基于提高机房环境设定温度的机柜直冷技术的应用分析

彭渊博 王浔 周明亮 赵鑫（中能深思（北京）节能技术有限公司）

1 当前机房能耗状况

据统计，我国数据中心机房目前的平均PUE（Power Usage Efficiency，能源利用效率，即机房总用电量与IT设备用电量之比）水平在2.0～2.5之间，中间值在2.2以上，也就是说每1 kW的主设备功耗带来的是2 kW以上的总功耗（包括空调制冷、配电、照明等），而其中空调系统的功耗已经占到了数据中心机房总功耗的45%以上。现有的空调系统高能耗是导致机房PUE值高企的主要原因。据相关统计，2011年度全国数据中心用电量已经达到700×108kWh，占全社会用电量的1.5%。在制冷方式不变的情况下，按照目前的发展趋势预计我国数据中心的总能耗到2015年将达到1 000×108kWh左右，其中空调系统耗电预计达到450×108kWh，能耗总量巨大，采取有效措施降低数据机房空调系统能耗已经显得十分必要。

2 机房空调系统高能耗的原因分析

2.1 机房运行环境温度要求

根据机房种类和等级的不同，对于机房运行环境的温度要求一般是22～26℃，原因是基于机房内的信息及通信设备对进风及出风温度的最苛刻标准要求，也就是说要保证机房内信息及通信设备的进风环境要求最高不能高于26℃。与此相应，为信息和通信设备的运行安全性考虑，机房空调系统制冷温度设定应保证在机房热负荷下，回风温度最高不应超过26℃。

绝大多数自带通风风扇的信息及通信设备，如果前面的进风维持不超过26℃，那么按照经过设备加热温升为10℃计算，则服务器的后端出风一般为36℃左右。目前按照信息及通信机房的传统制冷方式，采用机房精密空调所做的工作是将经过设备后被加热的空气从36℃冷却到26℃以下供设备循环使用，同时在兼顾处理因为外部热辐射、维护结构传热（由其在夏季时）、人员、照明等热源导致的机房温度上升，从而起到将信息及通信机房内的环境温度维持在不超过26℃的条件，保障信息及通信设备的安全运行。

2.2 传统机房精密空调的制冷和送冷方式

根据对IDC机房行业多年的相关研究表明，采用传统的机房精密空调的形式对机房进行制冷的方式，能耗巨大，浪费大量的电力能源消耗，而且还达不到理想的制冷效果。原因在于：

1）机房精密空调的冷却及气流组织形式决定了制冷效果的局限性。精密空调是通过对机房内大环境送风送冷，实现温度控制从而达到保障设备进风温度不超过26℃的技术要求的，那么在制冷运转的过程中就必须要求机房环境空间内所有的空气温度都不高于26℃，才能够保障所有设备对于进风不超过26℃的要求。

在具体的实施过程中，机房空调在机房内的布置位置是固定的，而一般情况下放置设备的机柜是分散布置在机房的空间内的，这就导致了机房空调的冷却效果不能兼顾到机房内所有设备的问题，从而出现了机房内冷热分布不均匀，出现了局部过热的现象。在实际的机房维护工作中，为了解决机房内的局部过热点，很多情况下会采用认为降低机房空调的回风设定温度，比如从26℃设定降低到18℃设定，从而去拉低机房的内部过热点，这就会出现虽然局部过热点现象得到了一定程度的缓解，但是会出现机房内的一些区域温度过低甚至是过冷的现象，更重要的是这种做法还降低了机房空调的运行效率，增加了运行时间，导致了能源消耗的巨大浪费。

2）传统机房精密空调气流组织、制冷模式和结构等方面制约导致无法充分挖掘自然冷源利用的潜力，对自然冷源的利用不足，在冷源环节消耗大量电能。根据我国的平均气象条件分析，如能充分利用自然冷源，可以使数据中心机房的PUE水平由目前的平均2.0以上降低到1.4以下，空调制冷系统的功耗下降60%以上。

综合以上分析，可以看出，机房温度与机柜内设备进风温度的强相关性导致机房温度设定较低，增加空调系统制冷能耗，同时，无自然冷源利用或者对自然冷源利用不充分，也是导致目前机房精密空调能耗高企的主要原因。

3 基于机柜微环境温度控制的新型直冷技术

3.1 直冷技术介绍

根据以上分析，本文将提出一种全新概念的针对机房信息和通信设备的冷却形式，整体的思路是：将控制机房总体环境温度变为控制机柜微环境温度，将机房环境温度和机柜内部微环境温度解耦，保障机柜内设备的进风及排放到机房空间内的空气的温度要求，降低机房大的环境空间内对温度的要求条件。

