上海某公司数据中心节能改良方案讨论

刘 聪

(上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 201306)

随着我国信息产业的发展，数字化程度日益提高，数据中心作为数字经济的重要保障，其规模不断扩大，随之也带来了巨大的能源消耗，2019年，我国数据中心耗电量占社会耗电量2.2%，超1 500亿kW·h，成为典型的耗电大户，同时在运营的数据中心面临电费快速增长、利润压力大的形势。

针对这一问题，国家全面部署数据中心的节能工作，将节能减排的要求逐渐纳入运营商各级公司考核关键指标(KPI)，利用节能改造手段达到节能减排目标成为当前从事数据中心运维工作者的研究方向之一。制冷系统能耗在数据中心整体能耗架构中所占的比重达到40%[1]，制冷系统的节能改良工作对于降低数据中心整体耗电量将具有很大帮助。

上海某公司针对所属早期建设的数据中心出现的能耗高，效率低的问题，自2019年起对运行中的数个老旧数据中心进行节能改造施工，采取了对老旧定频风冷空调改造和气流组织优化的两种手段实现IDC的节能运行，其中在老旧定频空调项目中，分别对3个试点机房采取了增装节能控制柜、氟泵改造节能施工方案，实践表明：两种方案均获得了不同程度的节能效果。因此，笔者将立足于IDC产业发展方向，分析现有的IDC的能耗水平，通过对上海某公司IDC老旧定频风冷空调的节能改造项目持续跟踪，研究各种改造方式的工作原理和在实施后所达到的节能效果，并对实际运行暴露出的问题进行讨论，提出一系列的优化方案；针对该公司内存在热环境问题的机房进行研究，利用CFD模拟的方式，提出优化建议，消除局部热点和局部冷区，提高服务器运行安全性和减少冷量浪费，做到安全运行和节能高效。

1 节能改造方案

1.1 风冷制冷设备改造

风冷型制冷设备因为结构简单、初期投入低、可靠性高的原因被中小型数据中心广泛使用。风冷型制冷设备由室内机、室外机和连接氟管组成，室内机由压缩机、膨胀阀和蒸发器组成，室外机利用冷凝设备进行散热，利用氟管可以实现冷量输送和气流传输。风冷空调整体能效相对较低，而且由于广泛使用的原因，所以能耗巨大，是节能减排的最佳目标，当前风冷空调节能改造工作主要通过降低压缩机的使用时间和减少压缩机工作能耗两种方式达到节能目的。

1.2 风冷空调改造

1.2.1 氟泵改造。 氟泵空调通常利用“双冷源”即压缩机制冷和自然冷源实现纯压缩机制冷工作模式、压缩机-氟泵工作模式、纯氟泵工作模式。3种工作模式转换受到室外温度、冷凝压力影响，正常情况下转换温度如下：①压缩机模式适用于气温高于25℃。 ②压缩机-氟泵工作模式适用于气温5℃～25℃。 ③纯氟泵工作模式适用于低于5℃。

由于氟泵功耗远小于压缩机功耗，所以利用氟泵减少压缩机使用可以有效降低制冷系统整体能耗。氟泵改造利用旁通压缩机的方式，减少压缩机使用时间，降低压缩机能耗，氟泵工作原理图(如图1所示)。在过渡季节适用压缩机-氟泵工作模式，此时氟泵主要增加冷凝器出口压力，降低压缩机工作能耗，压缩机-氟泵工作模式若采用变频空调可以更好达到节能效果；在气温较低的冬季，关停压缩机，利用氟泵系统可以驱动冷媒流通，制冷系统此时作为一套冷热交换的热管设备。在实际运行中，压缩机-氟泵工作模式相比较纯压缩机工作可以降低能耗20%，而纯氟泵模式的节能效率高达60%。

图1 氟泵原理

1.2.2 变频改造。 定频空调因为结构简单、投入低、安全性高的原因在早期数据中心中广泛使用，但是可能存在冷热不匹配的问题造成冷量浪费。对定频空调的变频改造，可以根据机房的负载热量调整冷媒流量，降低冷量浪费，从而降低制冷系统能耗。在上海某机房改造项目中，采用安装节能控制柜的方式，通过对比设定温度和室内温度，自动调节冷媒流动，使冷热匹配，在定频改变频项目中空调耗电量降低17%。

1.3 气流组织优化

气流组织优化是改善热环境的重要手段，研究表明不合理的气流组织不但会造成冷量的浪费，而且会增加机房能耗[2]。利用气流组织优化的方式可以减少机房冷热掺杂情况，提高冷量利用率，消除局部热点和机房存在的运营风险，达到节能减排的目标[3]，气流组织改造原则是不对机房进行结构性改造，保证优化过程中机房正常运行[4]。

