数据机房空调系统节能优化

张 玲

（上海迪普自动化技术有限公司，上海 201100）

0 引言

数据中心空调系统是确保数据机房中电子设备正常运行的关键辅助系统，其在运行过程中能耗会随着数据机房中电子设备对运行环境以及功率密度的改变而发生变化，而空调系统的能耗在整个数据机房运行中的能耗占比大概在25%～35%，因此降低能耗成为数据机房运营方重点关注的内容。

1 数据机房空调系统的作用

数据机房中的设备都是由精密机械、微电子等各种设备构成的，这些设备在应用期间容易受到湿度、温度等各项因素的影响。温度和湿度对于数据机房的运行会造成直接影响，温度过低会导致采用的绝缘材料变脆，而温度过高则会导致印刷电路板结构变弱，容易引起问题，影响设备的使用性能，无法发挥出相应的作用[1]。同时，对于数据机房设备性能，湿度也是其中的一项影响因素，若湿度较高，水蒸气会在电介质材料或电子软件表层形成水膜，造成元器件有通路形成，破坏设备；若湿度过低，极易积累静电压[2]。

为了确保数据机房中的温度和湿度始终都处在合理范围内，要在数据机房中安置空调系统，通过对空调系统的应用，完成对数据机房中温度和湿度的控制，确保数据机房中各种设备在运行时的稳定性，延长设备寿命。

2 数据机房空调系统存在的问题

从目前多数机房空调系统的运行情况来看，存在冷气流短路、制冷量过大、数据机房内部分温度超出限制等，这些问题都会导致数据机房不能稳定运行。导致上述问题的原因主要有以下3 点：

（1）空调设备选型存在问题。数据机房空调系统设计中，空调设备的选型非常重要。在进行选型过程中，关键在于机房冷负荷参数的确定。总体机房冷热负荷关键在于服务器散热所形成的负荷，机房内的热能是由电能转换而成的[3]。每一台设备设计在出厂后，额定功率是设备在运行时的最大功率，设备发热时，设计人员一般会直接利用额定功率与转换率（90%～97%）相乘，将乘积作为数据机房在运行时设备的发热数值。但是，从实际情况来看，依据服务器在运行期间在用途上的不同，其在运行时的实际功率都不会达到额定功率的60%，而在对数据机房中采用的空调设备选型时，设计人员经常会出现考虑不当现象，设备运作时，可能发生过大制冷量问题。空调运行期间，为了快速达到所设定的温度，在制冷过程中可能耗费大量电力进行制冷处理，这会造成非必要浪费问题[4]。

（2）气流组织存在问题。部分数据机房的空调设备未放在机房内，而被单独放置，这种布置形式，常规做法都是采用吊顶风管回风、地板下送风或者采取地板回风、吊顶风管送风，这两种方式都会发生送、回风短路问题，原因在于送、回风口布置位置及气流路径长度，而且这样的结构也不容易让冷源空气有效跟发热的电子设备直接接触（只能通过空气内部的对流散热），若未能有效组织送风、回风，系统中可能混合着冷风、热风，且无法通过有效的方法将热量散出[5]。很多数据机房在建设时，静压箱为架空地板，开口置于机柜旁，为自由式送风。但是，从实际情况来看，因为架空地板高度通常都在（320～450）mm，与相关标准的600 mm 相关甚远，有的架空地板高度接近260 mm，而且地板内还有大量线槽、线缆，这种情况造成地板送风口风量分配不稳定，造成有的区域温度低，而有的则温度高。

（3）机柜布置存在问题。早期一些数据机房，在具体布置时，受经济、空间、技术等多项因素限制，未能全面考虑数据机房内气流组织问题，布置机具时采用的是同一方向、多排布置法，送风采用架空地板，通过在机柜前开一个空调的送风口，采取该方式布置，通过机柜前，冷空气进入，吸收了热量之后再由后面排出去，当气体进入后排机柜中，与冷空气混合在一起就可有效提升后排机柜的温度，空调制冷效率也会大打折扣，对其性能和应用会造成直接影响[6]。需要注意的是，采取冷、热通过数据机房，在实际开展工作时，为了能让管理和检修更方便，把高负载密度、高功率机柜放于同个冷热通道内，这样的布置方法造成通过制冷效果不明显，有时发现高温预警。且空调的工况在设定时有一些问题，如冷媒管路过长等，也都会增加空调系统在运行时的能耗量。

3 优化数据机房空调系统的合理措施

3.1 确定机房运行温度

随着电子信息设备性能的提升，其对物理环境的要求变得更加宽松，而对于节能的要求则不断提高，这也就要求人们要对数据机房内的空调系统设计参数进行调整，但是，从实际情况来看，许多数据中心仍然依据23 ℃±1 ℃作为设计标准和机房稳定运行的具体温度[7]。