具体的实现形式：将机房内的每一台放置设备的机柜都看作是一个气流可以独立循环的空间，机柜的前柜门与后柜门采用热管蒸发端的形式，也就是说机柜的前柜门是一套热管蒸发器，后柜门也是一套热管蒸发器，空气在进出每台机柜的气流组织形式是：冷却—被设备加热—再被冷却的过程。同时，此结构将能最大限度地充分利用自然冷源制冷，比传统自然冷源利用更进一步降低制冷的电耗，其实现形式示意图如图1所示。

机房内放置设备的机柜的前柜门与后柜门分别做成热管原理换热的第一蒸发端与第二蒸发端，分别连接至室外冷却装置的一级冷凝器与二级冷凝器，冷凝器的形式可以是各种实现方式，比如水冷或其他液体冷却或者风冷的形式。同前柜门一体的第一蒸发端与一级冷凝器之间构成封闭的热管循环，同后柜门一体的第二蒸发端与二级冷凝器之间构成封闭的热管循环。按照目前的相关行业规范对机房环境的温度要求，即设备的进风温度不得超过26℃，那么机房采用此种冷却方式，机房的整体环境温度控制到不超过30℃，30℃的空气（黄色）先经过前柜门的第一蒸发端，被冷却到24℃以下（绿色），那么设备的实际进风温度我们是可以控制到24℃的，已经低于相关行业标准对于不超过26℃的技术要求；24℃的空气经过发热设备，对发热设备进行冷却后被加热到36℃（红色），36℃的热空气在经过后柜门的第二蒸发端，被降温冷却到30℃以下，排放到机房环境空间。

当然，一般情况下IT发热设备是自带风扇运行的，设备的自带风扇基本上可以满足柜内换热对于风量的要求，但是针对于热流密度较大的高功率密度设备及其他特殊情况，也可以考虑在机柜内的适当位置安装增加强制对流换热循环的风机，以达到加大气流组织，增加换热效率，更加保障设备运行安全的目的。

以上所提出机柜微环境温控直冷技术的结构形式，实现了机柜内部微环境温度和机房环境温度的解耦，并实现对自然冷源的充分利用，在提高了机房环境空间的整体设定温度、降低了设备的实际进风温度保障发热设备的运行安全的同时，提高了热管循环利用自然冷源的时段长度，是一种全新概念的IDC机房冷却形式，具有积极的实践创新及节能减排的社会意义。

3.2 增量节能效果分析

直冷形式对于提高自然冷源利用效率，增大节能量的分析如下：

热管原理的换热循环是利用蒸发端与冷凝端的温差作为驱动力来工作的，也就是说同样的其他条件不变，蒸发端与冷凝端的温差越大（蒸发端温度高于冷凝端），换热效率就越高，蒸发量就越大，排热量也就越大。根据热管原理在机房环境应用的经验，一般要求机房室外环境温度低于室内环境温度5℃以上时，热管设备才可以利用温差工作从而产生效果。所以当机房内的环境温度要求为26℃时，只有当机房室外气温不高于21℃时，热管设备才能利用自然冷源产生效果。但是按照本文中介绍的机房冷却形式，当机房内环境温度的要求提高到30℃时，同样是5℃温差，那么当机房室外气温不高于25℃时，热管设备即可产生效果利用自然冷源工作，完成自然相变循环，从而达到对机房降温排热的目的，大幅增加自然冷源利用的效率和时长，进一步降低制冷能耗。

依据北京地区的气象条件来分析，北京地区全年气温低于21℃的时间为6 161 h（全年为8 760 h），而气温低于25℃的时间为7 298 h（全年为8 760 h），也就是说采用本文介绍的机房冷却形式，会进一步提高机房冷却系统利用自然冷源的时间，北京地区全年有83.3%的时间段都可以利用自然冷源，较当前普通的自然冷源利用技术，增加利用时长可达18.5%，产生可观的增量节能效果。

3.3 高发热密度设备冷却分析

所提出的直冷冷却形式完全依靠机柜内部环境温度保证设备的散热平衡问题，采用热管技术传热效率高，传热容量大，能够迅速精确控制机柜内部温度，响应速度远远小于机房级制冷。且其直接面向设备冷却，基本不存在送风的问题，在冷量的产生、响应与传递方面远远好于传统机房制冷模式，可以将高发热密度设备的热量快速带走，实现冷热平衡，解决高发热密度设备的冷却问题。

4 结论

1）通过新型直冷技术可以完全实现机柜内部环境温度和机房总体环境温度的解耦，进一步增加信息和通信设备的运行安全性，并可最大限度挖掘自然冷源利用的潜力，产生显著的节能增量，大幅度降低数据机房能耗。

2）直冷技术优化了机房内的气流组织问题，解决了现有制冷方式下冷热不均及局部过热点现象，其结构形式对于解决高功率密度设备的冷却难题提供了解决方案。

3）根据直冷技术推广情况，可适时建议相关部门修订机房环境温度的设定标准，从标准方面为机房节能提供依据。