數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端送風(fēng)形式對(duì)空調(diào)能效影響的分析

張春朋 岳 晨 楊曉平

1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司南京分公司；2.南京航空航天大學(xué)；3.中數(shù)智慧（北京）信息技術(shù)研究院

0 引言

對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，空調(diào)系統(tǒng)是為降低服務(wù)器CPU溫度的必配系統(tǒng)，若空調(diào)系統(tǒng)供冷中斷，則數(shù)據(jù)機(jī)房送風(fēng)溫度將急劇升高，造成服務(wù)器高溫宕機(jī)，影響業(yè)務(wù)安全。除此之外，根據(jù)Uptime報(bào)告，全球大型數(shù)據(jù)中心年均PUE為1.59，暖通能耗占比為30%。因此，空調(diào)系統(tǒng)能耗是制約數(shù)據(jù)中心PUE值的關(guān)鍵因素。

常見的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器CPU冷卻形式多為風(fēng)冷形式，風(fēng)冷服務(wù)器的優(yōu)點(diǎn)是散熱器與基板（CPU）的裝配具有標(biāo)準(zhǔn)化特征，雖然散熱器的種類和形式各異，但在組裝方法上基本可以做到標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，為風(fēng)冷服務(wù)器供冷的機(jī)房空調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響逐漸受到重視。

1 水冷空調(diào)末端布置形式

常見的水冷空調(diào)末端布置形式主要有：房間級(jí)地板下送風(fēng)、行列間冷/熱通道封閉、熱管背板空調(diào)。對(duì)于風(fēng)冷型服務(wù)器而言，不同的空調(diào)末端布置形式不僅影響了服務(wù)器的散熱效果，也對(duì)空調(diào)能效產(chǎn)生了較大影響。

1.1 房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)

部分?jǐn)?shù)據(jù)中心使用房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)，房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)一般集中布置在空調(diào)間內(nèi)，通過(guò)架空地板形成靜壓箱，冷空氣通過(guò)架空地板上吹后，經(jīng)過(guò)服務(wù)器將CPU降溫后回到空調(diào)回風(fēng)口。

房間級(jí)下送風(fēng)空調(diào)因輸送距離較長(zhǎng)，且在輸送風(fēng)路上個(gè)點(diǎn)靜壓不同，呈先小后大再小的形勢(shì)（如圖1所示），因此容易造成機(jī)房局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生。因此，在使用過(guò)程中常將房間級(jí)空調(diào)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)大，溫度調(diào)低，減少局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，往往造成能耗浪費(fèi)。

圖1 地板下靜壓分布示意圖

房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)氣流組織受架空地板高度影響。未做封閉冷熱通道的回風(fēng)會(huì)造成冷熱風(fēng)混合，影響機(jī)房氣流組織。因此，對(duì)于房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)而言，在規(guī)劃建設(shè)階段，建議地板高度不低于600mm，且送風(fēng)口應(yīng)選擇為可調(diào)地板，在后期機(jī)房投運(yùn)后可根據(jù)實(shí)際機(jī)柜負(fù)載情況調(diào)整地板開度進(jìn)行送風(fēng)量調(diào)整，保證各點(diǎn)送風(fēng)均勻。

1.2 冷通道封閉列間空調(diào)

新建的數(shù)據(jù)機(jī)房大多采用行列間空調(diào)冷通道封閉的形式。與房間級(jí)下送風(fēng)空調(diào)相比，采用行列間空調(diào)冷通道封閉的形式可以使冷量更加集中，氣流組織更加均勻，從而獲得較高的空調(diào)能效比。

對(duì)于行列間空調(diào)，機(jī)柜的布局方式對(duì)氣流組織有較大影響，近年也有很多專家通過(guò)CFD模擬對(duì)機(jī)柜的布置形式對(duì)氣流組織的影響做了研究。如邱玉英等對(duì)比了列間空調(diào)冷通道未封閉和冷通道封閉的氣流組織，發(fā)現(xiàn)冷通道封閉后氣流組織更均勻，冷通道溫度相對(duì)于未封閉前有所下降。除列間空調(diào)的布置形式對(duì)氣流組織有所影響外，在空調(diào)投運(yùn)后，空調(diào)設(shè)備本身的設(shè)置參數(shù)也極大影響了機(jī)房的空調(diào)能耗和機(jī)房故障，經(jīng)對(duì)機(jī)房封閉冷通道列間空調(diào)參數(shù)調(diào)整前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有效的參數(shù)調(diào)整可以使冷通道氣流組織更加均勻，大幅度降低機(jī)房故障率，并且有效降低空調(diào)能耗。因此在建設(shè)期應(yīng)合理選取列間空調(diào)類型，選擇可具備送回風(fēng)溫度分開設(shè)立功能的列間空調(diào)，并且在設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用CFD模擬等手段合理布置列間空調(diào)位置，使機(jī)房氣流組織更加均勻，便于后期運(yùn)維階段進(jìn)行節(jié)能參數(shù)調(diào)整。

