大型數(shù)據(jù)中心機房回風百葉角度對機房環(huán)境及制冷設(shè)備能耗影響實例

劉 屹

（中國電信股份有限公司云計算貴州分公司，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著數(shù)據(jù)中心大規(guī)模的發(fā)展以及GB-50174 2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的廣泛推行，數(shù)據(jù)機房中IT機柜與空調(diào)末端已全面實現(xiàn)物理隔離，空調(diào)末端回風大多通過數(shù)據(jù)機房回風百葉與數(shù)據(jù)機房進行熱交換和傳遞。在“碳中和”和“碳達峰”的時代背景下，開展節(jié)能降耗工作已成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重要一環(huán)。本文依據(jù)大型數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)機房回風百葉的安裝角度，初步摸索出了適應(yīng)于數(shù)據(jù)中心機房制冷設(shè)備能耗和機房環(huán)境的策略關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)中心機房及設(shè)備簡介

1.1 數(shù)據(jù)中心機房介紹

該數(shù)據(jù)中心位于我國西部高原地區(qū)，氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)。機樓制冷采用水冷系統(tǒng)，機房采用封閉冷通道布置[1]。機房與空調(diào)區(qū)設(shè)立隔墻，空調(diào)回風墻設(shè)置85系列鋁合金單層百葉回風口，回風百葉寬1 500 mm，長為20 200 mm。機房對應(yīng)末端空調(diào)靠墻呈縱向布置，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)機房回風百葉安裝角度

1.2 數(shù)據(jù)中心機房制冷設(shè)備介紹

此數(shù)據(jù)機房共設(shè)置六臺水冷型末端空調(diào)，單臺制冷量為150 kW，冷凍水進出水溫度為10/16 ℃，送風狀態(tài)時為18℃/70%RH、回風狀態(tài)時為28 ℃/40% RH、回風速度2.5 m/s，額定風量24 600 m3/h（單臺風機，每臺末端共3臺風機）?？照{(diào)末端采用地板下送風方式，空調(diào)末端為送風控制，送風設(shè)定溫度為21℃[2]。

2 問題的發(fā)現(xiàn)

本數(shù)據(jù)機樓為新建交付機樓，經(jīng)過一段時間試運行后，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)機房動環(huán)溫度告警工單數(shù)較多。經(jīng)觀察，未發(fā)現(xiàn)空調(diào)末端參數(shù)設(shè)置有誤或設(shè)備故障類問題。為了找到問題原因，選取另一個運行約3年同時數(shù)據(jù)機房結(jié)構(gòu)布置相似的機樓進行機房對比實驗。將舊樓機房稱為A機房，新建機房稱為B機房。其中A機房，B機房結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。

圖2 A數(shù)據(jù)機房結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 B數(shù)據(jù)機房結(jié)構(gòu)示意圖

為避免天氣環(huán)境的影響，特選取同一時間段內(nèi)的運行數(shù)據(jù)進行記錄，得到表1。

通過表1數(shù)據(jù)可以看到，B機房在IT負載比A機房略低的情況下，同樣空調(diào)末端運行參數(shù)情況下，空調(diào)末端電耗約高出17%，同時平均封閉冷通道溫度波動較大，封閉冷通道內(nèi)溫度偏高。

表1 A、B數(shù)據(jù)機房運行數(shù)據(jù)記錄表

與此同時，我們通過現(xiàn)場測試還發(fā)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)機房封閉冷通道內(nèi)地板調(diào)整開度為100%時，A數(shù)據(jù)機房封閉冷通道內(nèi)呈正壓，約為20～25Pa；而同樣測試環(huán)境下，B數(shù)據(jù)機房封閉冷通道內(nèi)壓力呈微正壓，約為3～7Pa，偶爾出現(xiàn)微負壓狀態(tài)。

3 問題的解決

3.1 數(shù)據(jù)機房壓差問題的解決

通過圖2，圖3可知，兩個數(shù)據(jù)機房在建筑結(jié)構(gòu)上有較明顯的差異。其中，B數(shù)據(jù)機房中IT機柜與空調(diào)末端回風區(qū)域安裝了大面積的可調(diào)回風百葉。且該數(shù)據(jù)機房的可調(diào)回風百葉安裝密度較大，安裝角度不大于40°[3]。

針對兩個數(shù)據(jù)機房的結(jié)構(gòu)特點，進行一項風壓測試，即測量數(shù)據(jù)機房空調(diào)回風區(qū)回風百葉不同開度下，數(shù)據(jù)機房與該機房空調(diào)末端回風區(qū)域壓差，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 回風百葉安裝角度與數(shù)據(jù)機房壓差關(guān)系

