數據中心空調末端送風形式對空調能效影響的分析

張春朋 岳 晨 楊曉平

1.中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司；2.南京航空航天大學；3.中數智慧（北京）信息技術研究院

0 引言

對于數據中心而言，空調系統是為降低服務器CPU溫度的必配系統，若空調系統供冷中斷，則數據機房送風溫度將急劇升高，造成服務器高溫宕機，影響業務安全。除此之外，根據Uptime報告，全球大型數據中心年均PUE為1.59，暖通能耗占比為30%。因此，空調系統能耗是制約數據中心PUE值的關鍵因素。

常見的數據中心服務器CPU冷卻形式多為風冷形式，風冷服務器的優點是散熱器與基板（CPU）的裝配具有標準化特征，雖然散熱器的種類和形式各異，但在組裝方法上基本可以做到標準化和規范化，有利于大規模生產。因此，為風冷服務器供冷的機房空調對數據中心能耗的影響逐漸受到重視。

1 水冷空調末端布置形式

常見的水冷空調末端布置形式主要有：房間級地板下送風、行列間冷/熱通道封閉、熱管背板空調。對于風冷型服務器而言，不同的空調末端布置形式不僅影響了服務器的散熱效果，也對空調能效產生了較大影響。

1.1 房間級地板下送風空調

部分數據中心使用房間級地板下送風空調，房間級地板下送風空調一般集中布置在空調間內，通過架空地板形成靜壓箱，冷空氣通過架空地板上吹后，經過服務器將CPU降溫后回到空調回風口。

房間級下送風空調因輸送距離較長，且在輸送風路上個點靜壓不同，呈先小后大再小的形勢（如圖1所示），因此容易造成機房局部熱點的產生。因此，在使用過程中常將房間級空調的風機轉速調大，溫度調低，減少局部熱點的產生，往往造成能耗浪費。

圖1 地板下靜壓分布示意圖

房間級地板下送風空調氣流組織受架空地板高度影響。未做封閉冷熱通道的回風會造成冷熱風混合，影響機房氣流組織。因此，對于房間級地板下送風空調而言，在規劃建設階段，建議地板高度不低于600mm，且送風口應選擇為可調地板，在后期機房投運后可根據實際機柜負載情況調整地板開度進行送風量調整，保證各點送風均勻。

1.2 冷通道封閉列間空調

新建的數據機房大多采用行列間空調冷通道封閉的形式。與房間級下送風空調相比，采用行列間空調冷通道封閉的形式可以使冷量更加集中，氣流組織更加均勻，從而獲得較高的空調能效比。

對于行列間空調，機柜的布局方式對氣流組織有較大影響，近年也有很多專家通過CFD模擬對機柜的布置形式對氣流組織的影響做了研究。如邱玉英等對比了列間空調冷通道未封閉和冷通道封閉的氣流組織，發現冷通道封閉后氣流組織更均勻，冷通道溫度相對于未封閉前有所下降。除列間空調的布置形式對氣流組織有所影響外，在空調投運后，空調設備本身的設置參數也極大影響了機房的空調能耗和機房故障，經對機房封閉冷通道列間空調參數調整前后對比發現，有效的參數調整可以使冷通道氣流組織更加均勻，大幅度降低機房故障率，并且有效降低空調能耗。因此在建設期應合理選取列間空調類型，選擇可具備送回風溫度分開設立功能的列間空調，并且在設計階段應采用CFD模擬等手段合理布置列間空調位置，使機房氣流組織更加均勻，便于后期運維階段進行節能參數調整。

1.3 熱管背板空調

熱管背板空調是一種機柜級的冷卻方案，利用熱管高密度換熱的原理，將熱管蒸發器安裝在機柜排風側，熱管背板蒸發器的冷媒吸收機柜內IT設備散發的熱量；冷媒吸熱后氣化，氣化的冷媒依靠壓差經連接管路流向室外熱管中間換熱器；冷媒蒸氣在熱管中間換熱器內被來自冷源系統的冷媒冷卻，由氣態冷凝為液態；液態制冷劑借助重力回流至室內末端中的熱管換熱器中，完成冷量輸送循環。

熱管背板空調安裝于每臺機架的排風側，根據機房實際需求實現機柜按需供冷，因此單機柜功率量大，機房內無局部熱點，空間利用率高，節能效果顯著。但其初始投資較大，空調設備需根據機柜尺寸定制。但是，對于多臺并聯的重力式熱管背板空調，在規劃建設過程中應注意機柜并聯數量不宜過多，否則在后期機柜負載率較高時，可能會導致制冷劑分配不均，造成布局熱點的產生。

2 風冷服務器機房空調能效對比分析

通過采集數據中心地板下送風空調、列間空調（冷通道封閉）及熱管背板空調機房IT設備運行耗電量及機房空調運行耗電量對比發現，地板下送風空調平均COP（COP=機房IT設備耗電量/空調末端耗電量）最低，為9.36。列間空調（冷通道封閉）平均COP為31.84，熱管背板空調平均COP最高，為33.29。風冷服務器機房空調能效分析表見表1。

