数据机房局部过热与节能降耗解决方案丨数据中心机房节能系统

2023-08-30 20:55:03 24

通信生产机房及数据中心的送风方式分为两种：下送风方式/上送风方式。两种方式都是定风量送风，每个机房中的制冷量和送风量经过在机房建设、调试后就恒定不变。两种方式都是以控制机房温度的方式达到给IT设备散热的目的。

但这两种方法机房会出现局部过热。机房空调耗能大，耗能比：PUE＞2.5。（注：）。

机房总能耗：

造成局部过热的原因：

1.排列：

2.短路：

3.堵塞：

机房局部过热的危害：

A、设备运行温度超标，造成宕机情况，严重影响系统运行；

B、设备长期处于高温运行，运行风险增加，根据统计资料表明，温度升高将导致；

磁盘磁带会因热涨效应造成记录错误；

网络设备传输误码率增高甚至失效；

服务器硬盘损坏、引起火灾等；

温度每升高10℃，计算机的可靠性就下降25％、使用寿命将减少50%；

造成能耗增加的原因：

1.机房的密封度不好

不管是现在正在运行的机房和将来要建设的机房都对机房的密封有相当严格的要求，在新机房式用前首先要对机房的密封进行严格的验收，杜绝由此带来的能量消耗，我们完全有理由相信用户在此问题上已经做了大量的工作，所以这不是我们现在要讨论的问题。

2.机房能耗增加的根本原因

A、为了消除局部过热过多开启空调的数量将导致空调机组制冷效率低，造成制冷能耗升高；

B、热交换不充分和不均匀，制冷系统过剩运行严重，造成空调能耗升高；

C、机房局部温度过低，导致外界对机房的热辐射增加，增加了空调的负担。

3.从专用空调机的能效比来说明：

一般机房专用空调的能效比约为1：2.5~1：3左右。

即：空调机做功1KW能产生2.5KW到3KW左右的制冷量，若按此原理我们的空调机耗能就应该是服务器发热功率的1/2.5~1/3，而决不是统计的1.1倍，由此可见有很多的能量在浪费。

A、送风量的降低或过渡增大将导致空调机组制冷效率低，造成制冷能耗升高；

B、热交换不充分和不均匀，制冷系统运行混乱，造成空调能耗升高；

C、机房温度过低，导致外界对机房的热辐射增加，增加了空调的负担。

4.造成机房密度低的原因：

由于机房中冷风的分配不均而出现局部过热的问题，导致用户在机架上不可能、也不敢更多的增加IT设备，很多机架的设备不足3KW，从而导致机房密度降低。

新一代机房设计要求：过去的设计是根据机房总的的散热量和散热面积的比例来计算（KW/m2)；现在是按每个机架的功率（KW/rack）来计算。

什么是刀片服务器？

刀片服务器是包括处理器、存储器、驱动器及以太网卡的整套计算机设备。

一般一个1U的刀片服务器所需的电功率约为300W~500W，由于服务器中的元器件损耗很小（约为2%左右）所以基本上都以发热的形式散发，在刀片服务器上服务器厂商都自带风扇冷却，进出温差一般设计为11℃。

根据公式：风量=3600×发热功率/空气比容×温差。

1KW发热功率在进出温差11℃所需风量为270m3/h。

未来机架的功率：在一个600mm宽度的42U的高密度服务器机架上最大满负荷时需要25KW的电力功率，相当于需要25KW的制冷量并需要大约6000至7000m3/h的风量来满足机架上服务器的散热需要。

