數(shù)據(jù)中心冷熱通道設(shè)計對能效的影響及優(yōu)化研究

摘要：從技術(shù)角度探討了數(shù)據(jù)中心冷、熱通道設(shè)計對能效的影響，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。通過對某數(shù)據(jù)中心的實際案例研究，詳細(xì)闡述了冷、熱通道的設(shè)計原則、實施過程和優(yōu)化措施。研究結(jié)果表明，合理的冷、熱通道設(shè)計可以顯著提升數(shù)據(jù)中心的能源利用效率，降低運營成本。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)中心PUE值從原來的2.1降低到了1.5，節(jié)能效果顯著，值得在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心""冷熱通道""能效""優(yōu)化設(shè)計""節(jié)能

The"Impact"and"Optimization"of"Data"Center"Cold"and"Hot"Aisle"Design"on"Energy"Efficiency

HUO"Yi

Guangdong"Co.，"Ltd.，"China"Mobile"Communications"Group"Co.，"Ltd."Guangzhou，"Guangdong"Province，"510245"China

Abstract："This"article"explores"the"impact"of"data"center"cold"and"hot"aisle"design"on"energy"efficiency"from"a"technical"perspective，"and"proposes"corresponding"optimization"scheme."Through"a"practical"case"study"of"a"data"center，"the"design"principles，"implementation"process，"and"optimization"measures"of"the"cold"and"hot"aisle"were"elaborated"in"detail."The"research"results"indicate"that"a"reasonable"design"of"cold"and"hot"aisle"can"significantly"improve"the"energy"utilization"efficiency"of"data"centers"and"reduce"operating"costs."The"optimized"PUE"value"of"the"data"center"has"been"reduced"from"2.1"to"1.5，"with"significant"energy-saving"effects，"which"is"worth"promoting"and"applying"in"the"industry.

Key"Words："Data"center;"Cold"and"hot"aisle;"Energy"efficiency;"Optimization"design;"Energy"conservation

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為支撐信息系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)設(shè)施，其能耗問題日益突出。如何通過優(yōu)化數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計來提升能源利用效率，降低電能使用效率（Power"Usage"Efficiency，PUE）值，已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。通過實施冷熱通道隔離、氣流組織優(yōu)化、溫控策略升級、運維管理加強等一系列措施，數(shù)據(jù)中心的能源利用效率得到了顯著提升，節(jié)能減排效果顯著。本文將針對數(shù)據(jù)中心冷熱通道的設(shè)計與優(yōu)化展開深入研究和案例分析。通過在項目過程中實施先進(jìn)的熱管理技術(shù)、精細(xì)化的能耗監(jiān)測體系、規(guī)范化的能效管理流程等，為數(shù)據(jù)中心能效提升提供了有力支撐，值得在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

1"數(shù)據(jù)中心能效問題概述

數(shù)據(jù)中心是信息時代的重要基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著海量數(shù)據(jù)的存儲、處理和傳輸任務(wù)。但是，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其能耗問題日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計，全球數(shù)據(jù)中心的耗電量已占全球總用電量的2%左右，并呈逐年上升趨勢。高昂的能源成本不僅增加了數(shù)據(jù)中心的運營負(fù)擔(dān)，也對環(huán)境造成了巨大壓力。因此，如何提升數(shù)據(jù)中心的能源利用效率已成為業(yè)界亟需解決的關(guān)鍵課題。

數(shù)據(jù)中心的能耗主要來自"IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等方面。其中，IT設(shè)備的能耗占比最高，達(dá)50%以上；其次是制冷系統(tǒng)，占比30%左右。優(yōu)化IT設(shè)備和制冷系統(tǒng)的能效表現(xiàn)是降低數(shù)據(jù)中心整體能耗的重點[1]。PUE值是評估數(shù)據(jù)中心能效的重要指標(biāo)，它表示數(shù)據(jù)中心總耗電量與IT設(shè)備耗電量之比。PUE值越接近1，表明數(shù)據(jù)中心的能源利用效率越高。當(dāng)前，先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心PUE值一般在1.4以下，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的PUE值往往高于2。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排目標(biāo)，必須從多方面入手，綜合采取優(yōu)化設(shè)計、先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用、運維管理增強等措施，全面提升能源利用水平。

2"冷熱通道設(shè)計原理

冷熱通道是數(shù)據(jù)中心機房布局的一種優(yōu)化設(shè)計，通過對冷氣流和熱氣流進(jìn)行物理隔離，形成分離的冷區(qū)和熱區(qū)，從而避免冷熱氣流的混合和短路，提高制冷效率。在冷熱通道設(shè)計中，服務(wù)器機柜按照前正后負(fù)或前負(fù)后正的布局方式排列，使機柜的冷風(fēng)吸入面朝向同一方向、熱風(fēng)排出面朝向相反方向。冷通道側(cè)安裝了冷風(fēng)墻或冷風(fēng)地板送風(fēng)口，直接向服務(wù)器設(shè)備供應(yīng)冷風(fēng)；熱通道側(cè)設(shè)置回風(fēng)口或熱風(fēng)罩，用于收集設(shè)備排出的熱風(fēng)并送回空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻處理。

