數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

張 玲

（上海迪普自動化技術(shù)有限公司，上海 201100）

0 引言

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)是確保數(shù)據(jù)機(jī)房中電子設(shè)備正常運行的關(guān)鍵輔助系統(tǒng)，其在運行過程中能耗會隨著數(shù)據(jù)機(jī)房中電子設(shè)備對運行環(huán)境以及功率密度的改變而發(fā)生變化，而空調(diào)系統(tǒng)的能耗在整個數(shù)據(jù)機(jī)房運行中的能耗占比大概在25%～35%，因此降低能耗成為數(shù)據(jù)機(jī)房運營方重點關(guān)注的內(nèi)容。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的作用

數(shù)據(jù)機(jī)房中的設(shè)備都是由精密機(jī)械、微電子等各種設(shè)備構(gòu)成的，這些設(shè)備在應(yīng)用期間容易受到濕度、溫度等各項因素的影響。溫度和濕度對于數(shù)據(jù)機(jī)房的運行會造成直接影響，溫度過低會導(dǎo)致采用的絕緣材料變脆，而溫度過高則會導(dǎo)致印刷電路板結(jié)構(gòu)變?nèi)?，容易引起問題，影響設(shè)備的使用性能，無法發(fā)揮出相應(yīng)的作用[1]。同時，對于數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備性能，濕度也是其中的一項影響因素，若濕度較高，水蒸氣會在電介質(zhì)材料或電子軟件表層形成水膜，造成元器件有通路形成，破壞設(shè)備；若濕度過低，極易積累靜電壓[2]。

為了確保數(shù)據(jù)機(jī)房中的溫度和濕度始終都處在合理范圍內(nèi)，要在數(shù)據(jù)機(jī)房中安置空調(diào)系統(tǒng)，通過對空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用，完成對數(shù)據(jù)機(jī)房中溫度和濕度的控制，確保數(shù)據(jù)機(jī)房中各種設(shè)備在運行時的穩(wěn)定性，延長設(shè)備壽命。

2 數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)存在的問題

從目前多數(shù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的運行情況來看，存在冷氣流短路、制冷量過大、數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)部分溫度超出限制等，這些問題都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)機(jī)房不能穩(wěn)定運行。導(dǎo)致上述問題的原因主要有以下3 點：

（1）空調(diào)設(shè)備選型存在問題。數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，空調(diào)設(shè)備的選型非常重要。在進(jìn)行選型過程中，關(guān)鍵在于機(jī)房冷負(fù)荷參數(shù)的確定?？傮w機(jī)房冷熱負(fù)荷關(guān)鍵在于服務(wù)器散熱所形成的負(fù)荷，機(jī)房內(nèi)的熱能是由電能轉(zhuǎn)換而成的[3]。每一臺設(shè)備設(shè)計在出廠后，額定功率是設(shè)備在運行時的最大功率，設(shè)備發(fā)熱時，設(shè)計人員一般會直接利用額定功率與轉(zhuǎn)換率（90%～97%）相乘，將乘積作為數(shù)據(jù)機(jī)房在運行時設(shè)備的發(fā)熱數(shù)值。但是，從實際情況來看，依據(jù)服務(wù)器在運行期間在用途上的不同，其在運行時的實際功率都不會達(dá)到額定功率的60%，而在對數(shù)據(jù)機(jī)房中采用的空調(diào)設(shè)備選型時，設(shè)計人員經(jīng)常會出現(xiàn)考慮不當(dāng)現(xiàn)象，設(shè)備運作時，可能發(fā)生過大制冷量問題。空調(diào)運行期間，為了快速達(dá)到所設(shè)定的溫度，在制冷過程中可能耗費大量電力進(jìn)行制冷處理，這會造成非必要浪費問題[4]。

（2）氣流組織存在問題。部分?jǐn)?shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)設(shè)備未放在機(jī)房內(nèi)，而被單獨放置，這種布置形式，常規(guī)做法都是采用吊頂風(fēng)管回風(fēng)、地板下送風(fēng)或者采取地板回風(fēng)、吊頂風(fēng)管送風(fēng)，這兩種方式都會發(fā)生送、回風(fēng)短路問題，原因在于送、回風(fēng)口布置位置及氣流路徑長度，而且這樣的結(jié)構(gòu)也不容易讓冷源空氣有效跟發(fā)熱的電子設(shè)備直接接觸（只能通過空氣內(nèi)部的對流散熱），若未能有效組織送風(fēng)、回風(fēng)，系統(tǒng)中可能混合著冷風(fēng)、熱風(fēng)，且無法通過有效的方法將熱量散出[5]。很多數(shù)據(jù)機(jī)房在建設(shè)時，靜壓箱為架空地板，開口置于機(jī)柜旁，為自由式送風(fēng)。但是，從實際情況來看，因為架空地板高度通常都在（320～450）mm，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的600 mm 相關(guān)甚遠(yuǎn)，有的架空地板高度接近260 mm，而且地板內(nèi)還有大量線槽、線纜，這種情況造成地板送風(fēng)口風(fēng)量分配不穩(wěn)定，造成有的區(qū)域溫度低，而有的則溫度高。

