冷通道封闭技术在数据中心节能中的应用

英利能源（中国）有限公司 张 旭 崔 涛

论文在简述数据中心机房中机柜冷通道封闭技术应用的基础上，通过专业机房的CFD模拟软件模拟制冷环境、电能消耗及数据测算，得出机柜冷通道封闭技术对数据中心机房节能有重要的作用。

随着信息技术的飞速发展，各企业网络规模不断扩大，数据中心的用电成本也在不断上涨，节约用电是节能节支的一项重要措施。电能消耗主要包括机房日常运营用电和IT专业设备用电两部分。数据中心日常运营用电中，空调制冷用电占据非常大的比例。本文主要探究机柜冷通道封闭技术对空调的应用效果，提升空调的制冷效率，起到节约能源的作用。

1 机柜冷通道封闭技术

冷通道密闭组件用于高架地板和间接制冷环境，通过对数据中心机房地板下送风至密封的通道中，引导冷气从机柜前门进入，对设备降温后从机柜后门及时排出，形成流动气流方式，主要作用是防止冷热气流混合，及时返回空调回风口，提高冷气的使用效率，从而实现节能减排的目的；同时，机柜冷通道封闭技术可有效降低机房能源消耗率PUE数值，提高数据中心空间利用效率，可增加机柜设备存放密度，提高数据中心的IT设备容积率。此外，数据中心机房机柜还有一种热通道封闭的方式，热通道封闭是将机柜采用背靠背的摆放形式，封闭其热风区域形成的热通道。考虑到机房的安全性，热通道又是一个热量集中的区域，所以一般情况下要对其进行强制抽风回到空调。这种方式在实际应用中很少采用，除了安全性的考虑外，在施工联动方面也很复杂、繁琐。由于热通道封闭技术相对冷通道封闭技术施工工艺要求比较高，所以日常应用过程中使用的比较少。

2 机柜通道封闭节能的数据测算

在测试过程中，我们设计了面对面、背对背的机柜摆放、地板下送风、封闭冷通道、无吊顶自由回风等气流组织方式，并通过美国Innovative Research, Inc.公司研制的专门针对机房的CFD模拟软件TileFlow对几种气流组织方式进行了验证计算。计算结果说明，半封闭冷通道可以显著提高空调系统的制冷效率，并允许运维人员在后期运行中采用一系列的节能运行模式而不影响到服务器送风温度。

为简化数据分析，我们先建立一个较小的数据中心机房模型来比较整体效果。

布置了如下设备：2台精密空调，下送风，显冷量63.5kW/台（24℃回风条件），最大风量15,500CMH/台；18台机柜，其中15台发热量为3.2kW/台，需求风量857CMH/台；2台发热量为1.6kW/台，需求风量429CMH/台；1台（配电列头柜）发热量为0，需求风量为0；18片25%通风率通风地板。

在进行模拟运算的时候，按照表1模拟了四种运行情景。

表1 模拟四种情况

通过计算发现，在有效送风距离范围内（一般为2～16m），越靠近精密空调的通风地板，其出风量越小，其主要原因是在靠近精密空调区域地板下的压力较低，水平风速较快，导致垂直出风速度较低。图1、图2列举了空调开启时地板下的压力分布情况。

图1 两台空调开启时地板下的压力分布

图2 一台空调开启时地板下的压力分布

从计算结果中发现，虽然按照冷量计算，一台空调开启一台空调备份的模式足以对本数据中心机房进行制冷，但是在实际模拟时，仍然有2台机柜的局部进风温度超过了国家标准要求的24℃。

通过模拟软件测算发现，在机柜的正面温度分布不均匀，靠近冷走廊外沿部分及机柜顶部温度最高，其主要原因是地板送风量在靠近精密空调的区域比远离精密空调的区域低，这样回流的热气容易导致机柜正面升温。那么回流的热气是从哪里来的呢？

从情景A1冷通道纵向温度分布中发现，来自于送风地板的冷空气在惯性上升的过程中遇到机柜背面发出的热空气而被升温，这种现象在冷空气风量较弱的部分尤为明显。

通过情景A1冷通道水平温度分布可知，大量机柜背面释放的热空气从冷走廊的顶部及两侧侵入，导致机柜正面的温度分布不均衡。

从情景A1冷通道横向温度分布看出，部分热空气从机柜背部发出，并从机柜上方回馈到机柜正面。

从情景A2机柜正面温度分布、情景A2冷通道纵向温度分布、情景A2冷通道水平温度分布、情景A2冷通道横向温度分布的计算结果中了解到，由于两台空调同时开启，提供了过量的冷风，阻挡了热风从冷通道上方及侧面侵入，避免了机柜重新吸入热空气的情况。然而，这种消除热点的方式由于开启了过量的空调，提供过量的风量，并导致过量的压缩机运转，甚至引入了过量制冷及加热、加湿循环，浪费了大量电能，并不值得推荐。

在情景B1的计算结果中，机柜正面的送风温度非常理想，均低于国标要求的24℃，甚至最高不超过14℃。

情景B1机柜正面温度分布与A1情景形成鲜明的对比，在封闭冷通道之后，机柜正面的温度分布非常均匀，无论是机柜顶部还是冷通道末端都没有出现冷空气被热空气“侵蚀”的情况。

情景B1的计算结果让我们对冷通道半封闭这种气流组织模式充满了信心，并且我们发现机柜正面的温度分布非常均匀而且普遍较低，这让我们对情景B2的计算结果充满的期待。在将空调回风温度从24℃提升到28℃的情况下，我们的气流组织模式是否能达到很好的效果？

在情景B2的计算结果中，机柜正面的送风温度同样低于国标要求的24℃，甚至最高不超过18℃。相比之下，不封闭冷通道的情景A3由于提升了空调回风温度，无法在机柜正面提供良好的送风温度，将导致多个机柜过热。

通过情景A3的模拟结果，从反面充分说明了如果不对冷通道进行封闭处理，精密空调将无法通过提升回风温度的方式达到节能的目的。

3 机柜通道封闭节能的结论

在比较上述四种情景的模拟之后，可以总结出如下结论：封闭式冷通道能有效改善机柜正面送风温度的分布。由于封闭式冷通道确保机柜正面的温度均匀分布，能够提升空调的回风温度而不在数据中心机房内产生热点，也不会影响IT设备的正常运行。

提升空调回风温度有如下优点：（1）可以使室内空气持续高于露点温度运行，避免空调的过量制冷、除湿、加湿和加热流程，从而节省大量能耗。（2）在采用相同室内机情况下，可以提升制冷机组冷冻水的供回水温度。在较高供回水温度的工况下，制冷机组在相同制冷量情况下的耗电量将大大降低，且自然冷却对室外气温的要求可以大幅提升，从而延长自然冷却时间并降低制冷机组的耗电量。