1.3 熱管背板空調(diào)

熱管背板空調(diào)是一種機(jī)柜級(jí)的冷卻方案，利用熱管高密度換熱的原理，將熱管蒸發(fā)器安裝在機(jī)柜排風(fēng)側(cè)，熱管背板蒸發(fā)器的冷媒吸收機(jī)柜內(nèi)IT設(shè)備散發(fā)的熱量；冷媒吸熱后氣化，氣化的冷媒依靠壓差經(jīng)連接管路流向室外熱管中間換熱器；冷媒蒸氣在熱管中間換熱器內(nèi)被來(lái)自冷源系統(tǒng)的冷媒冷卻，由氣態(tài)冷凝為液態(tài)；液態(tài)制冷劑借助重力回流至室內(nèi)末端中的熱管換熱器中，完成冷量輸送循環(huán)。

熱管背板空調(diào)安裝于每臺(tái)機(jī)架的排風(fēng)側(cè)，根據(jù)機(jī)房實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)機(jī)柜按需供冷，因此單機(jī)柜功率量大，機(jī)房?jī)?nèi)無(wú)局部熱點(diǎn)，空間利用率高，節(jié)能效果顯著。但其初始投資較大，空調(diào)設(shè)備需根據(jù)機(jī)柜尺寸定制。但是，對(duì)于多臺(tái)并聯(lián)的重力式熱管背板空調(diào)，在規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中應(yīng)注意機(jī)柜并聯(lián)數(shù)量不宜過(guò)多，否則在后期機(jī)柜負(fù)載率較高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致制冷劑分配不均，造成布局熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

2 風(fēng)冷服務(wù)器機(jī)房空調(diào)能效對(duì)比分析

通過(guò)采集數(shù)據(jù)中心地板下送風(fēng)空調(diào)、列間空調(diào)（冷通道封閉）及熱管背板空調(diào)機(jī)房IT設(shè)備運(yùn)行耗電量及機(jī)房空調(diào)運(yùn)行耗電量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地板下送風(fēng)空調(diào)平均COP（COP=機(jī)房IT設(shè)備耗電量/空調(diào)末端耗電量）最低，為9.36。列間空調(diào)（冷通道封閉）平均COP為31.84，熱管背板空調(diào)平均COP最高，為33.29。風(fēng)冷服務(wù)器機(jī)房空調(diào)能效分析表見表1。

表1 風(fēng)機(jī)服務(wù)器機(jī)房空調(diào)運(yùn)行能效表

空調(diào)形式 機(jī)房編號(hào) 3月IT設(shè)備總電量/kWh 3月機(jī)房空調(diào)總電量/kWh機(jī)房IT設(shè)備負(fù)載率/%末端COP=IT設(shè)備耗電量/空調(diào)末端耗電量列間空調(diào)（冷通道封閉）4-4 428744.97 12537.95 47% 34.2 4-2 327977.86 9872.42 34% 33.22 4-1 505599.31 16128.27 53% 31.35 4-3 511726.62 17890.10 53% 28.6熱管背板s4-3 410335.34 10723.40 28% 38.27 s2-3 554152.14 15570.74 38% 35.59 s2-4 493253.54 15460.90 34% 31.9 s4-4 441201.38 16110.20 30% 27.39

2.1 地板下送風(fēng)空調(diào)能效分析

以南京移動(dòng)及江蘇廣電某數(shù)據(jù)中心房間級(jí)空調(diào)地板下送風(fēng)無(wú)冷熱通道封閉的機(jī)房為測(cè)試對(duì)象，在空調(diào)控制參數(shù)為回風(fēng)22℃時(shí)，對(duì)包間IT設(shè)備運(yùn)行耗電量及空調(diào)末端耗電量數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)月的采集，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)此種機(jī)房送風(fēng)模式空調(diào)末端平均COP僅為9.36。機(jī)房布置示意圖見圖2，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。究其原因是房間級(jí)空調(diào)送風(fēng)距離過(guò)長(zhǎng)，且冷熱空氣因無(wú)封閉通道隔離產(chǎn)生混流現(xiàn)象。因此，為避免機(jī)房冷通道局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，房間級(jí)空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)設(shè)置偏大，機(jī)房溫度設(shè)置相對(duì)較低。而對(duì)于水冷空調(diào)末端而言，空調(diào)末端的耗能主要集中在空調(diào)風(fēng)機(jī)。因此，較高的EC風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速導(dǎo)致了空調(diào)末端能耗的增大，從而降低了地板下送風(fēng)空調(diào)的能效。

圖2 江蘇廣電某數(shù)據(jù)中心水冷房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)機(jī)房布置示意圖

