某机房空调系统节能改造实践分析

2011-02-27艾默生网络能源有限公司傅烈虎

智能建筑与智慧城市 2011年4期

文｜艾默生网络能源有限公司傅烈虎曹播

机房改造的目的有两个：一是解决现有机房存在的问题，二是为了节能。图1显示了机房内的能耗分布情况。很明显，IT主设备、空调系统和供配电系统是机房的三大能耗大户，电能消耗大致按照5/4/1的比例在它们之间分配。IT主设备的节能是机房整体节能的根本，但是对于机房改造来说，更换更加高效率的IT设备似乎不太现实。空调系统的节能是机房节能的关键，并且节能的潜力巨大。本文通过一个具体的机房改造案例，来说明对空调系统改造带来的节能收益。

图1 数据中心能耗分布情况

1 机房概况

机房内有风冷型机房专用精密空调3台，单台制冷量33.1kW，4列机柜，从左至右分别为服务器机柜、存储机柜、服务器机柜、刀片服务器和配线架等。所有设备均为下走线方式供电，总的发热量为94.8kW。除了存储机柜内的设备是满额配置之外，剩余机柜的可用空间大约还有30U左右。机房内设备布局如图2和图3所示。

2 存在的问题

机房的主要问题是环境温度不能维持在设备运行工况要求的24℃而出现部分服务器宕机。图4中可以明显的看到一个装有刀片服务器的机柜严重过热，将近50%的设备处于过热的临界状态。

图2 机房平面图

图3 机房3D图

图4 设备过热情况

从图5看出，大约有1/3的机柜其环境温度在27℃～32℃之间，而ASHRAE 2008明确要求，设备运行的正常环境温度的最高值不能超过27℃，这意味着1/3的设备没有达到ASHARE 2008的要求，随时有出现设备过热的风险。

图5 设备运行环境

从图6和图7分别可以看到机柜的进风温度大约在20℃左右，出风温度接近30℃。进出风温差大约10℃。由此推断，机柜的进风量不足导致设备吸收冷量有限。

图6 设备进风温度图

图7 设备出风温度图

机房内的水平温度场理论上是均匀一致的，在机房层高方向温度应该分层分布。但是从图8可以看出，该机房内的水平温度场并不均匀，不仅冷通道区域的温度分布不一致，就通道之外的温度也是千差万别。

图8 机房温度场

图9是机房架高地板下的气流图，可以清晰的看到从空调送风处出来的冷空气都形成了一个个气旋，这些气旋的运动导致架空地板下的气压波动，减弱了架空地板下的空间作为静压箱的作用，其后果就是从地板送风格栅出来的冷空气流量差异变化很大，不能满足机柜对冷空气的合理需求。图10说明有一部分冷空气越过机柜旁流到了热通道，造成了冷量浪费。

图9 机房气流场

图10 冷热气流混合

3 改进措施

出现上述问题的原因大致可以归纳如下：（1）所有设备采用下走线方式供电，如图11所示。强电电缆放在冷通道，弱电电缆放在热通道导致架高地板下送风受到一定的阻力，导致静压箱内风压不均，出风口风压不同。

图11 架高地板下的电缆

（2）冷热气流存在交叉混合损失。尽管机房内的设备布局是采用ASHRAE和ANSI/TIA 942标准所推荐的面对面、背靠背方式，但还是避免不了冷热气流的混合，其实质原因是送风气流存在旁流和环流。旁流是指冷空气并没有冷却设备，而是从顶部越过机柜或者从一列机柜两端绕进热通道，发生冷热气流的混合。环流是指冷空气也没有冷却设备，而直接回到空调回风处。

机柜过热的实质是没有获得所需的冷量，冷量不足的原因是气流路径存在问题，导致冷量流失。针对上述原因，首先想到的是对冷通道进行封闭。尽管封闭通道是ASHRAE推荐的气流管理方式之一，但之所以选择封闭冷通道是基于以下几点考虑：

◆ 封闭冷通道缩小了空调的冷却空间，使制冷模式由原先的机房级制冷变为机柜级制冷；

◆ 封闭冷通道可以保证绝大部分冷量都被设备吸收，减少冷量损失；

◆ 封闭冷通道操作起来简单易行，只需装配几块封闭组件即可；

◆ 封闭冷通道唯一的不足是由于冷却对象的改变，导致机房内的环境温度略有增加，维护人员进入机房会有点不舒适的感觉。

图12是机房内冷通道封闭的3D视图。

图12 封闭冷通道的3D视图

图13 设备过热情况图

从图13可以看出，90%左右的设备都在过热临界状态以下而没有出现过热，仅有10%左右的设备处在过热的临界状态，因此这10%的设备也没有达到ASHRAE 2008推荐的设备运行环境要求。

图14、图15和图16说明大部分设备的进出风温度都比较正常，还是那10%的设备进出风温度比较高，表明这些设备的进风量不足。图17的温度场基本稳定，图18的气流场漩涡有所减弱，但是还是那10%的设备存在高温问题。

图14 设备运行环境图

图15 设备进风温度图

图16 设备出风温度图

图17 机房温度场图

图18 机房气流场图

从图19可以看出原因的所在，原来是这10%的设备所在的机柜有30U左右的空间没有加装盲板，导致冷热交叉混合比较严重。

图19 冷热气流部分隔离

4 进一步改进措施

鉴于图19反映的冷热气流交叉混合问题，工程师对出现问题的两个机柜加装盲板以屏蔽机柜内未使用的空间。图20～图26反映了加装盲板后的效果，显示机房内环境良好。设备没有一个过热，其运行环境也满足ASHRAE 2008的要求。设备进、出风温度也基本合理，水平温度场均匀，气流场呈现放射状，显示气流比较顺畅，冷热气流几乎完全隔离，没有出现混合损失或者冷量流失。

图20 设备过热情况

图21 设备运行环境

图22 设备进风温度图

图23 设备出风温度图

图24 机房温度场图

图26 冷热气流完全隔离

5 节能分析

据有关研究表明，对于机柜面对面、背靠背布局的数据机房，在封闭冷通道时比没有封闭通道时的PUE降低0.04。在本工程中，设备负载总共为94.8kW，则制冷系统节能大约有94.8×0.04＝3.79kW。如果商业用电按照每度电1元来计算，一年下来改造后的数据中心节电约3.79×8760＝33200.4度电，省钱约33200.4元。基本上第一年实施节能改造，第二年就可以收回改造成本，第三年就开始获益。机房运行时间越长，累积收益越大，如图27所示。