数据机房运行期间，环境温度控制要依据下列要求进行：①冷通道、机柜进风区域将温度控制在（18～27）℃，不得发生结露现象；②控制在（5.5～15）℃，而相对湿度要控制在60%以内。根据数据机房中的空调设备在运行过程中的具体状况，适当提升制冷系数，在保证数据机房中各项设备稳定运行基础上，适当降低加热、制冷、除湿、加湿等各个方面的能耗，而且设定的环境温度越高，则节能效果越显著。

3.2 改善气流组织模式

气流组织模式存在问题是导致数据中心空调系统在运行时能耗量过高的关键原因，依据数据机房的应用和规模情况，选择可以有效排出数据机房中产生中各种余热的气流组织，进而保证数据机房的湿度和温度都达到数据机房中各种电子设备的运行需求[8]。数据机房组织一方面包括数据机房的气流组织，另一方面也包括机柜内的气流组织。当机房内气流分布合理时，机柜散热良好，具体放置位置合理，可进一步提高机柜内服务器的散热率，并使柜内温差最小，达到节能的目的。

（1）组织机房气流。在上送风方式下，资料室大多数机柜的冷却风口设置在前端或底部，排风口设置在机柜后部或顶部。冷空气通过顶部送到房间。冷风与机房内的热风混合，气体充分混合后送入通道柜内，然后对气体进行冷却，以适当减小机柜内的对流温差，提高机柜运行时的冷却效率[9]。根据下送上回风的送风方式，冷空气通过地板送风口合理送至机房。冷空气由机柜吸入，然后加热并排出。热空气会自动向上漂浮，最终进入空调设备。与传统的送风方式相比，这种方式增大了柜内对流换热的温差，在一定程度上提高了散热效率，降低了气流分布阻力，达到了节能的目的。

“冷热通道”的布置实际上是为了优化向下进料、向上回流的组织方式。对于机柜数量较多的机房，机柜的布置应采用面对面、背靠背的方式。采用这种方式，空调出风口可布置在两排机柜的前通道内，形成“冷通道”。冷空气通过设备后，温度会上升，然后从机柜背面的“热通道”摆动离开。热空气最终通过回风出口输送至空调设备。这样可以保证机房内气体的顺畅流动，使数据机房中的空调在运行期间的制冷能够达到期望效果。此外，在采取了的“冷热通道”方式布置，为了隔离好冷热气流，采用挡板对数据机房中“冷通道”和“热通道”进行适当隔离，也可以将某一通道封闭方式，高效利用冷气流，减少能耗。

列间送风是一种新型的送风方式。随着高密度数据机房的出现，列间送风一般采用封闭式“冷热通道”相结合的方式，列间空调布置在机柜间。资料室柱间空调采用小风扇水平送冷风。由于资料室机柜安装紧凑，安装在服务器后部的风机与水平风能形成空气循环，使空调的制冷量得到合理、充分的利用。这种布局模式与传统空调模式相比，节能效果也比较明显。

（2）机柜气流组织。机柜成排排列，合理应用冷热通道技术，避免均匀布置；在机柜内自由位置的进风口附近安装盲板，避免热空气再次吸入服务器入口，造成短路问题；堵塞机柜之间的缝隙。

3.3 精准计算空调冷负荷

计算夏季空调冷负荷，不得单纯地依据过去工作经验对数据机房的空调负荷进行估算，要对设备散热、太阳辐射、人体散热等各项问题进行全面、精准计算。同时，针对关键部位设备散热，不能利用设备在运行时的额定功率与热转换率相乘作为数据机房在运行时的发热量，要依据设备供应商提供的处理器数据、PCI 卡数量等各项内容，对设备在运行时的具体功能，以及大热量等内容作为参考值，将这一数据作为空调负荷计算输入值，确保最终计算结果精准无误，有效提升空调系统的效率，减少能源的消耗。

3.4 采用自然冷源

自然冷源的运用指的是全部、部分采用自然界内的天然冷源，完成相应制冷目的，有效减少数据机房运动时的空调能耗。目前分析，多数的数据机房运行时利用自然冷源是过渡季节、冬季冷空气，把传到外面的空气做好过滤之后再引入至机房，使其作为冷源。该方式应用原理简单，成本不高，但要注意运用自然冷源减少数据机房内设备温度受室外温度变化、太阳辐射的变化，使用联动机房空调以及新风的系统，确保数据机房稳定运行。

4 结语

大数据时代的到来使用户体验发生了革命性的改变，使网络及通信行业在运行时提高了对信息和数据运用和处理方面的需求，数据中心规模不断扩大。对于数据机房空调系统要全面结合具体情况，对数据机房内的空调系统进行优化，减少能耗，确保数据机房稳定运行。