（3）機(jī)柜布置存在問題。早期一些數(shù)據(jù)機(jī)房，在具體布置時，受經(jīng)濟(jì)、空間、技術(shù)等多項因素限制，未能全面考慮數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)氣流組織問題，布置機(jī)具時采用的是同一方向、多排布置法，送風(fēng)采用架空地板，通過在機(jī)柜前開一個空調(diào)的送風(fēng)口，采取該方式布置，通過機(jī)柜前，冷空氣進(jìn)入，吸收了熱量之后再由后面排出去，當(dāng)氣體進(jìn)入后排機(jī)柜中，與冷空氣混合在一起就可有效提升后排機(jī)柜的溫度，空調(diào)制冷效率也會大打折扣，對其性能和應(yīng)用會造成直接影響[6]。需要注意的是，采取冷、熱通過數(shù)據(jù)機(jī)房，在實際開展工作時，為了能讓管理和檢修更方便，把高負(fù)載密度、高功率機(jī)柜放于同個冷熱通道內(nèi)，這樣的布置方法造成通過制冷效果不明顯，有時發(fā)現(xiàn)高溫預(yù)警。且空調(diào)的工況在設(shè)定時有一些問題，如冷媒管路過長等，也都會增加空調(diào)系統(tǒng)在運行時的能耗量。

3 優(yōu)化數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的合理措施

3.1 確定機(jī)房運行溫度

隨著電子信息設(shè)備性能的提升，其對物理環(huán)境的要求變得更加寬松，而對于節(jié)能的要求則不斷提高，這也就要求人們要對數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但是，從實際情況來看，許多數(shù)據(jù)中心仍然依據(jù)23 ℃±1 ℃作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)房穩(wěn)定運行的具體溫度[7]。

數(shù)據(jù)機(jī)房運行期間，環(huán)境溫度控制要依據(jù)下列要求進(jìn)行：①冷通道、機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域?qū)囟瓤刂圃冢?8～27）℃，不得發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象；②控制在（5.5～15）℃，而相對濕度要控制在60%以內(nèi)。根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房中的空調(diào)設(shè)備在運行過程中的具體狀況，適當(dāng)提升制冷系數(shù)，在保證數(shù)據(jù)機(jī)房中各項設(shè)備穩(wěn)定運行基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低加熱、制冷、除濕、加濕等各個方面的能耗，而且設(shè)定的環(huán)境溫度越高，則節(jié)能效果越顯著。

3.2 改善氣流組織模式

氣流組織模式存在問題是導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)在運行時能耗量過高的關(guān)鍵原因，依據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房的應(yīng)用和規(guī)模情況，選擇可以有效排出數(shù)據(jù)機(jī)房中產(chǎn)生中各種余熱的氣流組織，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)機(jī)房的濕度和溫度都達(dá)到數(shù)據(jù)機(jī)房中各種電子設(shè)備的運行需求[8]。數(shù)據(jù)機(jī)房組織一方面包括數(shù)據(jù)機(jī)房的氣流組織，另一方面也包括機(jī)柜內(nèi)的氣流組織。當(dāng)機(jī)房內(nèi)氣流分布合理時，機(jī)柜散熱良好，具體放置位置合理，可進(jìn)一步提高機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器的散熱率，并使柜內(nèi)溫差最小，達(dá)到節(jié)能的目的。

（1）組織機(jī)房氣流。在上送風(fēng)方式下，資料室大多數(shù)機(jī)柜的冷卻風(fēng)口設(shè)置在前端或底部，排風(fēng)口設(shè)置在機(jī)柜后部或頂部。冷空氣通過頂部送到房間。冷風(fēng)與機(jī)房內(nèi)的熱風(fēng)混合，氣體充分混合后送入通道柜內(nèi)，然后對氣體進(jìn)行冷卻，以適當(dāng)減小機(jī)柜內(nèi)的對流溫差，提高機(jī)柜運行時的冷卻效率[9]。根據(jù)下送上回風(fēng)的送風(fēng)方式，冷空氣通過地板送風(fēng)口合理送至機(jī)房。冷空氣由機(jī)柜吸入，然后加熱并排出。熱空氣會自動向上漂浮，最終進(jìn)入空調(diào)設(shè)備。與傳統(tǒng)的送風(fēng)方式相比，這種方式增大了柜內(nèi)對流換熱的溫差，在一定程度上提高了散熱效率，降低了氣流分布阻力，達(dá)到了節(jié)能的目的。

