到空調設備，使整個機房氣流流動暢通，提高了空調的制冷效果。另外在“冷熱通道”布置方式下，為了更好地將冷熱氣流隔離開，可在冷通道或者熱通道內布置一些擋板，或者完全將某一通道封閉起來，實現高效的冷氣流利用。

列間送風是伴隨高密度數據機房出現的一種送風模式，通常與封閉“冷熱通道”的布置結合在一起使用，將列間空調放置在機柜之間。列間空調是通過多個小風扇將冷空氣水平送出，由于與機柜緊密安裝在一起，水平送出的風與機柜內服務器后部安裝的風扇形成一個有效的氣流循環，空調制冷量得到充分利用，與傳統空調模式相比，節能效果更明顯。

（2）機柜氣流組織。機柜按行進行排列，采用冷熱通道技術，避免統一方向布置；在機柜內空閑的U 位靠近進風口的位置安裝盲板，避免熱空氣在出風口收到輕微增壓后（再加上設備進氣口的吸力）被重新吸入服務器的進氣口，形成短路循環；使用帶有風扇系統的機柜，可主動將熱空氣從機柜頂部或后部排出；對機柜之間的間隙、機柜底部與活動地板間的間隙進行封堵。

2.4 合理應用自然冷源技術

自然冷源技術指的是全部或部分應用自然界的免費天然冷源進行制冷，從而降低空調能耗。當前，較為常用的自然冷源主要是冬季及過渡季節的室外低溫空氣，將室外空氣過濾后直接引入機房作為冷源，此種冷卻方式原理簡單，成本也相對低。由于利用自然冷源對機房設備進行降溫的效果，易受室外溫度變化、太陽輻射變化等因素影響，因此，利用自然冷源的新風系統需與機房空調聯動，從而保證機房設備的正常運行。

3 結語

本文主要針對數據中心，分析了在空調系統設備選型、氣流組織、機柜布置等方面存在的問題，結合實際，從機房運行溫度、設備負荷計算、氣流組織模式等方面提出了優化措施，為數據中心空調系統的綜合節能建設與改造提供參考和依據。