數(shù)據(jù)中心機房節(jié)能改造精確送風技術(shù)應(yīng)用

林燕群

（廣東海外建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510075）

1 概況

目前很多數(shù)據(jù)中心機房普遍采用風管上送風的空調(diào)方式（下文簡稱為“上送風機房”），由于上送風機房的特點是冷風從機房的上部送出，下部回風，先冷卻環(huán)境，再冷卻設(shè)備，在與機柜上部的熱空氣混合時，兩股冷熱氣流交織一起，冷熱量互相抵消，不能有效地降低室內(nèi)溫度，能源利用效率低，不利于機房節(jié)能。另外，數(shù)據(jù)中心機房在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，采用上送風空調(diào)機房的冷風是分配在整個機房的大空間內(nèi)，對所有機柜統(tǒng)一在外部進行冷卻，沒有把冷量具體分配到每個機柜門內(nèi)，機柜冷卻效果不好，會導致機柜或者機房內(nèi)溫度升高，以致有可能會影響局部通信設(shè)備，使得設(shè)備出現(xiàn)高溫報警，存在設(shè)備停機風險和加速老化的問題。

所以，針對這種舊有上送風機房進行節(jié)能改造迫在眉睫，考慮到盡量不影響到機房內(nèi)原有機柜的擺放，以及改動機房內(nèi)部格局和造價等各個方面的因素問題，此次對數(shù)據(jù)中心舊有機房的節(jié)能改造方案采用精確送風的空調(diào)方式，即在原有上送風主風管上，接出二級風管，直接往機柜內(nèi)送風，達到精確送風的目的。

本次數(shù)據(jù)中心機房節(jié)能改造工程，先對一部分地區(qū)機房進行改造，后陸續(xù)再對其他地區(qū)機房進行改造，一階段預計投資約466 萬元人民幣，改造前先對機房進行查勘，確認是否可以進行改造，以及改造對機房內(nèi)部的機柜、線槽、燈盤等的影響程度。本次確定改造的機房涉及廣東省6 個地市，包含廣州、珠海、佛山、肇慶、云浮、汕頭等。

2 精確送風技術(shù)

2.1 現(xiàn)場查勘

本次查勘了廣東省各地區(qū)的二十幾個機樓，共需改造機柜總數(shù)為1 095 個，其中部分機樓的交換機房機柜數(shù)量較少，散熱量較小，不建議進行改造；部分機樓C 網(wǎng)核心機房機柜屬于前面進風，上面出風型，一個機柜里總共有3 層機器，最底層溫度大概為27 ℃，最上層溫度約為40 ℃，若采用精確上送風，對設(shè)備的冷卻效果不是很好，故也不建議改造。以下列出幾個數(shù)據(jù)中心機樓［1］的查勘情況：

2.1.1 某機樓國際交換機房

⑴改造范圍：機房內(nèi)所有可改造機柜（見圖1）。

⑵機房情況：機房總面積280 m2，機房總用電量:最大供電功率直流29 kW，交流11 kW。

⑶機柜情況：需改造機柜總數(shù)101 個，總共10列，每列間距1 m，機組高2.2 m，寬0.6 m，機柜的總用電功率為80 kW，機柜頂距風管距離為0.9 m。

圖1 交換機房機柜平面圖Fig.1 Switch Room Cbinet Floor Plan

⑷空調(diào)情況：空調(diào)送風方式為上送風，送風口布置在兩列機柜中間，機房專用空調(diào)（精密空調(diào)）總共6 臺，每臺制冷功率為150 kW，送風量為30 000 m3/h，實際用電功率46 kW。

2.1.2 某機樓數(shù)據(jù)機房

⑴改造范圍：機房內(nèi)所有可改造機柜。

⑵機房情況：機房總面積312 m2。

⑶機柜情況：需改造機柜總數(shù)119 個，總共9列，每列間距1 m，機組高2.6 m，寬0.6 m，機柜總用電功率150 kW，機柜頂距風管距離為0.6 m。

