IT机房全智能送风节能改造分析

文｜太极计算机股份有限公司 周一民

1 项目背景

1.1 目前市场概述

近几年来，随着信息技术的普及，数据中心的IT设备数量增长加速；同时，电力价格持续上升并且供应越来越紧张，数据中心面临不断扩容的压力和不断增长的电能消耗，节电成为全球数据中心管理者共同关注的话题。

我国通信网络基础建设资金大量投入，网络规模位于世界首位，通信行业已经成为推动国民经济增长的主要产业。同时，通信行业不间断运行与维护，尤其是大量通信设备汇集的机房和覆盖全国的无线基站等能源成本日益增长，占运营企业经营投入的比例越来越大。通信运营企业纷纷就节能减排推出新举措。

数据中心及通信行业不仅是一个高科技的行业，也是一个高耗能的行业，机房过热、机房利用率极低、耗能高为以前老机房的普遍现象。随着网络规模的不断扩张，通信行业迅速发展，带来用电量的迅速增长，但其节能空间也非常大，“节能减排”已成为人们耳熟能详的一个词，与之相对应的“生态文明”也将深入人心，建设“绿色数据中心”是现在数据及通信中心管理者的首要任务。

SUN公司为下一代“绿色数据中心”推出了一个新的评判标准：即以SWAP值来评判数据中心内部署的服务器系统功效状况和经济性，它是综合考虑了服务器占用的空间、功耗与性能等因素。

所以在同等性能时减少使用空间和降低能耗是提高SWAP的最直接的途径。

1.2 国家产业政策

“节能减排”不仅被立为国策，更是企业发展的战略目标。

早在2010年国资委下发的第23号令规定了《中央企业节能减排监督管理暂行办法》将节能减排作为“中央企业负责人经营业绩考核”的重要目标。

“节约能源、保护环境”已是各级政府工作的重点。许多城市和地区已经采取措施，如利用峰谷用电等。然而，节能不仅是各级政府的事，也是全民的事，特别是对于各企业更是责无旁贷。

温家宝总理在2011年初的政府工作报告中正式披露，“十二五”单位GDP能耗下降目标确定为16%。同时公布的还有新增的约束性指标，二氧化碳排放降低17%。作为耗能大户，数据及电信运营商的节能举措无疑将成为完成这个总体目标的重要组成部分。在2010年12月25日召开的全国工业和信息化工作会议上，时任工业和信息化部部长李毅中在工作报告中提出“十二五”期间工业的节能和二氧化碳减排目标。李毅中表示，力争2015年，单位工业增加值能耗和二氧化碳排放量比“十一五”末均降低16%左右。他还表示，2011年初定单位工业增加值能耗和二氧化碳排放量各降低4%。

“这是工信部第一次在自己的五年规划中提出减碳目标。”一位业内人士表示，“这一目标将大大推动工业企业节能和减碳的积极性。”

中国电信在2010年4月就节能改造方案提出了一个《中国电信集团节能减排指导意见2010版（征求意见稿）》明确了节能减排的实施办法；可见各行业都在为十二五的节能减排任务做准备。

2 项目概况

针对前述背景及国家相关产业政策，我们提出“高效送风控制系统”新设计理念。

2.1 目前运行的老机房现实状况

据测算，我国的IDC机房空调设备的能耗大概占了45%左右、IT设备的能耗则占了30%、电源系统占18%、其他占7%。通信机房及数据中心通常是用来对信息进行集中处理的地方，计算机设备、网络设备、存储设备、通信设备是处理信息必不可少的IT关键设备，这些设备节能是IT设备供应商的责任。而对于那些用来保障IT关键设备运行的基础设备，如UPS、空调，人们往往不太注意，殊不知这些设备也是电能消耗的大户，但供电系统只占18%，通过对其进行节能措施基本上是办不到，即使使用任何技术能在原基础上节能10%，对整个系统也是微不足道的，所以可以看到空调的制冷系统的节能是很重要的。

我们都知道空调系统的能效比在1∶2.5～1∶3，也就是说我们用1kW的能耗可以带来3kW的制冷量，而根据我们发现，空调的制冷能耗比例为33%，而IT设备的能耗只占30%，我们认为这30%的能耗都是以热量来散发给机房，我们只要有10%的制冷能耗就应该满足这30%的热量冷却，而事实是我们还需要33%的制冷能耗来满足30%的发热量，足以见得机房的能耗高且也有很大的节能潜力。

应该说，制冷并不是一开始就成为数据中心中的用电大户，而是随着计算机应用的普及才使得这个问题日渐突出。过去，由于计算机应用并不普及，数据中心的IT关键设备也不多，机房空间相对比较宽裕，机柜中很少有局部热点出现。因此，有的数据中心即使采用普通空调来为机房制冷，只要保证机房内的温度符合设备正常工作温度即可，机柜内的设备也就能正常运行。

如今，随着IT技术的普及，IT设备的需求量呈现爆炸性的增长，机房日渐拥挤起来。过去宽敞的机房空间逐渐被大大小小的机柜所挤占，与此同时，机柜中的服务器、交换机的数量也大大增加，机房的整体温度和机柜中的温度都迅速升高，特别是近年兴起的刀片服务器更是进一步加重了这一问题的严重性。

单就刀片服务器本身而言，它降低了维护成本，而且省地、节能，但刀片服务器却导致机柜内热密度迅速上升，即使增加了足够多的空调，机房内仍然会出现局部过热现象，这让制冷问题日益突出。