表1 風機服務器機房空調運行能效表

空調形式 機房編號 3月IT設備總電量/kWh 3月機房空調總電量/kWh機房IT設備負載率/%末端COP=IT設備耗電量/空調末端耗電量列間空調（冷通道封閉）4-4 428744.97 12537.95 47% 34.2 4-2 327977.86 9872.42 34% 33.22 4-1 505599.31 16128.27 53% 31.35 4-3 511726.62 17890.10 53% 28.6熱管背板s4-3 410335.34 10723.40 28% 38.27 s2-3 554152.14 15570.74 38% 35.59 s2-4 493253.54 15460.90 34% 31.9 s4-4 441201.38 16110.20 30% 27.39

2.1 地板下送風空調能效分析

以南京移動及江蘇廣電某數據中心房間級空調地板下送風無冷熱通道封閉的機房為測試對象，在空調控制參數為回風22℃時，對包間IT設備運行耗電量及空調末端耗電量數據進行一個月的采集，對測試數據進行計算發現此種機房送風模式空調末端平均COP僅為9.36。機房布置示意圖見圖2，測試數據見表1。究其原因是房間級空調送風距離過長，且冷熱空氣因無封閉通道隔離產生混流現象。因此，為避免機房冷通道局部熱點的產生，房間級空調風機轉速會設置偏大，機房溫度設置相對較低。而對于水冷空調末端而言，空調末端的耗能主要集中在空調風機。因此，較高的EC風機轉速導致了空調末端能耗的增大，從而降低了地板下送風空調的能效。

圖2 江蘇廣電某數據中心水冷房間級地板下送風空調機房布置示意圖

2.2 冷通道封閉列間空調能效分析

對南京移動某數據中心B棟機房樓冷通道封閉水冷列間空調機房IT設備運行耗電量及空調末端耗電量數據進行一個月的采集，該數據機樓列間空調采用交叉布置，機房列間空調風機控制為送風溫度25℃，水閥控制為送風溫度20℃，機房布置示意圖見圖3。經統計發現該冷通道封閉空調平均COP為31.84。相對于地板下送風的房間級空調而言，冷通道封閉的列間空調形式冷量更加集中，輸風距離更短，因此能效更高。但列間空調機房氣流組織受空調布置形式、機柜上架率、盲板封堵情況等因素影響，若設置不合理將產生微模塊氣流組織雜亂、冷熱通道串流等問題，從而造成部分能源的浪費。如列間空調呈對角形式分布相對與空調對立布置氣流組織更雜亂。又如在機柜上架率較高時，冷通道壓力可能會低于熱通道壓力，造成熱通道內高溫空氣經過服務器間縫隙反吹至冷通道造成冷通道局部熱點，從而導致維護人員需增大空調送風量，保證冷通道正壓，造成空調能耗增大，導致能源浪費。因此，在建設規劃階段應合理布置列間空調位置，并配置相應數量的機柜盲板，避免后期運行過程中因局部熱點問題導致的能源浪費。

圖3 南京移動某數據中心列間空調機房布置示意圖

2.3 熱管背板空調能效分析

對蘇州移動某數據中心熱管背板空調機房IT設備運行耗電量及空調末端耗電量數據進行一個月的采集，該數據空調末端布置示意圖見圖4，經計算熱管背板空調平均COP為33.29。經現場數據采集，部分背板空調設置出風溫度為24度，實際出風溫度為18度，即在熱管背板風機最低轉速下（最低轉速為20%），冷量供給遠大于機房需冷量，這也是在低負載狀態下熱管背板空調僅略高于列間空調的原因。因此，對未上架的機柜背板空調可暫時關閉，降低空調運行能耗。熱管背板空調相對與列間空調而言，與機柜一一對應，熱空氣直接經過熱管盤后被降溫，供冷效率最高，幾乎沒有局部熱點，也無需考慮熱空氣串流問題。熱管背板在建設規劃階段，應注意背板空調并聯臺數，若并聯數量過多，在機柜高負載情況下，可能會因制冷劑蒸發量差異、沿程阻力、局部阻力等因素的影響，造成制冷劑分配不均，導致局部熱點產生。

圖4 蘇州移動某數據中心熱管背板空調機房布置示意圖

3 結束語

以一個IT運行功率600kW的機房包間為例，根據公式“空調末端年用電量=IT功率×（1/COP）×365d×24h”，得出房間級空調年用電量56.15萬kWh，列間空調冷通道封閉和熱管背板空調用電量分別為16.51萬kWh、15.79萬kWh，列間空調冷通道封閉耗電量僅是房間級空調地板下送風耗電量的29.4%；低、中負載階段，列間空調能效接近熱管背板空調。建議在新建數據中心優先采用列間空調冷/熱通道封閉或熱管背板的空調末端供冷形式；對于列間空調，建議優先采用空調對立布置的形式，有利于冷通道氣流組織的均勻分布，給運維階段的空調參數調整提供更大的可操作空間。另外，為降低數據中心整體能耗，不僅要注重空調系統本身能耗，還需要關注空調末端送風情況對IT設備運行功率的影響，以期獲得二者之間的最優值，從而實現數據中心整體節能。