從圖4可知，數(shù)據(jù)機房與空調(diào)末端回風區(qū)域間的壓差與空調(diào)回風百葉的開度幾乎呈線性關(guān)系，在回風百葉開度大于70°后，回風百葉的開度對數(shù)據(jù)機房與空調(diào)末端回風區(qū)域間的壓差影響較小，不大于2 kPa，可忽略不計。

3.2 數(shù)據(jù)機房空調(diào)末端能耗及機房環(huán)境溫度問題的解決

由于圖4中已得到明顯結(jié)論，數(shù)據(jù)機房與空調(diào)末端回風區(qū)域間的壓差與空調(diào)回風百葉的開度有關(guān)，而數(shù)據(jù)機房與空調(diào)末端回風區(qū)域間的壓差又綜合反映了數(shù)據(jù)機房風量、風壓、甚至是數(shù)據(jù)機房環(huán)境溫度多種因素影響作用。為驗證這其中的關(guān)系，進行了現(xiàn)場測試。

測試內(nèi)容為記錄IT負載約550 kW條件下，不同空調(diào)末端回風百葉角度時，24小時運行時間段，空調(diào)末端設(shè)備總能耗，數(shù)據(jù)機房封閉冷通道平均溫度以及數(shù)據(jù)機房封閉冷通道出風壓力，得到圖5。

圖5 回風百葉角度與末端電耗及機房環(huán)境溫度關(guān)系圖

數(shù)據(jù)機房中空調(diào)末端通過下送風方式將冷風送入封閉冷通道內(nèi)，通過冷風進行熱交換。當數(shù)據(jù)機房與空調(diào)末端回風區(qū)域中壓差過大時，導致空調(diào)末端的進風量不足，出風溫度較高，為維持設(shè)定的末端空調(diào)出風溫度，末端空調(diào)的風機轉(zhuǎn)速上升，加大出風風量，末端空調(diào)電耗上升[4]。當數(shù)據(jù)機房回風百葉開度在70°以上時，環(huán)比空調(diào)末端電耗下降約27%，電耗消耗降低較明顯。

由于數(shù)據(jù)機房封閉冷通道內(nèi)風量相對較少，數(shù)據(jù)機房內(nèi)可調(diào)靜電地板維持一定時，封閉冷通道內(nèi)的風的正壓相應(yīng)也會較低。從圖5可以看到，當數(shù)據(jù)機房回風百葉開度在70°以上時，數(shù)據(jù)機房內(nèi)封閉冷通道的壓力從約2 Pa提升到了19 Pa左右，出風風壓明顯提升。

與此同時，數(shù)據(jù)機房封閉冷通道風量較少，風壓較低，在一定IT負載情況時，封閉冷通道內(nèi)的熱量不能快速交換，封閉冷通道內(nèi)的平均溫度也相應(yīng)較高[5]。

當數(shù)據(jù)機房回風百葉開度在70 °以上時，數(shù)據(jù)機房封閉冷通道內(nèi)平均溫度維持在22 ℃左右，比調(diào)整前的23.7 ℃降低約2 ℃。

4 問題的引申

根據(jù)面積公式，四邊形面積=長×高（寬），而數(shù)據(jù)機房回風百葉長度一定情況下，設(shè)高度=葉片寬度× cos（α），單片回風百葉擋風面積=長×葉片寬度×cos（α），即單片回風百葉擋風率與回風百葉安裝角度有關(guān)。

數(shù)據(jù)機房內(nèi)有效擋風面積為各單片回風百葉有效擋風面積之和。也即是回風百葉角度越小，擋風率越高，透風率越小；回風百葉安裝角度越大，擋風率越小，透風率越大；回風百葉安裝角度與數(shù)據(jù)機房回風透風率呈正比。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)某大型數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)機房中暖通基礎(chǔ)專業(yè)中回風百葉的安裝問題，初步摸索由于回風百葉安裝問題帶來的制冷設(shè)備電耗、數(shù)據(jù)機房環(huán)境溫度等問題。數(shù)據(jù)中心作為云網(wǎng)深度融合的基礎(chǔ)設(shè)施，大型化、規(guī)?；l(fā)展已成為行業(yè)趨勢。而數(shù)據(jù)中心運營中的能耗成本幾乎占到了整個運營成本的85%及以上。降低數(shù)據(jù)中心尤其是大型數(shù)據(jù)中心的能耗，創(chuàng)造更低更優(yōu)的PUE指標，實現(xiàn)更現(xiàn)代更綠色的數(shù)據(jù)中心，節(jié)能降耗，降本增效的道路仍然任重而道遠。