2.2 冷通道封閉列間空調(diào)能效分析

對(duì)南京移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心B棟?rùn)C(jī)房樓冷通道封閉水冷列間空調(diào)機(jī)房IT設(shè)備運(yùn)行耗電量及空調(diào)末端耗電量數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)月的采集，該數(shù)據(jù)機(jī)樓列間空調(diào)采用交叉布置，機(jī)房列間空調(diào)風(fēng)機(jī)控制為送風(fēng)溫度25℃，水閥控制為送風(fēng)溫度20℃，機(jī)房布置示意圖見圖3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)該冷通道封閉空調(diào)平均COP為31.84。相對(duì)于地板下送風(fēng)的房間級(jí)空調(diào)而言，冷通道封閉的列間空調(diào)形式冷量更加集中，輸風(fēng)距離更短，因此能效更高。但列間空調(diào)機(jī)房氣流組織受空調(diào)布置形式、機(jī)柜上架率、盲板封堵情況等因素影響，若設(shè)置不合理將產(chǎn)生微模塊氣流組織雜亂、冷熱通道串流等問(wèn)題，從而造成部分能源的浪費(fèi)。如列間空調(diào)呈對(duì)角形式分布相對(duì)與空調(diào)對(duì)立布置氣流組織更雜亂。又如在機(jī)柜上架率較高時(shí)，冷通道壓力可能會(huì)低于熱通道壓力，造成熱通道內(nèi)高溫空氣經(jīng)過(guò)服務(wù)器間縫隙反吹至冷通道造成冷通道局部熱點(diǎn)，從而導(dǎo)致維護(hù)人員需增大空調(diào)送風(fēng)量，保證冷通道正壓，造成空調(diào)能耗增大，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。因此，在建設(shè)規(guī)劃階段應(yīng)合理布置列間空調(diào)位置，并配置相應(yīng)數(shù)量的機(jī)柜盲板，避免后期運(yùn)行過(guò)程中因局部熱點(diǎn)問(wèn)題導(dǎo)致的能源浪費(fèi)。

圖3 南京移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心列間空調(diào)機(jī)房布置示意圖

2.3 熱管背板空調(diào)能效分析

對(duì)蘇州移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心熱管背板空調(diào)機(jī)房IT設(shè)備運(yùn)行耗電量及空調(diào)末端耗電量數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)月的采集，該數(shù)據(jù)空調(diào)末端布置示意圖見圖4，經(jīng)計(jì)算熱管背板空調(diào)平均COP為33.29。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，部分背板空調(diào)設(shè)置出風(fēng)溫度為24度，實(shí)際出風(fēng)溫度為18度，即在熱管背板風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速下（最低轉(zhuǎn)速為20%），冷量供給遠(yuǎn)大于機(jī)房需冷量，這也是在低負(fù)載狀態(tài)下熱管背板空調(diào)僅略高于列間空調(diào)的原因。因此，對(duì)未上架的機(jī)柜背板空調(diào)可暫時(shí)關(guān)閉，降低空調(diào)運(yùn)行能耗。熱管背板空調(diào)相對(duì)與列間空調(diào)而言，與機(jī)柜一一對(duì)應(yīng)，熱空氣直接經(jīng)過(guò)熱管盤后被降溫，供冷效率最高，幾乎沒有局部熱點(diǎn)，也無(wú)需考慮熱空氣串流問(wèn)題。熱管背板在建設(shè)規(guī)劃階段，應(yīng)注意背板空調(diào)并聯(lián)臺(tái)數(shù)，若并聯(lián)數(shù)量過(guò)多，在機(jī)柜高負(fù)載情況下，可能會(huì)因制冷劑蒸發(fā)量差異、沿程阻力、局部阻力等因素的影響，造成制冷劑分配不均，導(dǎo)致局部熱點(diǎn)產(chǎn)生。

圖4 蘇州移動(dòng)某數(shù)據(jù)中心熱管背板空調(diào)機(jī)房布置示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

以一個(gè)IT運(yùn)行功率600kW的機(jī)房包間為例，根據(jù)公式“空調(diào)末端年用電量=IT功率×（1/COP）×365d×24h”，得出房間級(jí)空調(diào)年用電量56.15萬(wàn)kWh，列間空調(diào)冷通道封閉和熱管背板空調(diào)用電量分別為16.51萬(wàn)kWh、15.79萬(wàn)kWh，列間空調(diào)冷通道封閉耗電量?jī)H是房間級(jí)空調(diào)地板下送風(fēng)耗電量的29.4%；低、中負(fù)載階段，列間空調(diào)能效接近熱管背板空調(diào)。建議在新建數(shù)據(jù)中心優(yōu)先采用列間空調(diào)冷/熱通道封閉或熱管背板的空調(diào)末端供冷形式；對(duì)于列間空調(diào)，建議優(yōu)先采用空調(diào)對(duì)立布置的形式，有利于冷通道氣流組織的均勻分布，給運(yùn)維階段的空調(diào)參數(shù)調(diào)整提供更大的可操作空間。另外，為降低數(shù)據(jù)中心整體能耗，不僅要注重空調(diào)系統(tǒng)本身能耗，還需要關(guān)注空調(diào)末端送風(fēng)情況對(duì)IT設(shè)備運(yùn)行功率的影響，以期獲得二者之間的最優(yōu)值，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心整體節(jié)能。