机架热量分析图：

在以往的设计中按室内温度20-24℃时机架功率在15KW时，风量在4000到5000m3/h的情况下一个机架的热量分析图：

机房过热的一般解决方法：

以往的机房主要有以下解决方案：

1、增加精密空调数量，解决过热问题；

2、采用通风机送风，增大机房内热交换能力；

3、采用冰块冷却，过热区用冰块降温。

以上方法都不能有效解决冷量分配问题，而且增加机房能耗。

机房解决过热的一般方法：

冷池：将冷通道与外界封闭隔离，减少热量混合。

活化送风地板：

活化送风地板是一个灵活的系统，其独特的设计可以完全冷却由于是用刀片服务器及路由器而产生的高密度热负荷，整合在一个模块地板内（600mm×600mm)，可以发在机架前的吸风口位置，将机房精密空调产生的冷风经机架的进风口吹入机架内的发热点，并可根据发热点的热负荷的容量调节活化地板的出风量。

活化送风地板+冷池：

由此可见，在冷热分离的情况下最能发挥空调的效能！

高效冷却系统：

机柜独立送风系统概述：

冷池的设计：宽度和高度与机架同宽同高，厚度视所需风量及机架间尺寸决定大约在250~400mm；采用推拉门不影响正常工作及维修，此时工作人员站在机架前有效阻挡外来热空气的侵入；推拉门及侧框都采用双层玻璃不仅隔热并且使工作人员能清楚的看到机架设备的工作状，双层玻璃都附有隔热膜既能隔热又可防止万一玻璃破损时玻璃四溅；

为减少机架之间的影响每个机架之间加装隔板，在维修时可拆卸方便维修；

为减少冷风的流失在机架上的空位加装盲板；

送风控制器：在机房内服务器机柜的排风口安装温度传感器，实时检测机房内机柜的出风温度，同时在有条件的机柜安装电流传感器，实时监控整个机柜的输出功率，再在机柜的送风口安装智能风量控制系统，根据以上检测的数据变化调节每个机柜的送风量，满足服务器机柜的散热要求，避免局部温度过高。

最后将所有数据传至中心控制器。

设置6个排风温度测量点取其最大值为排风温度的数值，设置1个进风温度测量点；设置1个电流传感器，当现场无法测定电流时，可根据用户经验将最大电流值输入控制器。

根据以上数据计算机架散热所需风量。

送风风扇模块的设计：

我们在每个机柜进风口出加装一个变风量的风扇或多个固定风量风扇组成的风扇模块，一般使用多个风扇的风扇模块，一可以根据实际所需开启不同数量的风扇，二可以多加一个或两个风扇做为备用，当风扇运行时发生故障将自动开启备用风扇并报警显示故障风扇的编码；所有风扇以先开启、先关闭的原则开启和关闭，做到风扇的平均使用；在运行过中程需维修风扇模块可在10分钟内完成不影响机架的散热；

中心控制系统概述：每个机房设置一台中心控制器，通过计算收集到的每个机柜的各种参数配合实时测量机房IT设备的总功耗、室内温度的变化、风道内静压的变化，随时控制机房内空调的开启状态。

一、总风量的检测：

实时检测送风风道的静压变化，根据静压的变化计算机房所需风量或通过采集机房内各个监测点的风量的变化信息，实时计算机房内风量的需求变化。

二、总制冷量的检测：

实时监测机房IT设备的功耗和温度的变化，按其变化确定所需制冷量；

三、过程分析功能：

1.通过现场控制网络实时监测每个设备机柜和每台精密空调的运行状态，包括风量、温度、功耗等指标，通过内置的控制模型，根据以上计算所需总风量和总制冷量的要求实时控制各个精密空调设备的运行状态，以达到每个机柜可以精确分配到所需制冷量，做到能耗最优化。

2.大屏幕显示机房模拟温度、能耗、故障分布图，对高温区域报警。

特点：

1、每个机架独立送风；

2、机架所需风量按照机架发热量自动调整；

3、空调总风量、总制冷量自动调整。

一、通过调整回风温度：

原机房设计要求机房温度在22+2℃ ，在回风温度只要达到24℃时空调系统的制冷开始工作，到20℃时空调制冷系统关闭，此时出风温度在12~16℃，这样才能达到全机房的温度要求。采用精确送风只要使机柜送风温度达到22+2℃要求就可以满足服务器的需要，此时空调的回风温度可设在在30+2℃（由机房空调设计的送风温差决定，一般为8℃），这样回风温度在32℃时才开启制冷功能，大大减少了对空调制冷要求，也大大提高了空调的制冷效率，从而达到节能的目的；

