［王子懿］

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+的飛速發(fā)展，IDC 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也越來越龐大，已然成為了電信行業(yè)的耗電大戶，而其中空調(diào)系統(tǒng)用電占比普遍超過40%，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的總體PUE 值不夠理想。如何在IT 設(shè)備上架越來越密集、用電量越來越大的情況下，既保證機(jī)房制冷安全，又減少空調(diào)能耗，從而降低數(shù)據(jù)中心的PUE 值，成為了一個亟待解決的課題。

2 傳統(tǒng)上送風(fēng)機(jī)房現(xiàn)狀及存在的問題

傳統(tǒng)的IDC 機(jī)房空調(diào)多采用上送風(fēng)方式，冷風(fēng)先冷卻機(jī)房環(huán)境再冷卻機(jī)架內(nèi)的服務(wù)器設(shè)備，上送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織受機(jī)房設(shè)備布局和結(jié)構(gòu)的影響，容易使空調(diào)冷風(fēng)從機(jī)柜以上空間、列間過道及機(jī)柜的空置區(qū)短路流失，導(dǎo)致能量損失，制冷效率較低。如圖1 所示。

圖1 上送風(fēng)IDC 機(jī)房現(xiàn)狀圖

上送風(fēng)IDC 機(jī)房基本上是所有機(jī)架正面朝同一方向的排隊(duì)式擺放方式，前排設(shè)備排出的熱風(fēng)被后排設(shè)備吸入，導(dǎo)致后排設(shè)備溫度高；由于機(jī)房各個區(qū)域設(shè)備容量不同，設(shè)備功耗也不同，采用上送風(fēng)方式冷量不能合理分配，會導(dǎo)致功耗小的區(qū)域溫度低，功耗大的區(qū)域溫度高；機(jī)架門的通孔率不足導(dǎo)致送風(fēng)量相對不足，機(jī)架內(nèi)熱交換不充分，空調(diào)機(jī)組制冷效率低。另外，空調(diào)送風(fēng)量也受送風(fēng)管網(wǎng)影響，送風(fēng)口相對熱源較遠(yuǎn)很難充分交換，調(diào)配的送風(fēng)量不能滿足設(shè)備密度高的區(qū)域冷量要求，就會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，雖然機(jī)房設(shè)計(jì)容量較大，但新增設(shè)備無法再安裝。

3 精確送風(fēng)改造原理

“上送風(fēng)IDC 機(jī)房采用全封閉冷氣通道精確送風(fēng)”是針對上送風(fēng)機(jī)房供熱效率低的問題，采用管道上送風(fēng)方式，通過改造送風(fēng)管，將空調(diào)冷風(fēng)直接輸送每個機(jī)柜，通過精密空調(diào)調(diào)整送風(fēng)的溫度和風(fēng)壓，在每個機(jī)柜風(fēng)道閥門控制送風(fēng)量，達(dá)到解決機(jī)房過熱和空調(diào)能耗高的問題。如圖2 所示。

圖2 上送風(fēng)機(jī)房采用全封閉冷氣通道精確送風(fēng)原理圖

直接將低溫冷風(fēng)（13℃～15℃）送到封閉的機(jī)柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)冷卻，避免氣流不經(jīng)過機(jī)柜交換熱量而產(chǎn)生的短路現(xiàn)象，同時也可以防止熱風(fēng)重新吸入機(jī)柜內(nèi)，上送風(fēng)IDC 機(jī)房將會達(dá)到與現(xiàn)有的下送風(fēng)系統(tǒng)相近的制冷效率，空調(diào)節(jié)電預(yù)計(jì)可達(dá)到20%～30%。同時可解決上送風(fēng)IDC機(jī)房的“局部熱島現(xiàn)象”，盡管這時機(jī)房環(huán)境溫度會比采用普通上送風(fēng)方式下的環(huán)境溫度高，但通信設(shè)備已得到充分的冷卻。