合理的冷熱通道設(shè)計需要考慮諸多因素。冷熱通道的尺寸要與機房負(fù)載相匹配，既要滿足設(shè)備散熱需求，又要避免過度制冷而造成能源浪費；要注重冷熱通道的密閉性，盡量減少冷熱氣流的串?dāng)_和旁路，提高冷量利用率；送回風(fēng)系統(tǒng)要實現(xiàn)均衡分配，避免出現(xiàn)局部過冷或過熱現(xiàn)象；還要兼顧機柜布局的靈活性和可擴(kuò)展性，為后期增容和調(diào)整預(yù)留空間[2]。在實際項目中，還需要結(jié)合數(shù)據(jù)中心的具體情況，在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以達(dá)到最佳的能效表現(xiàn)。冷熱通道是數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)，其設(shè)計水平直接影響到整個數(shù)據(jù)中心的能源效率和運營成本。

3"項目案例實踐

3.1"項目背景

本文以某大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的數(shù)據(jù)中心為研究對象。該數(shù)據(jù)中心建筑面積達(dá)8"000"m2，設(shè)計容量為1"500個機柜，日均耗電量超過50"kWh。受傳統(tǒng)設(shè)計理念和規(guī)劃布局的影響，數(shù)據(jù)中心存在諸多能效問題：一是冷熱氣流混合嚴(yán)重，冷量利用率低下；二是局部區(qū)域過冷過熱，溫度分布不均；三是制冷系統(tǒng)效率低，能耗水平居高不下。經(jīng)測算，數(shù)據(jù)中心的PUE值高達(dá)2.1以上，遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平1.7，能耗成本急需降低。為改善數(shù)據(jù)中心能效表現(xiàn)，提升市場競爭力，公司決定對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷熱通道改造，并委托專業(yè)團(tuán)隊進(jìn)行設(shè)計和實施。改造的目標(biāo)是在不影響數(shù)據(jù)中心正常運營的前提下，通過優(yōu)化冷熱通道布局和氣流組織，提高制冷系統(tǒng)效率，進(jìn)而降低能耗成本，將PUE值從2.1降至1.5以下。項目實施周期為3個月，總投資500萬元，改造面積覆蓋整個數(shù)據(jù)中心，涉及1"500個IT機柜、50臺精密空調(diào)和1套冷卻塔系統(tǒng)。

3.2"冷熱通道設(shè)計方案

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的機柜布局和空間條件，設(shè)計團(tuán)隊提出了整排封閉式冷熱通道的改造方案（如圖1所示）。該方案將原有的開放式冷熱通道改造為封閉式，通過在機柜列間安裝擋板和天花板，形成獨立的冷區(qū)和熱區(qū)。冷通道內(nèi)設(shè)置冷風(fēng)地板和送風(fēng)格柵，通過高效制冷系統(tǒng)提供不低于22"℃的冷氣；熱通道內(nèi)設(shè)置回風(fēng)口和熱風(fēng)罩，通過專用通道將熱風(fēng)引至屋頂?shù)睦鋮s塔進(jìn)行散熱；在冷、熱通道兩端安裝快速卷簾門，便于人員進(jìn)出和設(shè)備維護(hù)[3]。

3.3"具體實施過程

冷、熱通道改造項目的實施采用滾動方式，分3個階段進(jìn)行。第一階段，選取數(shù)據(jù)中心的一個區(qū)域進(jìn)行試點改造，面積約1"000"m2，包括200個機柜。根據(jù)設(shè)計方案，施工團(tuán)隊首先進(jìn)行擋板和天花板的安裝，同時進(jìn)行冷風(fēng)地板和送回風(fēng)系統(tǒng)的改造。在試點區(qū)域內(nèi)，還安裝了溫濕度傳感器和紅外攝像頭，用于監(jiān)測冷熱通道的運行狀態(tài)。試點改造完成后，對區(qū)域內(nèi)的溫度場分布進(jìn)行了測試，并對照改造前后的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。第二階段，在總結(jié)試點經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將改造范圍擴(kuò)大到整個數(shù)據(jù)中心，分批次進(jìn)行施工。第三階段，對已完成改造的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，包括調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度、平衡回風(fēng)壓力、清洗過濾網(wǎng)等，確保冷熱通道的制冷效果達(dá)到設(shè)計要求。

3.4"優(yōu)化措施

為進(jìn)一步提高冷熱通道的能效表現(xiàn)，項目團(tuán)隊采取了一系列優(yōu)化措施。一是在冷通道內(nèi)加裝冷風(fēng)誘導(dǎo)板，引導(dǎo)冷風(fēng)直吹入服務(wù)器，減少冷量損失。二是在熱通道側(cè)增設(shè)可調(diào)百葉，根據(jù)設(shè)備負(fù)載情況動態(tài)調(diào)節(jié)回風(fēng)量，避免過度制冷。三是優(yōu)化制冷系統(tǒng)的控制策略，根據(jù)不同區(qū)域的溫度需求，合理設(shè)置送風(fēng)溫度，提高冷量利用率[4]。四是定期對冷熱通道進(jìn)行漏風(fēng)檢測，及時修復(fù)可能存在的泄漏點，保持通道的密閉性。五是加強運維管理，定期清潔設(shè)備和通道，更換老化部件，確保冷熱通道長期高效運行。六是應(yīng)用計算流體力學(xué)（Computational"Fluid"Dynamics，CFD）模擬技術(shù)，對冷熱通道進(jìn)行氣流組織分析和溫度場預(yù)測，不斷優(yōu)化通道布局和控制參數(shù)。通過以上措施，數(shù)據(jù)中心的能效水平得到顯著提升，PUE值降至1.4以下，節(jié)能效果遠(yuǎn)超預(yù)期。