提高回风温度产生的节能效果

1：墙体冷负荷：Qw=KwFw(twp+Δtfp+Δtw-tn)

Kw—墙体的传热系数W/（m2M*℃）；

Fw—墙体的面积m2；

twp—室外日平均温度℃；

Δtfp—墙体热辐射平均温升℃；

Δtw—外墙“作用时间”室外温度波动部分的综合符合温差 ℃；

tn—室内计算温度℃；

在机房改造前后Kw、Fw、twp、Δtfp、Δtw都不变，只有tn增加了8℃；所以，墙体的冷负荷改变为：ΔQw=KwFwΔtn。ΔQw=-8KwFw

2：提高回风温度制冷效率提高的效果

注：由爱默生空调的型号50、60、70系列数据看。

平均每提高回风温度1℃制冷效率提高3%；提高回风温度8~10℃可提高制冷效率24~30%。

二、自动调节机房空调的使用：

改造后根据实际制冷量的需求，按需开启机房空调，在很多情况下不需要全部空调一起运行，从而提高空调使用效率达到节能的目的；

三、大大提高了机房IT设备容积率

由于采用精确送风，使有限的空调制冷量集中使用到机柜中，节省了很多冷量，所以可以在原有的机房里放置更多的计算机设备，达到增容（计算机容量）不增量（制冷量）的目的，充分发挥机房的功能。

自然换风系统：

设计理念：采用冷通道封闭的方法后，空调回风温度和焓值得到很大的提高，一般温度在30度以上，由于机房外的气温通常低于25度，因此可以将机房的热空气直接排除机房外，再将机房外的冷空气经过过过滤送入机房空调回风口，降低空调的负荷。

方案：

1，在生产机房安装新风机和排风机及加湿机；

2，实时监控室内的温湿度和室外的温湿度；

3，根据室内外的温湿度变化启动新风机和排风机及加湿器；

4，启动值根据新风机和排风机的换气量和室内温湿度设定。

新风过滤装置：

通信生产机房及数据中心洁净度要求：0.5um以上的尘粒数少于18000粒/L。

新风模式使用条件：

结合使用辅助节能方案，当室外小于24℃时即可达到完全使用室外冷风达到节能效果，所以采用此方法总的节能效果大约在50%~80%，改造后的PUE=1.2~1.4。

案例改造分享：

某二枢纽机房项目改造方案：

总名义制冷量：616KW；总风量 160000 m3/h；总制冷功率：211KW。

现有机架共约：175个，其中带设备机架为124个；设备总运行电流和总功率为324KW，我们认为95%的耗电功率都由热的形式释放，所需制冷量为308KW。

由此可见空调的制冷量远大于IT设备的发热量。

现有124个机架为IT设备机架（其它为配电等基本上不耗电或不需要制冷量的机架），平均每个机架运行功率约为：2.6KW。

现在机房运行10台空调的制冷量远大于发热量，（总制冷量为：616KW；发热量为308KW）机房空调回风温度设定在22℃，但环境温度在23~26℃左右，现场发现基本所有机房空调都处于制冷状态，但还出现局部过热的热岛现象，其原因我们分析如下：

目前的机房中设备机柜摆放基本是正面朝向相同，（A~L列都是右面为正面、N和M列为面对面排列、其中也有排风方向相反和上排风的机柜）由于大部分的设备机柜是服务器，服务器设备自身有的散热系统是冷却风从机柜正面进，散热风从机柜背面出。