3.1 計(jì)算方法

一般情況下，現(xiàn)有的上送風(fēng)機(jī)房機(jī)柜發(fā)熱量是2 kW以下，以2 kW 為發(fā)熱量做計(jì)算，設(shè)計(jì)送風(fēng)管的送風(fēng)量。假設(shè)送風(fēng)溫度13℃，出風(fēng)溫度28℃，有15 度溫差。

式中：Q 總顯熱（假設(shè)負(fù)載的耗電量90%轉(zhuǎn)化為熱量）

G 空氣流量，kg/s

V 為系統(tǒng)風(fēng)量，m3/s

ρ 為干空氣密度，1.185 kg/m3

1.01為干空氣的定壓比熱，kJ/kg.K。

V=Q/（ρ×△T×1.01）

=2×0.9/（1.185×15×1.01）

=0.100 263 m3/s

送風(fēng)管有兩種：梯形及圓形

梯形面積約為S=（0.35+0.2）×0.15/2=0.041 255 m2

圓形面積約為S=3.1 415×0.08︿2=0.0 201 056 m2

送風(fēng)風(fēng)速：梯形v=0.100 263/0.0 375=2.43 m/s

圓形v=0.100 263/0.0 201 056=4.98 m/s

由此可見，采用“全封閉冷氣通道精確送風(fēng)”時，送風(fēng)溫度一般情況不變，只要改變冷空氣的送風(fēng)風(fēng)量，就可以滿足不同發(fā)熱量機(jī)柜的散熱要求。達(dá)到精確控制、精確消除“機(jī)房熱島”現(xiàn)象的目的，同時也可以達(dá)到少開空調(diào)、節(jié)約電能的目的。

3.2 設(shè)計(jì)原理

上送風(fēng)機(jī)房進(jìn)行精確送風(fēng)包含密不可分的兩個部分：第一部分是以現(xiàn)有的送風(fēng)管道、送風(fēng)口為基礎(chǔ)，再增加一部分風(fēng)管和風(fēng)口，將冷氣直接送至機(jī)柜門的上方；另一部分是從新制造的封閉式機(jī)柜柜門，其大小尺寸須與機(jī)柜匹配，中間增加了梯形進(jìn)送槽與頂部進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口的大小須與上端的送風(fēng)口準(zhǔn)確配合。因各機(jī)房機(jī)柜外型尺寸不同、原送風(fēng)管的分布也有所不同，要達(dá)到精確送風(fēng)的良好效果，這兩部分應(yīng)是一個統(tǒng)一的、密不可分的整體。如圖3 所示。

圖3 改造后的送風(fēng)管示意圖

4 深圳電信的應(yīng)用實(shí)踐

深圳電信在某面積為245 m2的IDC 機(jī)房開展了空調(diào)精確送風(fēng)模式改造，改造前后，我們各進(jìn)行了周期為7 天的測試，每天統(tǒng)計(jì)時間6 小時，記錄日均耗電量和室外、室內(nèi)日均溫度，從而計(jì)算出總節(jié)電率。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某IDC 改造前后能耗測試數(shù)據(jù)表

由表1 可以看出，改造前測試時由于是冬季，室外日均氣溫只有15℃，機(jī)房內(nèi)溫度卻有24.4℃，日均耗電量達(dá)到162 kWh；而改造后測試時已經(jīng)是夏季，室外日均氣溫有27.5℃，比測試前高了12.5℃，但機(jī)柜內(nèi)溫度卻只有20℃，比改造前還低了4.4℃，證明制冷效果明顯提升了，而日均耗電量是144 kWh，比改造前少了18 kWh，總節(jié)電率達(dá)到12%，節(jié)能效果明顯。

同時，我們對送風(fēng)效果也進(jìn)行了專門的測試，記錄改造前后機(jī)柜正面和背面上、下端的溫度，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 某IDC 改造前后機(jī)柜溫度測試數(shù)據(jù)表

