數(shù)據(jù)中心機(jī)房專用空調(diào)性能分析與運(yùn)行管理

車全越

（鐵總服務(wù)有限公司，北京 100045）

0 引言

數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)主要取決于信息設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境要求，包括房間的溫度和濕度。另外，隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，相應(yīng)的機(jī)房空調(diào)設(shè)備也應(yīng)該有更加合理的設(shè)計(jì)，舊的設(shè)計(jì)理念無法滿足當(dāng)代數(shù)據(jù)中心的需求，同時(shí)也造成了極大的能源浪費(fèi)。

根據(jù)美國(guó)研究人員Anders Andrae 的評(píng)估，信息和通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的碳排放量達(dá)到了全球排放量的3.5%，到2040 年，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)上升到14%。他還預(yù)測(cè)到2025 年，數(shù)據(jù)中心的能耗將占ICT 行業(yè)總能耗的33%，其次是智能手機(jī)（15%），網(wǎng)絡(luò)（10%）和電視（9%）[1]。

1 精密空調(diào)技術(shù)最新進(jìn)展

李婷婷等人對(duì)西北五省典型數(shù)據(jù)中心的實(shí)際溫度、濕度、空調(diào)性能及機(jī)房各部分設(shè)備耗電量的測(cè)試分析。以陜西西安作為一個(gè)典型數(shù)據(jù)中心的案例，分析、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的能效比（EER）和能源利用效率（PUE），總結(jié)了目前西北地區(qū)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)存在制冷性能系數(shù)較低、機(jī)房?jī)?nèi)冷量分配不均、熱環(huán)境較差、空調(diào)設(shè)計(jì)沒有因地制宜的設(shè)計(jì)等方面的缺點(diǎn)[2]。

劉娥玉等人用焓差實(shí)驗(yàn)室測(cè)試空調(diào)機(jī)在不同冷凝溫度條件下的性能參數(shù)，分析系統(tǒng)各部件的匹配關(guān)系、整機(jī)性能及在變冷凝溫度下的綜合性能。結(jié)果表明,調(diào)整蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、增加風(fēng)速、合理匹配熱量膨脹閥、降低系統(tǒng)部件和管道阻力等,能使機(jī)房空調(diào)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下COP、變工況下COP 以及綜合COP都有較大幅度提高[3]。

黃富強(qiáng)對(duì)上海局客專調(diào)度大樓精密空調(diào)維保工作進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，從日常管理、改進(jìn)維保手段、加裝電子顯示設(shè)備等方面介紹了日常工作中的體會(huì)與思考[4]。

2 項(xiàng)目概況

數(shù)據(jù)中心位于北京市海淀區(qū)復(fù)興路10 號(hào)國(guó)鐵集團(tuán)西調(diào)度樓內(nèi)，西調(diào)度樓共有地上4 層，地下3 層，層高6 m，建筑面積34 488 m2，建筑高度25.86 m，數(shù)據(jù)中心設(shè)備主要分布在地下1～3 層。機(jī)房專用空調(diào)采用水-制冷劑冷卻方式，通過地板送風(fēng)、頂板回風(fēng)的方式對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行溫度和濕度的控制。服務(wù)地點(diǎn)為運(yùn)調(diào)機(jī)房、客服機(jī)房、客票機(jī)房、備用機(jī)房、UPS 機(jī)房、CTC、UPS 電池室、大屏幕控制室、配線間等。

數(shù)據(jù)中心采用房間級(jí)制冷，屬于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷模式，其中地板下送風(fēng)+地板下走線方式也屬于傳統(tǒng)排布方式，服務(wù)器機(jī)柜為“背靠背、面對(duì)面”的擺放方式，以形成冷、熱通道，與不采用冷熱通道機(jī)柜擺放方式相比，可節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)能耗5%～10%。另外，冷熱通道封閉也是一種有效的節(jié)能降耗手段。

在最新的研究和設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)出現(xiàn)了行級(jí)和機(jī)柜級(jí)制冷方式，行級(jí)空調(diào)通過內(nèi)部風(fēng)機(jī)將封閉通道中的熱空氣輸送到表冷器，實(shí)現(xiàn)冷卻降溫，服務(wù)器機(jī)柜根據(jù)自身需求將低溫冷空氣吸入，通過服務(wù)器的風(fēng)扇將熱空氣排至熱通道中，行級(jí)空調(diào)輸送空氣距離更短，效率更高。機(jī)柜級(jí)制冷以冷卻單臺(tái)機(jī)柜為目的，如水冷門和水冷背板及熱管背板等，服務(wù)對(duì)象更加精準(zhǔn)，不受機(jī)柜位置和環(huán)境的影響，效率更高。