⑷空調(diào)情況：空調(diào)送風方式為上送風，送風口布置在兩列機柜中間，機房專用空調(diào)（精密空調(diào)）總共8 臺，6 主 2 備，每臺制冷功率為140 kW，送風量為25 000 m3/h。

以上機房冷量復核后均滿足要求，但是存在機房冷量分配不均，機房環(huán)境溫度過高等問題，對設(shè)備運行不利，故列入此次改造范圍內(nèi)。

2.2 負荷計算

數(shù)據(jù)中心機房均應(yīng)進行逐時逐項冷負荷計算［2］，機房內(nèi)機柜的散熱量等應(yīng)根據(jù)通信工藝等資料為設(shè)計依據(jù)，建筑圍護結(jié)構(gòu)、照明、人體散熱、新風等形成的冷負荷，按相關(guān)規(guī)范要求的設(shè)計參數(shù)計算確定。電子設(shè)備散熱量計算公式如下［3-4］：

式中：Q 為散熱量（W）；N 為電子設(shè)備的安裝功率（kW）；n1為利用系數(shù)（安裝系數(shù)），是電子設(shè)備最大實耗功率與安裝功率之比，一般可取0.7～0.9，可用于反映安裝功率的利用程度；n2為同時使用系數(shù)，是房間內(nèi)電子設(shè)備同時使用的安裝功率與總安裝功率之比，根據(jù)工藝過程的設(shè)備使用情況而定，一般為0.5～0.8；n3為負荷系數(shù)，是每小時的平均實耗功率與設(shè)計最大實耗功率之比，它反映了平均負荷達到最大負荷的程度，對于已給出實測的實耗功率值的電子計算機可取1.0，一般儀表取 0.5～0.9。

對于沒有詳細的設(shè)備布置和設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)的交換機房、傳輸機房、電力電池室等，現(xiàn)提供《區(qū)域節(jié)點機樓動力及空調(diào)配套標準》［5］提供的冷負荷估算指標供參考：交換機房416 W/m2，傳輸機房235 W/m2，電力電池室406 W/m2。

2.3 精確送風系統(tǒng)

2.3.1 精確送風原理

精確送風技術(shù)是將上送風空調(diào)機房送出的冷風，通過風管、送風器、調(diào)節(jié)器等裝置將冷風直接送入機柜內(nèi)，達到精確送風的目的，這種采用全封閉冷風管道送風的方式，其工作原理如圖2［6-7］所示。空調(diào)機組送出的冷風，經(jīng)過靜壓箱、主風管、再經(jīng)過支風管，精確地送到各個機柜門內(nèi)，對設(shè)備進行冷卻。各支風管均安裝有調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥控制每個機柜的送風量，實現(xiàn)均勻送風?；仫L可保留原來的方式，即利用空調(diào)機房側(cè)回風，不需要進行改造。

圖2 機柜精確送風原理圖Fig.2 Cabinet Accurate Air Supply Schematic

2.3.2 精確送風系統(tǒng)

精確送風系統(tǒng)分為上送風系統(tǒng)和下送風系統(tǒng)，本改造工程均采用精確上送風，但是對于往后一些新建通信機樓，也可考慮采用精確下送風系統(tǒng)。

精確下送風系統(tǒng)，利用架空地板形成的空間作為靜壓箱［8］，通過機柜底部設(shè)置的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)需要精確調(diào)節(jié)送入機柜的送風量，回風采用上回風方式，這樣形成了明確的冷熱通道，因而可以適當?shù)靥岣呋仫L溫度，回風溫度可按干球溫度25 ℃，回風相對濕度按50%設(shè)計。