由于使用的是上送风机组，机房空调出风直接排向机房且机房机架上设备自然横向或竖向排风，经空调制冷空气受机架排风影响无法达到远端机架进风口处导致局部环境过热现象。

由于空调出风口与回风口没有屏蔽，冷风从空调吹出后受横向机架排风遮挡导致冷风有部分短路直接回到空调的进风口，使空调的制冷效率降低，且使实际回风温度降低造成机房温度符合要求的假象，导致局部过热现象的发生。

由于排列顺序的原因导致前排的机柜进风温度是后排机柜所排热风温度与空调送风口所送冷风温度的混和：1排的进风温度是2排的出风温度与空调出风温度的和。当后排温度到大到一定值时，此时空调排风温度并不为此而降低导致前排的进风温度增加，从而导致前排的服务器环境温度的增加；

这样的现象有：A、C、E、H、I、J、K、L。

由于空调的排列问题导致有些机柜没有直接得到空调的冷量，而直接得到的是前排排风的热空气造成局部坏境过热。如：2排机柜，由于在空间中风在没有外力的情况下是不能转弯的，在2排机柜进风处冷风是很难到达的，它的进风温度基本上是3排机柜的排风温度，从而导致向这样机柜上的设备过热。

这样的现象有：B、D、F、G

由于墙柱和机架的遮挡，加上风流动的特性决定在墙柱及机架遮挡后的机柜更容易过热。

这样的现象有：D、F、G。

我们设计时考虑将来增容时按现有616KW制冷量的90%作用给机架上的通信设备制冷（十台空调九台运行一台作为备份）、现在124个设备机架再加上空闲机架以平均每个机架最大发热量4KW的情况来进行改造，这样每个机架所需最大约风量：1080m3/h；

先将所有空调的出风口封闭做主风道，再做支风道，然后在支风道下每个机架前做引风道，在引风道下做出风口并加设送风风扇系统，此送风系统由6台风扇组成，其中有一台风扇做为备用（每个风扇的风量在220m3/h）；个别机柜的设备运行功率可能较大，可以改变风扇的数量或风扇的参数来满足要求。

经现场勘查，机房中机架最高2.5M左右，机架顶与线架的距离最少有60CM。

机架进风处前方最小空间在80CM以上（C列局部区域），现场有充裕的空间可以做送风道及冷池。

我们还可以将大部分地区做冷池，个别局部地区做冷风直吹方式的混合形式。

有些机架为不可拆卸机柜门，但机柜门前空间较大并且这些机柜都有加高底座，这样可以将冷池加厚到能将机柜门包围或做到在维护时可将机柜门打开的设计。

由于大部分机架做到了冷热分离，使很多冷量直接作用到机架进风口处，所以可以适当提高空调的回风温度即使经过空调制冷的冷风温度也相应提高。一般回风温度可提高到26℃+/-2℃，这样有冷池的机架的进风口处的送风温度在18~22℃左右，但在没有冷池的区域采用直接送风方式加大送风量使其混合温度达到要求。

若采用高效冷却系统，在不增加空调设备的情况下，改造后在解决局部过热的问题后还可以将 IＴ服务器的运行功率由324KW增加到470KW，相当于又建半个机房，在市区机房每平米造价最少要10000元（包括空调设备、机架设备），525平米机房相当节省260万元；不算节能的效果，在解决局部过热的同时基本建设投资就可节约近260万元。

改造效果：

一：提高回风温度产生的节能效果

机房按 35×15× 6（m）计算：

上、下截面积：35×6=210m2；

左、右截面积：15×6=90m2；

地面、屋顶 525m2。

二：提高回风温度产生的节能效果

墙体冷负荷：Qw=KwFw(twp+Δtfp+Δtw-tn)

Kw—墙体的传热系数，W/（m2 M*℃）；

Fw—墙体的面积，m2；

twp—室外日平均温度，℃；

Δtfp—墙体热辐射平均温升 ℃；