液體冷卻系統(tǒng)比風(fēng)冷系統(tǒng)有著更高的效率，可分為間接冷卻和直接冷卻式。間接冷卻也稱冷板式冷卻，由冷板與高密度熱關(guān)鍵元件CPU 直接接觸換熱。直接冷卻式也稱浸沒式，浸沒式服務(wù)器的PUE 甚至可以達(dá)到1.1，目前還沒有到大規(guī)模生產(chǎn)階段。

3 數(shù)據(jù)中心設(shè)置分析

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模分類和使用性質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目的分類應(yīng)為大型數(shù)據(jù)中心中——A 類數(shù)據(jù)中心（電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大經(jīng)濟(jì)損失或造成公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂）——B 級(jí)數(shù)據(jù)中心（基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)按冗余要求配置，在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間，基礎(chǔ)設(shè)施在冗余能力范圍內(nèi)，不應(yīng)因設(shè)備故障而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷）。根據(jù)TIA942 對(duì)數(shù)據(jù)中心的分級(jí)將本數(shù)據(jù)中心分為1 級(jí)（無冗余）。可以看出本數(shù)據(jù)中心的重要程度與冗余量不匹配。

根據(jù)冷熱通道布置原則，數(shù)據(jù)中心的布置方式是合理的，包括地板送風(fēng)方式也有利于為機(jī)架服務(wù)器降溫。但是，由容器原理得出，通道寬度越小制冷效果越好，但數(shù)據(jù)中心的冷通道過大部分設(shè)置為1800 mm 甚至2400 mm 寬，導(dǎo)致大量冷風(fēng)通過其他區(qū)域流向熱通道，根據(jù)混合原理，冷熱風(fēng)混合后必然會(huì)導(dǎo)致空調(diào)功耗增加和制冷效果變差。

在項(xiàng)目的溫度測(cè)試中，運(yùn)調(diào)機(jī)房的高密機(jī)架較多，現(xiàn)有的解決辦法為集中負(fù)荷在數(shù)據(jù)機(jī)房的一側(cè)，同時(shí)在這一側(cè)增加空調(diào)設(shè)備，集中為本區(qū)域的高密機(jī)架供冷。另外還有一種解決辦法是將發(fā)熱功率高的機(jī)架分散布置，將高功率機(jī)架中的設(shè)備分散到多個(gè)機(jī)架中以降低機(jī)架功率密度，或者將高功率機(jī)架分散到低功率機(jī)架列中。

機(jī)架發(fā)熱量與空調(diào)制冷效果決定機(jī)架間距，見式（1）和式（2）。

式中 Q1——單個(gè)機(jī)架所需的冷風(fēng)量，kg/h

P——機(jī)架的功率，W

CP——空氣的比定壓熱容，J/（kg·℃）

Δt——機(jī)架進(jìn)出口溫差，℃

式中 Q2——活動(dòng)地板下送風(fēng)量，m3/s

a——機(jī)柜間距，即冷通道長(zhǎng)度，m

b——機(jī)架長(zhǎng)度，即冷通道寬度，m

v——活動(dòng)地板下送風(fēng)出口風(fēng)速，m/s

η——活動(dòng)地板開孔率，%

以4 kW 機(jī)架為例，活動(dòng)地板開孔率60%，活動(dòng)地板下送風(fēng)出風(fēng)口風(fēng)速5 m/s，根據(jù)容器原理，1 kW 發(fā)熱功率在進(jìn)出口溫差為11 ℃時(shí)所需風(fēng)量為270 m3/h，由公式計(jì)算4 kW 機(jī)架所需風(fēng)量為1080 m3/h（0.3 m3/s），令Q1=Q2，得出冷通道寬度需要1 m左右，而實(shí)際機(jī)房?jī)?nèi)通道寬度一般為1 m，可以看出本數(shù)據(jù)機(jī)房的機(jī)架適合放置4 kW 機(jī)架。

在測(cè)試過程中，還通過分析機(jī)架與數(shù)據(jù)機(jī)房柱網(wǎng)的關(guān)系、機(jī)架布置與氣消保護(hù)區(qū)大小的關(guān)系、機(jī)架布置與結(jié)構(gòu)柱截面尺寸的關(guān)系、機(jī)架布置與配套設(shè)備用房的比例關(guān)系、機(jī)房利用率與機(jī)房進(jìn)深的關(guān)系、機(jī)房平面布局與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，得出的結(jié)論均為基本合理。

4 機(jī)房專用空調(diào)性能分析

根據(jù)目前市場(chǎng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)及使用情況，較為常用的數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)分冷水型空調(diào)系統(tǒng)及直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)，其中直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)散熱介質(zhì)的不同分為水冷式和風(fēng)冷式。