由表2 可以看出，改造前機(jī)柜正面上端進(jìn)風(fēng)溫度22℃～25℃，背面下端的平均出風(fēng)溫度在32℃以上，溫度有10 度的上升幅度。由于外界冷空氣是自然流入或服務(wù)器自帶的風(fēng)扇吸入，冷風(fēng)流量小，無法控制送風(fēng)量，容易形成局部熱空氣重新吸入服務(wù)器中的現(xiàn)象，所以需要較低的室內(nèi)空氣溫度才能控制局部熱島的產(chǎn)生。

精確送風(fēng)改造后，機(jī)柜正面上端進(jìn)風(fēng)溫度19℃～22℃，背面下端的平均出風(fēng)溫度在23℃左右，溫度有5 度的上升幅度，每個機(jī)柜的溫升比較均勻。由于每個機(jī)柜可以精確控制送風(fēng)量的大小，可以很方便的根據(jù)設(shè)備發(fā)熱量進(jìn)行控制，有效的防止機(jī)柜熱島現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少冷空氣不合理流動，消除局部過熱。

從以上測試分析可以看到，上送風(fēng)機(jī)房精確送風(fēng)模式改造具有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢：

（1）先冷卻設(shè)備后降室溫

采用這種技術(shù)將冷空氣直接送到機(jī)柜內(nèi)需要冷卻的位置，進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)的冷風(fēng)溫度較低，且先直接作用冷卻機(jī)柜的設(shè)備，可以利用較大的溫差帶走設(shè)備熱源的熱量，提高熱交換的效率。這時機(jī)房環(huán)境溫度會比采用普通上送風(fēng)方式下的環(huán)境溫度高，但機(jī)房的環(huán)境溫度不會對通信設(shè)備的冷卻有任何影響。

（2）建立機(jī)柜內(nèi)部冷風(fēng)送風(fēng)通道

上送風(fēng)機(jī)房機(jī)柜精確送風(fēng)技術(shù)必須在機(jī)柜內(nèi)部建立起全封閉的冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)通道，從而直接將冷空氣送到設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口。如果機(jī)柜內(nèi)前門與設(shè)備之間有足夠的距離空間，則可以利用原有的密封式前門。一般對現(xiàn)有機(jī)柜進(jìn)行改造時，需要將原機(jī)柜開孔式前門改為門式送風(fēng)器，增加密閉儲風(fēng)結(jié)構(gòu)的送風(fēng)通道。

（3）優(yōu)化氣流組織，消除局部熱島

冷空氣直接送到機(jī)柜內(nèi)部，減少了上送風(fēng)方式時冷風(fēng)氣流不經(jīng)過機(jī)柜交換熱量而產(chǎn)生的短路現(xiàn)象。采用這種技術(shù)后，隔離了冷熱通道，上送風(fēng)機(jī)房可以更合理地進(jìn)行氣流組織，精確分配冷量，對于機(jī)房內(nèi)部局部過熱的位置可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)量來加強(qiáng)冷卻，減少冷空氣的不合理流動和氣流短路，達(dá)到或接近下送風(fēng)系統(tǒng)的冷卻效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，精確送風(fēng)方式可將空調(diào)冷源充分利用，有效地解決局部過熱的難點(diǎn)，提高制冷效率，有效降低IDC機(jī)房的PUE 值，產(chǎn)生良好的節(jié)能效益，值得進(jìn)一步推廣。但有兩點(diǎn)需要注意的地方：

（1）精確送風(fēng)改造設(shè)計(jì)時，也要考慮回風(fēng)的氣流組織，如不順暢，會加大送風(fēng)阻力，從而降低送風(fēng)效率。

（2）機(jī)柜內(nèi)也會產(chǎn)生垂直溫差，因此一個機(jī)柜的送風(fēng)通道要有利于設(shè)備的冷熱交換，冷熱要充分利用，上下機(jī)架的送風(fēng)量應(yīng)盡量均勻布置。