“冷熱通道”的布置實際上是為了優(yōu)化向下進(jìn)料、向上回流的組織方式。對于機(jī)柜數(shù)量較多的機(jī)房，機(jī)柜的布置應(yīng)采用面對面、背靠背的方式。采用這種方式，空調(diào)出風(fēng)口可布置在兩排機(jī)柜的前通道內(nèi)，形成“冷通道”。冷空氣通過設(shè)備后，溫度會上升，然后從機(jī)柜背面的“熱通道”擺動離開。熱空氣最終通過回風(fēng)出口輸送至空調(diào)設(shè)備。這樣可以保證機(jī)房內(nèi)氣體的順暢流動，使數(shù)據(jù)機(jī)房中的空調(diào)在運行期間的制冷能夠達(dá)到期望效果。此外，在采取了的“冷熱通道”方式布置，為了隔離好冷熱氣流，采用擋板對數(shù)據(jù)機(jī)房中“冷通道”和“熱通道”進(jìn)行適當(dāng)隔離，也可以將某一通道封閉方式，高效利用冷氣流，減少能耗。

列間送風(fēng)是一種新型的送風(fēng)方式。隨著高密度數(shù)據(jù)機(jī)房的出現(xiàn)，列間送風(fēng)一般采用封閉式“冷熱通道”相結(jié)合的方式，列間空調(diào)布置在機(jī)柜間。資料室柱間空調(diào)采用小風(fēng)扇水平送冷風(fēng)。由于資料室機(jī)柜安裝緊湊，安裝在服務(wù)器后部的風(fēng)機(jī)與水平風(fēng)能形成空氣循環(huán)，使空調(diào)的制冷量得到合理、充分的利用。這種布局模式與傳統(tǒng)空調(diào)模式相比，節(jié)能效果也比較明顯。

（2）機(jī)柜氣流組織。機(jī)柜成排排列，合理應(yīng)用冷熱通道技術(shù)，避免均勻布置；在機(jī)柜內(nèi)自由位置的進(jìn)風(fēng)口附近安裝盲板，避免熱空氣再次吸入服務(wù)器入口，造成短路問題；堵塞機(jī)柜之間的縫隙。

3.3 精準(zhǔn)計算空調(diào)冷負(fù)荷

計算夏季空調(diào)冷負(fù)荷，不得單純地依據(jù)過去工作經(jīng)驗對數(shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行估算，要對設(shè)備散熱、太陽輻射、人體散熱等各項問題進(jìn)行全面、精準(zhǔn)計算。同時，針對關(guān)鍵部位設(shè)備散熱，不能利用設(shè)備在運行時的額定功率與熱轉(zhuǎn)換率相乘作為數(shù)據(jù)機(jī)房在運行時的發(fā)熱量，要依據(jù)設(shè)備供應(yīng)商提供的處理器數(shù)據(jù)、PCI 卡數(shù)量等各項內(nèi)容，對設(shè)備在運行時的具體功能，以及大熱量等內(nèi)容作為參考值，將這一數(shù)據(jù)作為空調(diào)負(fù)荷計算輸入值，確保最終計算結(jié)果精準(zhǔn)無誤，有效提升空調(diào)系統(tǒng)的效率，減少能源的消耗。

3.4 采用自然冷源

自然冷源的運用指的是全部、部分采用自然界內(nèi)的天然冷源，完成相應(yīng)制冷目的，有效減少數(shù)據(jù)機(jī)房運動時的空調(diào)能耗。目前分析，多數(shù)的數(shù)據(jù)機(jī)房運行時利用自然冷源是過渡季節(jié)、冬季冷空氣，把傳到外面的空氣做好過濾之后再引入至機(jī)房，使其作為冷源。該方式應(yīng)用原理簡單，成本不高，但要注意運用自然冷源減少數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)設(shè)備溫度受室外溫度變化、太陽輻射的變化，使用聯(lián)動機(jī)房空調(diào)以及新風(fēng)的系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)機(jī)房穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

大數(shù)據(jù)時代的到來使用戶體驗發(fā)生了革命性的改變，使網(wǎng)絡(luò)及通信行業(yè)在運行時提高了對信息和數(shù)據(jù)運用和處理方面的需求，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大。對于數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)要全面結(jié)合具體情況，對數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，減少能耗，確保數(shù)據(jù)機(jī)房穩(wěn)定運行。