大型數據中心機房回風百葉角度對機房環境及制冷設備能耗影響實例

劉 屹

（中國電信股份有限公司云計算貴州分公司，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著數據中心大規模的發展以及GB-50174 2017《數據中心設計規范》的廣泛推行，數據機房中IT機柜與空調末端已全面實現物理隔離，空調末端回風大多通過數據機房回風百葉與數據機房進行熱交換和傳遞。在“碳中和”和“碳達峰”的時代背景下，開展節能降耗工作已成為數據中心發展的重要一環。本文依據大型數據中心數據機房回風百葉的安裝角度，初步摸索出了適應于數據中心機房制冷設備能耗和機房環境的策略關系。

1 數據中心機房及設備簡介

1.1 數據中心機房介紹

該數據中心位于我國西部高原地區，氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風氣候區。機樓制冷采用水冷系統，機房采用封閉冷通道布置[1]。機房與空調區設立隔墻，空調回風墻設置85系列鋁合金單層百葉回風口，回風百葉寬1 500 mm，長為20 200 mm。機房對應末端空調靠墻呈縱向布置，如圖1所示。

圖1 數據機房回風百葉安裝角度

1.2 數據中心機房制冷設備介紹

此數據機房共設置六臺水冷型末端空調，單臺制冷量為150 kW，冷凍水進出水溫度為10/16 ℃，送風狀態時為18℃/70%RH、回風狀態時為28 ℃/40% RH、回風速度2.5 m/s，額定風量24 600 m3/h（單臺風機，每臺末端共3臺風機）。空調末端采用地板下送風方式，空調末端為送風控制，送風設定溫度為21℃[2]。

2 問題的發現

本數據機樓為新建交付機樓，經過一段時間試運行后，發現該數據機房動環溫度告警工單數較多。經觀察，未發現空調末端參數設置有誤或設備故障類問題。為了找到問題原因，選取另一個運行約3年同時數據機房結構布置相似的機樓進行機房對比實驗。將舊樓機房稱為A機房，新建機房稱為B機房。其中A機房，B機房結構分別如圖2、圖3所示。

圖2 A數據機房結構示意圖

圖3 B數據機房結構示意圖

為避免天氣環境的影響，特選取同一時間段內的運行數據進行記錄，得到表1。

通過表1數據可以看到，B機房在IT負載比A機房略低的情況下，同樣空調末端運行參數情況下，空調末端電耗約高出17%，同時平均封閉冷通道溫度波動較大，封閉冷通道內溫度偏高。

表1 A、B數據機房運行數據記錄表

與此同時，我們通過現場測試還發現，將數據機房封閉冷通道內地板調整開度為100%時，A數據機房封閉冷通道內呈正壓，約為20～25Pa；而同樣測試環境下，B數據機房封閉冷通道內壓力呈微正壓，約為3～7Pa，偶爾出現微負壓狀態。

3 問題的解決

3.1 數據機房壓差問題的解決

通過圖2，圖3可知，兩個數據機房在建筑結構上有較明顯的差異。其中，B數據機房中IT機柜與空調末端回風區域安裝了大面積的可調回風百葉。且該數據機房的可調回風百葉安裝密度較大，安裝角度不大于40°[3]。

針對兩個數據機房的結構特點，進行一項風壓測試，即測量數據機房空調回風區回風百葉不同開度下，數據機房與該機房空調末端回風區域壓差，測試結果如圖4所示。

圖4 回風百葉安裝角度與數據機房壓差關系

從圖4可知，數據機房與空調末端回風區域間的壓差與空調回風百葉的開度幾乎呈線性關系，在回風百葉開度大于70°后，回風百葉的開度對數據機房與空調末端回風區域間的壓差影響較小，不大于2 kPa，可忽略不計。

3.2 數據機房空調末端能耗及機房環境溫度問題的解決

由于圖4中已得到明顯結論，數據機房與空調末端回風區域間的壓差與空調回風百葉的開度有關，而數據機房與空調末端回風區域間的壓差又綜合反映了數據機房風量、風壓、甚至是數據機房環境溫度多種因素影響作用。為驗證這其中的關系，進行了現場測試。

測試內容為記錄IT負載約550 kW條件下，不同空調末端回風百葉角度時，24小時運行時間段，空調末端設備總能耗，數據機房封閉冷通道平均溫度以及數據機房封閉冷通道出風壓力，得到圖5。

圖5 回風百葉角度與末端電耗及機房環境溫度關系圖

數據機房中空調末端通過下送風方式將冷風送入封閉冷通道內，通過冷風進行熱交換。當數據機房與空調末端回風區域中壓差過大時，導致空調末端的進風量不足，出風溫度較高，為維持設定的末端空調出風溫度，末端空調的風機轉速上升，加大出風風量，末端空調電耗上升[4]。當數據機房回風百葉開度在70°以上時，環比空調末端電耗下降約27%，電耗消耗降低較明顯。

由于數據機房封閉冷通道內風量相對較少，數據機房內可調靜電地板維持一定時，封閉冷通道內的風的正壓相應也會較低。從圖5可以看到，當數據機房回風百葉開度在70°以上時，數據機房內封閉冷通道的壓力從約2 Pa提升到了19 Pa左右，出風風壓明顯提升。

與此同時，數據機房封閉冷通道風量較少，風壓較低，在一定IT負載情況時，封閉冷通道內的熱量不能快速交換，封閉冷通道內的平均溫度也相應較高[5]。

當數據機房回風百葉開度在70 °以上時，數據機房封閉冷通道內平均溫度維持在22 ℃左右，比調整前的23.7 ℃降低約2 ℃。

4 問題的引申

根據面積公式，四邊形面積=長×高（寬），而數據機房回風百葉長度一定情況下，設高度=葉片寬度× cos（α），單片回風百葉擋風面積=長×葉片寬度×cos（α），即單片回風百葉擋風率與回風百葉安裝角度有關。

數據機房內有效擋風面積為各單片回風百葉有效擋風面積之和。也即是回風百葉角度越小，擋風率越高，透風率越小；回風百葉安裝角度越大，擋風率越小，透風率越大；回風百葉安裝角度與數據機房回風透風率呈正比。

5 結 論

本文根據某大型數據中心數據機房中暖通基礎專業中回風百葉的安裝問題，初步摸索由于回風百葉安裝問題帶來的制冷設備電耗、數據機房環境溫度等問題。數據中心作為云網深度融合的基礎設施，大型化、規模化發展已成為行業趨勢。而數據中心運營中的能耗成本幾乎占到了整個運營成本的85%及以上。降低數據中心尤其是大型數據中心的能耗，創造更低更優的PUE指標，實現更現代更綠色的數據中心，節能降耗，降本增效的道路仍然任重而道遠。