在一些数据中心机房中甚至出现部分区域温度已经降到10多度，而机房中仍然出现高温报警的尴尬局面。

正是由于这方面的原因，在机房空间日渐宝贵的情况下，机柜里仍然不得不以牺牲机房容积率的办法，在机架上空出许多空间来达到设备的制冷要求。事实上，机房的制冷能力已经限制了每个机柜中刀片服务器的安装数量。

2.2 造成老机房能耗高、局部过热、容积率低的根本原因，如图1所示

（1）排放：老机房是按机柜正面朝向一致的方式排列，造成了前排的机柜出风口直接对着后排机柜的进风口，导致后排机柜的进风温度升高；虽然有冷风补充但由于出风口的风压低和不充分，不能将冷风输送到所有机柜的设备上，最终导致局部过热现象的发生，如图2所示。

（2）风的短路：由于出风口的冷风出风压力较低，使冷风无法输送到机柜出风口的远端，机柜中的服务器自带风机将热风也吸收到服务器中，导致服务器的进风温度升高，如图3所示。

图1

图2

图3

（3）风道的堵塞：对于下送风系统，由于地板下风道有电缆，将风道堵塞造成机柜局部地区冷风不能按需输送到出风口，造成局部过热现象。

（4）结论：由以上可见，局部过热问题主要是机房的气流组织不力造成的。由于局部过热现象的发生导致用户为设备安全运行，增加过多的空调，空调之间不能统一调度，致使在空调运行过程中有的制冷、有的制热，造成很大浪费；又由于有的机房空调的无序排放，使得空调冷风相互阻挡造成浪费； 还有机房中冷热不均，有的地方冷、有的地方热，使得很多的热辐射直接传入机房增加空调负担，造成浪费。

由于机房已经出现局部过热的现象，使用户不能也不敢在机柜中增加设备的投入，以致在老机房中，大部分机柜中设备不足机柜的30%，设备的平均运行功率小于2kW，造成了机房的容积率很低。

2.3 如何解决以上问题

要降低数据中心制冷的能源消耗，最根本的办法是减少外界的热量进入，同时提高空调的制冷效率，合理控制空调回风温度，节电效果显著。经测算，如果夏季空调温度调高1℃，公共建筑空调能耗可降低8%、机房能耗降低3%，如图4所示。每个机柜的进风口加装进风风道，使之成为一个小的冷池环境，其风量大小可以根据机柜中的温度传感器所测得的温度或机柜中IT设备的总电流数值按需要随时调节，数据中心的集中监控系统通过监控所有的机柜温度和风量的数据来调节精密空调的总制冷量和总风量，该技术可能将数据中心的降温成本降低30%～50%。

图4

3 节能的原理

3.1 提高空调的回风温度

（1）提高回风温度的可行性：机房原设计规范为：21±2℃（现在的设计规范为23±1℃），也就是服务器设备的最佳工作温度。

要达到机房设计要求，须将空调的回风温度调整到22±2℃ ，这样空调在回风温度24℃时空调制冷开始工作、在20℃时停止制冷，由于机房空调的蒸发温度在8℃～10℃，此时空调的出风温度为12℃～16℃，这样经空调制冷的冷风与室内的热风混合才能达到机房的温度要求，但由于气流分配的不均匀，易造成局部过冷、局部过热的冷热不均现象，这样使很多冷量大量流失造成浪费，同时也可能造成有的空调制冷、有的空调制热；还由于在过冷的区域，外界对机房的热辐射增加，而采用高效送风控制系统，由于使用了冷热分离的措施，经过空调冷却后的冷风可直接输送到机柜设备的进风口处，不与机房内的热风混合，这样只要使空调的送风温度达到22±2℃要求，就可满足IT设备的正常运行。这样空调的回风温度就可设在30±2℃。

（2）提高回风温度的节能原理：采用高效送风控制系统，空调的回风温度可设置在30+2℃，回风温度在32℃时才开启制冷功能，在28℃时停止制冷，大大减少了对空调制冷要求、提高了制冷效率，从而达到节能的目的。

◆ 按每提高1℃降低机房能耗3%计算，全机房总电力需求可节约25%；

◆ 由于机房环境温度可提高到30+2℃，考虑在夏天由于外界对机房的热辐射的减小，在冬季加大了外界的冷辐射效率，也可产生很大的节能效果，所以总节能效率在30%～50%。

3.2 按需制冷

由于采用高效送风控制系统，机房改造后可根据机房实际制冷量和风量的需求，采用按需开启机房空调的控制，在很多情况下不需要全部空调都开启运行，从而达到节能的目的。

3.3 减少制冷环境

通过采用高效送风控制系统，将空调的制冷环境由机房的大环境变成了机柜前的小环境，减少了空调的制冷空间。

4 解决的问题

（1）局部过热：高效送风系统可根据每个机柜的发热状态进行微环境的冷风控制，并根据机柜的实际发热情况调整机柜的冷风风量，彻底改善了局部过热现象。

（2）节能：由于提高了空调的回风温度、按需调整空调的使用数量、减少空调的制冷空间，从而达到了节能的目的。

（3）提高机房的容积率：由于解决了以上的问题，使机房在原有的面积和原有的空调数量不变的情况下，可以增加IT设备，充分发挥机房的效率达到提高机房的容积率的目的。

1 通信机房节能技术应用综述.