4"效果評估

4.1"溫度場分布測試

為評估冷熱通道改造的效果，項目團(tuán)隊對機房的溫度場分布進(jìn)行了詳細(xì)的測試。測試采用高精度的紅外熱像儀和溫濕度記錄儀，對機柜前后、通道內(nèi)外的溫度進(jìn)行了連續(xù)采集；還使用煙霧發(fā)生器對氣流組織進(jìn)行可視化分析。測試結(jié)果表明（如表1所示），改造后的冷熱通道內(nèi)溫度分布十分均勻，冷通道溫度穩(wěn)定在22～24"℃，熱通道溫度維持在28～32"℃，溫差控制在8"℃以內(nèi)。機柜前后溫差不超過5"℃，遠(yuǎn)低于改造前的15"℃，有效改善了局部過冷過熱問題。氣流組織合理，冷熱氣流得到了有效隔離，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的冷熱混合和旁路現(xiàn)象。溫度場分布的優(yōu)化，為IT設(shè)備創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，有利于提高設(shè)備的能效和可靠性。

4.2"能耗統(tǒng)計分析

冷熱通道改造完成后，項目團(tuán)隊對數(shù)據(jù)中心能耗進(jìn)行為期一年的統(tǒng)計分析，并與改造前的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。分析采用能耗管理系統(tǒng)，對供配電、制冷、IT設(shè)備等能耗節(jié)點進(jìn)行了分項計量和考核[5]。結(jié)果顯示：數(shù)據(jù)中心綜合能耗同比下降了30%，年節(jié)電量達(dá)到了120"kWh；制冷系統(tǒng)能耗降幅最為顯著，同比下降了45%，節(jié)電80"kWh，節(jié)能效果十分突出；機柜平均能耗從5.5"kW降低到4.2"kW，提高了能源利用效率；IT設(shè)備能耗保持平穩(wěn)，與改造前基本持平；能耗結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，IT設(shè)備能耗占比從原來的52%提高到70%，能源利用更加聚焦于創(chuàng)造業(yè)務(wù)價值。通過能耗統(tǒng)計分析，冷熱通道改造的節(jié)能效果得到了量化的體現(xiàn)，為企業(yè)節(jié)約了大量的運營成本。

4.3"PUE值變化

PUE值是衡量數(shù)據(jù)中心能效表現(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)，項目團(tuán)隊對改造前后PUE值的變化情況進(jìn)行了追蹤對比。改造前，數(shù)據(jù)中心PUE值穩(wěn)定在2.0～2.2之間，處于較高水平。實施冷熱通道改造后，PUE值出現(xiàn)了明顯的下降趨勢。第一個月，PUE降到1.8左右，能效提升10%。隨著運行優(yōu)化，PUE值持續(xù)下降，三個月后降至1.6，半年后降至1.5，一年后最低到達(dá)1.43，PUE值累計下降了29%，能源利用效率大幅提高。數(shù)據(jù)中心的PUE值從此前的落后水平超越了1.7的行業(yè)平均值。通過PUE值變化的量化分析，冷熱通道改造的節(jié)能減排成效得到了直觀的體現(xiàn)，為后續(xù)的技改項目提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

5"總結(jié)與展望

本文以某數(shù)據(jù)中心冷熱通道改造項目為例，全面闡述了數(shù)據(jù)中心能效提升的技術(shù)實踐。通過對冷熱通道隔離、氣流組織優(yōu)化、溫控策略升級、運維管理加強等一系列措施的實施，數(shù)據(jù)中心的能源利用效率得到了顯著提升，PUE值由2.1降至1.5以下，節(jié)能減排效果顯著。項目實施過程中，先進(jìn)的熱管理技術(shù)、精細(xì)化的能耗監(jiān)測體系、規(guī)范化的能效管理流程等為數(shù)據(jù)中心能效提升提供了有力支撐，值得在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

未來，數(shù)據(jù)中心能效管理仍大有可為。一方面，綠色節(jié)能技術(shù)將不斷突破，液冷、自然冷源、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，將為數(shù)據(jù)中心能效帶來革命性變革。另一方面，能源管理體系與智慧運維平臺的深度融合將推動能效管理向更加精細(xì)化、動態(tài)化、全局化的方向發(fā)展，在技術(shù)進(jìn)步和管理創(chuàng)新的雙輪驅(qū)動下，數(shù)據(jù)中心能源利用水平將不斷攀升，為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻(xiàn)更大力量。

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