上海某公司數據中心節能改良方案討論

劉 聰

(上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 201306)

隨著我國信息產業的發展，數字化程度日益提高，數據中心作為數字經濟的重要保障，其規模不斷擴大，隨之也帶來了巨大的能源消耗，2019年，我國數據中心耗電量占社會耗電量2.2%，超1 500億kW·h，成為典型的耗電大戶，同時在運營的數據中心面臨電費快速增長、利潤壓力大的形勢。

針對這一問題，國家全面部署數據中心的節能工作，將節能減排的要求逐漸納入運營商各級公司考核關鍵指標(KPI)，利用節能改造手段達到節能減排目標成為當前從事數據中心運維工作者的研究方向之一。制冷系統能耗在數據中心整體能耗架構中所占的比重達到40%[1]，制冷系統的節能改良工作對于降低數據中心整體耗電量將具有很大幫助。

上海某公司針對所屬早期建設的數據中心出現的能耗高，效率低的問題，自2019年起對運行中的數個老舊數據中心進行節能改造施工，采取了對老舊定頻風冷空調改造和氣流組織優化的兩種手段實現IDC的節能運行，其中在老舊定頻空調項目中，分別對3個試點機房采取了增裝節能控制柜、氟泵改造節能施工方案，實踐表明：兩種方案均獲得了不同程度的節能效果。因此，筆者將立足于IDC產業發展方向，分析現有的IDC的能耗水平，通過對上海某公司IDC老舊定頻風冷空調的節能改造項目持續跟蹤，研究各種改造方式的工作原理和在實施后所達到的節能效果，并對實際運行暴露出的問題進行討論，提出一系列的優化方案；針對該公司內存在熱環境問題的機房進行研究，利用CFD模擬的方式，提出優化建議，消除局部熱點和局部冷區，提高服務器運行安全性和減少冷量浪費，做到安全運行和節能高效。

1 節能改造方案

1.1 風冷制冷設備改造

風冷型制冷設備因為結構簡單、初期投入低、可靠性高的原因被中小型數據中心廣泛使用。風冷型制冷設備由室內機、室外機和連接氟管組成，室內機由壓縮機、膨脹閥和蒸發器組成，室外機利用冷凝設備進行散熱，利用氟管可以實現冷量輸送和氣流傳輸。風冷空調整體能效相對較低，而且由于廣泛使用的原因，所以能耗巨大，是節能減排的最佳目標，當前風冷空調節能改造工作主要通過降低壓縮機的使用時間和減少壓縮機工作能耗兩種方式達到節能目的。

1.2 風冷空調改造

1.2.1 氟泵改造。 氟泵空調通常利用“雙冷源”即壓縮機制冷和自然冷源實現純壓縮機制冷工作模式、壓縮機-氟泵工作模式、純氟泵工作模式。3種工作模式轉換受到室外溫度、冷凝壓力影響，正常情況下轉換溫度如下：①壓縮機模式適用于氣溫高于25℃。 ②壓縮機-氟泵工作模式適用于氣溫5℃～25℃。 ③純氟泵工作模式適用于低于5℃。

由于氟泵功耗遠小于壓縮機功耗，所以利用氟泵減少壓縮機使用可以有效降低制冷系統整體能耗。氟泵改造利用旁通壓縮機的方式，減少壓縮機使用時間，降低壓縮機能耗，氟泵工作原理圖(如圖1所示)。在過渡季節適用壓縮機-氟泵工作模式，此時氟泵主要增加冷凝器出口壓力，降低壓縮機工作能耗，壓縮機-氟泵工作模式若采用變頻空調可以更好達到節能效果；在氣溫較低的冬季，關停壓縮機，利用氟泵系統可以驅動冷媒流通，制冷系統此時作為一套冷熱交換的熱管設備。在實際運行中，壓縮機-氟泵工作模式相比較純壓縮機工作可以降低能耗20%，而純氟泵模式的節能效率高達60%。

圖1 氟泵原理

1.2.2 變頻改造。 定頻空調因為結構簡單、投入低、安全性高的原因在早期數據中心中廣泛使用，但是可能存在冷熱不匹配的問題造成冷量浪費。對定頻空調的變頻改造，可以根據機房的負載熱量調整冷媒流量，降低冷量浪費，從而降低制冷系統能耗。在上海某機房改造項目中，采用安裝節能控制柜的方式，通過對比設定溫度和室內溫度，自動調節冷媒流動，使冷熱匹配，在定頻改變頻項目中空調耗電量降低17%。

1.3 氣流組織優化

氣流組織優化是改善熱環境的重要手段，研究表明不合理的氣流組織不但會造成冷量的浪費，而且會增加機房能耗[2]。利用氣流組織優化的方式可以減少機房冷熱摻雜情況，提高冷量利用率，消除局部熱點和機房存在的運營風險，達到節能減排的目標[3]，氣流組織改造原則是不對機房進行結構性改造，保證優化過程中機房正常運行[4]。