4.1 概況

（1）客服數(shù)據(jù)機(jī)房。機(jī)房面積333 m2，其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)柜10臺(tái)，服務(wù)器機(jī)柜28 臺(tái)，弱電列頭柜10 臺(tái)，強(qiáng)電列頭柜7 臺(tái)，備用服務(wù)器機(jī)柜49 臺(tái)，發(fā)熱量共計(jì)318 kW。客服專用空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)共有8 臺(tái)精密空調(diào)，均為雙壓縮機(jī)系統(tǒng)，型號(hào)Q29，工作時(shí)間：24 h，送風(fēng)溫度：23±1 ℃，送風(fēng)濕度：40%～55%，風(fēng)量：192 000 m3/h，氣流組織為地板送風(fēng)，上回風(fēng)，地板風(fēng)速：4.48 m/s，架空高度：790 mm，并敷設(shè)20 mm 厚度鋁箔閉泡橡塑保溫板。

（2）運(yùn)調(diào)數(shù)據(jù)機(jī)房。機(jī)房面積417 m2，其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)柜20臺(tái)，服務(wù)器機(jī)柜94 臺(tái)，弱電列頭柜11 臺(tái)，強(qiáng)電列頭柜7 臺(tái)，發(fā)熱量共計(jì)272 kW，運(yùn)調(diào)專用空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)共有9 臺(tái)精密空調(diào)，均為雙壓縮機(jī)系統(tǒng)，型號(hào)Q29。

（3）客票數(shù)據(jù)機(jī)房。機(jī)房面積207 m2，其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)柜14臺(tái)，服務(wù)器機(jī)柜39 臺(tái)，弱電列頭柜4 臺(tái)，強(qiáng)電列頭柜5 臺(tái)。發(fā)熱量共計(jì)115 kW，客票專用空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)共有8 臺(tái)精密空調(diào)，均為雙壓縮機(jī)系統(tǒng)，型號(hào)Q25。

（4）備用數(shù)據(jù)機(jī)房。機(jī)房面積108 m2，其中服務(wù)器機(jī)柜27臺(tái)，弱電列頭柜6 臺(tái)，強(qiáng)電列頭柜3 臺(tái)。發(fā)熱量共計(jì)95 kW，備用專用空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)共有4 臺(tái)精密空調(diào)，均為雙壓縮機(jī)系統(tǒng)，型號(hào)Q14。

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理及方法

測(cè)試原理為數(shù)據(jù)機(jī)房各位置的溫濕度、風(fēng)速均不相同。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑闄z測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)溫度分布情況和空氣流動(dòng)情況，為機(jī)房的運(yùn)行維護(hù)和升級(jí)改造提供可靠參數(shù)。

（1）本項(xiàng)目通過FLUCK 手持設(shè)備（熱成像儀、風(fēng)速儀、溫濕度測(cè)試儀）進(jìn)行溫度、濕度、風(fēng)速的測(cè)試。

（2）熱成像儀測(cè)試點(diǎn)位為4 個(gè)機(jī)房的全部冷熱通道共計(jì)28 個(gè)。

（3）溫濕度測(cè)試點(diǎn)位為4 個(gè)機(jī)房的全部冷熱通道共計(jì)28個(gè)，每個(gè)通道測(cè)試8～11 個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位均測(cè)試3 個(gè)高度（0 m、1 m、2 m），共計(jì)測(cè)試840 個(gè)點(diǎn)位。

（4）風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)位為4 個(gè)機(jī)房的全部冷通道共計(jì)12 個(gè)，每個(gè)通道測(cè)試8～11 個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位均測(cè)試3 個(gè)高度（0 m、1 m、2 m），共計(jì)測(cè)試360 個(gè)點(diǎn)位。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

分析測(cè)試結(jié)果，得出數(shù)據(jù)機(jī)房地板送風(fēng)溫度分布的情況及特點(diǎn)：①離地板越近溫度越低；②通道兩側(cè)溫度低，中間溫度高；③2 點(diǎn)位溫度與3 點(diǎn)位的差值較2 點(diǎn)位與1 點(diǎn)位的差值小；④通道末端一般為通道溫度極小值點(diǎn)，此點(diǎn)離空調(diào)機(jī)房最近；⑤機(jī)架上方溫度最高，有溫度超高報(bào)警的危險(xiǎn)，此點(diǎn)有熱空氣混合；⑥客票機(jī)房溫度最高，備用機(jī)房溫度最低；⑦運(yùn)調(diào)機(jī)房溫差大制冷效果好，備用機(jī)房溫差小制冷效果差。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心年總耗電量是維持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的所有耗電量，即IT 設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)和其他設(shè)施的耗電量總合。我國(guó)的PUE 平均值為2～2.5，美國(guó)的數(shù)據(jù)中心PUE 為1.9，我國(guó)數(shù)據(jù)中心PUE 水平低下造成了高功耗，不僅增加了成本，也造成了社會(huì)能源的巨大浪費(fèi)。可以看出，空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的1/3，僅次于服務(wù)器設(shè)備的能耗，是影響數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的重要成分之一。