采用架空地板作為送風靜壓箱需注意架空地板內(nèi)不能走線，并且需做好架空地板的保溫工作，避免冷量泄露和結(jié)露現(xiàn)象。

2.3.3 精確送風設(shè)計實例

對于以上查勘后確定改造的機房，進一步進行改造設(shè)計，先復核其冷負荷是否滿足實際機房發(fā)熱需求，不滿足要求的需增設(shè)空調(diào)機組，然后再對機柜進行二級風管改造。改造后，機柜能充分地進行熱交換，冷卻效果較改造前好，一般改造前進入機柜的冷風溫度會比精確送風的溫度高，排出溫度也高，導致機房過熱。按照以往的做法，大多采用增加空調(diào)臺數(shù)、加大冷量的方式或者人為地降低空調(diào)溫度［9］來解決，從而造成很大的冷量浪費。因而精確送風技術(shù)，可以很好地解決這一問題（見圖3）。

圖3 精確送風風管改造剖面及改造后實物圖Fig.3 Precise Air Supply Duct Reconstruction Profile and Wind Pipe Physical Map after Transformation

2.3.4 風管安裝

⑴本工程為改造工程，受限于機房內(nèi)各種管線的影響，風管安裝時需現(xiàn)場量好尺寸，做好精確定位，以免對其他設(shè)備造成影響；

⑵風管施工前，應(yīng)對機房進行保護措施，防止對機房內(nèi)設(shè)備造成損壞；

⑶二級風管安裝時，看是否有線槽、燈盤遮擋，如有遮擋，盡量做到對線槽和燈盤的影響降到最低。

⑷二級風管及進柜風管安裝完畢后，再進行風口拆除及封堵工作。

2.3.5 日常維護

日常維護中，需要定期檢查空調(diào)系統(tǒng)是否運行良好，各個機柜散熱是否正常；還需要定期檢查風管等是否有密封不嚴的現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)并解決。

3 精確送風實際運行效果

通過部分通信機房進行的試點試驗結(jié)果表明，對舊有機房上送風系統(tǒng)進行精確送風節(jié)能改造，取得了良好的運行效果，該技術(shù)目前已經(jīng)在大部分上送風機房采用?？照{(diào)系統(tǒng)節(jié)電預計可達19.3%［10］。精確送風技術(shù)具有以下幾點優(yōu)勢：

⑴傳統(tǒng)上送風系統(tǒng)先冷卻機房，再冷卻設(shè)備，容易導致機房內(nèi)局部環(huán)境過熱，設(shè)備溫度過高，采用精確送風技術(shù)，直接冷卻設(shè)備，可以達到或接近下送風系統(tǒng)的冷卻效果；

⑵采用精確送風技術(shù)，有效隔離了設(shè)備的冷熱通道，氣流組織更合理，有效解決上送風機房部分服務(wù)器溫度過高的問題，消除局部熱島現(xiàn)象；

⑶風道采用可控制設(shè)計，可根據(jù)設(shè)備的發(fā)熱量大小來調(diào)整送風量，減少冷量損失，使送風更有針對性和使用性；

⑷精確送風二級風管安裝美觀方便，對機房內(nèi)其他管道及線槽影響不大，對機房空間凈高的要求與上送風機房一樣。

4 結(jié)論

本文主要介紹了精確送風的原理以及系統(tǒng)組成，通過列舉幾個工程實例，分析了精確送風系統(tǒng)的實際運用效果，其中對于老舊上送風機房存在局部機柜過熱的現(xiàn)象，可采用精確送風技術(shù)解決。對于新建機房，可根據(jù)規(guī)劃要求或者通信機房安保部門等的要求，采用地板下送風或者精確送風技術(shù)（精確上送風或者精確下送風）?？傊?，數(shù)據(jù)中心機房發(fā)熱量較大，單位面積冷負荷也較大，傳統(tǒng)的上送風機房很難滿足機房設(shè)備的散熱需求，且空調(diào)能耗較大，因而迫切地需要進行上送風機房的節(jié)能改造，采用精確送風技術(shù)，可以更精準地給設(shè)備冷卻，達到更好的節(jié)能效果。尤其在能源日益緊缺的今天，空調(diào)節(jié)能將成為一種趨勢，以最優(yōu)的方案，最省的投資，最節(jié)能的系統(tǒng)，達到最好的冷卻效果，是暖通設(shè)計追求的目標。