1.4 氣流組織模擬校驗

氣流組織改造項目利用CFD軟件對機房進行模擬仿真，模擬仿真前需要對仿真的結果和實際對照，確保準確性，才能達到“對癥下藥”的目的，通常利用實際和仿真地板上溫度場校驗、地板底部出風量對比的兩種方式判斷模擬仿真的準確性。

1.4.1 溫度場校驗。利用移動環境測量平臺，獲取機房內不同位置不同高度的溫度數據，通過這種方式可以獲得精確地溫度數據得到實測云圖，對比CFD軟件得到的模擬溫度云圖，如果兩者冷熱分布相似，便可確認本次模擬有效。

1.4.2 地板底部出風量對比。利用地板底部出風量實測和模擬對比可以驗證氣流仿真的準確性，若模擬值和實測值誤差保證在10%以內，則證明機房地板下模擬的有效性。

1.5 機房存在問題及改造方案

通過對數據中心的勘察和模擬仿真，發現老舊數據中心普遍存在負載和出風量不匹配、部分機柜存在反裝設備造成局部熱點、冷風量利用率低說明空調使用亟須優化的問題，通常根據整改經驗采取以下整改方案：①針對地板下氣流存在湍流以及部分區域有負壓倒吸風的問題，通常采用安裝導流條和調整地板開孔率的方案。導流條可以有效解決地板下氣流不暢的問題，將冷空氣更有效地送到指定區域，消除因為因地板下靜壓不穩而導致的負壓倒吸風和湍流問題。 ②反裝設備是實際進出風方向與機柜冷熱側方向相反，這種現象不但會對機柜氣流組織節能十分不利也會導致設備自身壽命降低和出現安全性問題。針對部分區域存在反裝設備的問題，通常采取對該區域進行不完全冷氣流封閉的方案。調整設備的安裝是反裝設備問題最有效地改善手段，但是改變安裝方向需要尋求客戶的支持，在無法調整方向的前提下，可以采用允許部分冷空氣進入熱側幫助反裝設備降溫的方式，也就是對存在反裝設備的區域進行不完全冷氣流封閉。這種方案雖然可以保障設備的安全運行，但是增加空調能耗，不利于冷熱氣流隔離，導致節能效果變差。③針對冷風利用率低的問題，在進行開孔地板調整和安裝倒流裝置后，在保證設備符合GB-50174要求的前提下適量關閉空調。

1.6 優化結果及項目案例

經過改造方案的實施，消除入口溫度過低和過熱的現象，滿足IT設備溫度需要在18 ℃～27 ℃溫度范圍內運行的要求。通過對比優化前后RCI(計算機架冷卻指數)和ASE數值(冷風利用率)的方法，得出該數據中心經過以上方案改造后熱環境改善情況，從而驗證本次施工方案的有效性。

1.6.1 RCI計算公式。

(1)

(2)

式中：Tx—IT設備入口溫度；

Tmax-rec—最高建議溫度(25℃)；

Tmax-all—最高允許溫度(27℃)；

N— 實測入口數目；

Tmin-rec—最低建議溫度(20℃)；

Tmin-all—最低允許溫度(18℃)。

按照當前通用標準，當計算數值大于96%為良好，數值在91%～95%之間時可以接受，小于90%時為差。

1.6.2 ASE的計算。

(3)

式中：Vrack-in—IT設備需求風量；

Vacu-supply— 總循環風量。

通過對上海某數據中心的勘察和模擬仿真，發現該機房存在負載和出風量不匹配，地板下氣流存在湍流以及部分區域有負壓倒吸風的問題，提出利用安裝導流條和調整地板開孔率的方案；針對部分區域存在反裝設備的問題，提出了對該區域進行不完全冷氣流封閉的方案；針對冷風利用率低的問題，在進行開孔地板調整和安裝倒流裝置后提出適量關閉空調的方案；針對冷量利用率低的問題，提出適當關停空調地方案。仿真結果表明，以上措施的實施，有利于該數據中心熱環境的改善，也有助于機房節能，在上海某數據中心的氣流改造項目中，經過改造后可以達到20%左右的節能效果。

2 結束語

通過對3種方案的介紹，發現3種方案可以一定程度解決機房高功耗的問題，其中定頻空調轉變頻空調可以通過控制冷媒流量的方式，調整制冷量，提高機房冷熱匹配度；氟泵改造通過旁通壓縮機的方式，減少壓縮機的使用時間，降低壓縮機功耗，達到節能目的；利用氣流組織優化，可以提高冷風利用率，消除局部熱區，提高機房能效和安全性。在改造前需要考慮機房的實際情況和改造成本投入選擇合適的改造方案，盡量降低回收周期，定頻改變頻方式，節能收益受到改造前機房制冷冗余量的影響，改造前需要計算機房冷量情況；氟泵改造初期投入較大，需要盡可能延長出氟泵的工作時間，在改造前需要考慮全年溫度情況和機房負載情況。