1.4 气流组织模拟校验

气流组织改造项目利用CFD软件对机房进行模拟仿真，模拟仿真前需要对仿真的结果和实际对照，确保准确性，才能达到“对症下药”的目的，通常利用实际和仿真地板上温度场校验、地板底部出风量对比的两种方式判断模拟仿真的准确性。

1.4.1 温度场校验。利用移动环境测量平台，获取机房内不同位置不同高度的温度数据，通过这种方式可以获得精确地温度数据得到实测云图，对比CFD软件得到的模拟温度云图，如果两者冷热分布相似，便可确认本次模拟有效。

1.4.2 地板底部出风量对比。利用地板底部出风量实测和模拟对比可以验证气流仿真的准确性，若模拟值和实测值误差保证在10%以内，则证明机房地板下模拟的有效性。

1.5 机房存在问题及改造方案

通过对数据中心的勘察和模拟仿真，发现老旧数据中心普遍存在负载和出风量不匹配、部分机柜存在反装设备造成局部热点、冷风量利用率低说明空调使用亟须优化的问题，通常根据整改经验采取以下整改方案：①针对地板下气流存在湍流以及部分区域有负压倒吸风的问题，通常采用安装导流条和调整地板开孔率的方案。导流条可以有效解决地板下气流不畅的问题，将冷空气更有效地送到指定区域，消除因为因地板下静压不稳而导致的负压倒吸风和湍流问题。 ②反装设备是实际进出风方向与机柜冷热侧方向相反，这种现象不但会对机柜气流组织节能十分不利也会导致设备自身寿命降低和出现安全性问题。针对部分区域存在反装设备的问题，通常采取对该区域进行不完全冷气流封闭的方案。调整设备的安装是反装设备问题最有效地改善手段，但是改变安装方向需要寻求客户的支持，在无法调整方向的前提下，可以采用允许部分冷空气进入热侧帮助反装设备降温的方式，也就是对存在反装设备的区域进行不完全冷气流封闭。这种方案虽然可以保障设备的安全运行，但是增加空调能耗，不利于冷热气流隔离，导致节能效果变差。③针对冷风利用率低的问题，在进行开孔地板调整和安装倒流装置后，在保证设备符合GB-50174要求的前提下适量关闭空调。

1.6 优化结果及项目案例

经过改造方案的实施，消除入口温度过低和过热的现象，满足IT设备温度需要在18 ℃～27 ℃温度范围内运行的要求。通过对比优化前后RCI(计算机架冷却指数)和ASE数值(冷风利用率)的方法，得出该数据中心经过以上方案改造后热环境改善情况，从而验证本次施工方案的有效性。

1.6.1 RCI计算公式。

(1)

(2)

式中：Tx—IT设备入口温度；

Tmax-rec—最高建议温度(25℃)；

Tmax-all—最高允许温度(27℃)；

N— 实测入口数目；

Tmin-rec—最低建议温度(20℃)；

Tmin-all—最低允许温度(18℃)。

按照当前通用标准，当计算数值大于96%为良好，数值在91%～95%之间时可以接受，小于90%时为差。

1.6.2 ASE的计算。

(3)

式中：Vrack-in—IT设备需求风量；

Vacu-supply— 总循环风量。

通过对上海某数据中心的勘察和模拟仿真，发现该机房存在负载和出风量不匹配，地板下气流存在湍流以及部分区域有负压倒吸风的问题，提出利用安装导流条和调整地板开孔率的方案；针对部分区域存在反装设备的问题，提出了对该区域进行不完全冷气流封闭的方案；针对冷风利用率低的问题，在进行开孔地板调整和安装倒流装置后提出适量关闭空调的方案；针对冷量利用率低的问题，提出适当关停空调地方案。仿真结果表明，以上措施的实施，有利于该数据中心热环境的改善，也有助于机房节能，在上海某数据中心的气流改造项目中，经过改造后可以达到20%左右的节能效果。

2 结束语

通过对3种方案的介绍，发现3种方案可以一定程度解决机房高功耗的问题，其中定频空调转变频空调可以通过控制冷媒流量的方式，调整制冷量，提高机房冷热匹配度；氟泵改造通过旁通压缩机的方式，减少压缩机的使用时间，降低压缩机功耗，达到节能目的；利用气流组织优化，可以提高冷风利用率，消除局部热区，提高机房能效和安全性。在改造前需要考虑机房的实际情况和改造成本投入选择合适的改造方案，尽量降低回收周期，定频改变频方式，节能收益受到改造前机房制冷冗余量的影响，改造前需要计算机房冷量情况；氟泵改造初期投入较大，需要尽可能延长出氟泵的工作时间，在改造前需要考虑全年温度情况和机房负载情况。