金爛聚，劉晨陽(yáng)，何勁池，葉榮珂，徐洪濤，方 遠(yuǎn)

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司,浙江 杭州 310000;2.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

伴隨全球信息化的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交互的基礎(chǔ)設(shè)施，其發(fā)展備受矚目。當(dāng)前，在能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題嚴(yán)峻的國(guó)際背景下，數(shù)據(jù)中心被稱為“能源黑洞”。根據(jù)工業(yè)和信息化部電信研究院調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量已達(dá)到1 000億kWh，相當(dāng)于全社會(huì)總用電量的1.5%，且比例還在不斷快速上漲。其中空調(diào)系統(tǒng)電耗約占數(shù)據(jù)中心總電耗的40%[1]。在數(shù)據(jù)中心的生命周期中，其用電成本可能會(huì)超過(guò)IT設(shè)備的總成本。隨著中國(guó)在2020年9月向全世界作出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的重大宣誓，如何降低數(shù)據(jù)中心的能耗也順理成章的成為了“雙碳”政策下不可忽視的一環(huán)。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能耗水平的權(quán)威指標(biāo)是電能使用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)。根據(jù)綠色網(wǎng)格組織(The Green Grid,TGG)的定義[2]，PUE指的是數(shù)據(jù)中心的總能耗與IT設(shè)備能耗的比值。PUE越接近1，則說(shuō)明除IT設(shè)備之外(如照明、冷卻設(shè)備)的能源消耗越少，數(shù)據(jù)中心能源效率越高。根據(jù)《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》的相關(guān)內(nèi)容，到2020年，我國(guó)新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的PUE值不高于1.4。然而，我國(guó)目前已有各類數(shù)據(jù)中心超64萬(wàn)個(gè)[3]，其中約有80%以上的數(shù)據(jù)中心PUE大于2.0[4]，既有數(shù)據(jù)中心的高能耗問(wèn)題不可忽視。這是由于在規(guī)劃初期，僅僅重視了數(shù)據(jù)中心機(jī)房的功能性，忽視了冷卻設(shè)備、冷卻方案與IT設(shè)備之間的匹配，導(dǎo)致了既有機(jī)房冷量分配不合理、局部過(guò)熱點(diǎn)較難消除等問(wèn)題。合適的機(jī)房熱環(huán)境難以保障，不僅會(huì)導(dǎo)致機(jī)房投資和運(yùn)行費(fèi)用的大幅提高，造成空調(diào)資源的巨大浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致IT設(shè)備工作環(huán)境惡化，帶來(lái)不必要的生產(chǎn)安全隱患。此外，隨著業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)，部分長(zhǎng)期服役的數(shù)據(jù)中心面臨著設(shè)備的更新與擴(kuò)容，隨之而來(lái)的則是機(jī)房總功耗的上漲。當(dāng)機(jī)房現(xiàn)有的冷卻措施無(wú)法滿足功耗增長(zhǎng)的需求時(shí)，單純地增加制冷設(shè)備功率只會(huì)加劇能源的浪費(fèi)。因此，需要對(duì)已建成機(jī)房進(jìn)行改造，通過(guò)制定更合理的冷卻方案，降低其對(duì)制冷功耗的需求。

1 現(xiàn)有機(jī)房散熱問(wèn)題成因

對(duì)于大多數(shù)機(jī)房而言，冷卻效果不佳，制冷功耗虛高主要體現(xiàn)在：機(jī)房溫度分布不均勻，有局部的高溫或低溫區(qū)域；設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度較高，冷卻效果差；回風(fēng)溫度低，輸入冷量難以得到有效利用；冷、熱氣流摻混，導(dǎo)致冷量提前損失。造成上述情形的主要原因在于氣流組織混亂[5]，具體可分為以下幾個(gè)方面。

1.1 送風(fēng)損失

房間級(jí)的空調(diào)系統(tǒng)，不論采用上送風(fēng)或是下送風(fēng)的方式，均屬于洪灌風(fēng)形式，冷卻過(guò)程一般為“先冷環(huán)境，后冷設(shè)備”[6]。以下送風(fēng)方式為例，如圖1所示，初級(jí)冷空氣由空調(diào)末端設(shè)備輸入地板的下部空間，隨后與室內(nèi)空氣混合形成次級(jí)冷空氣，降低室內(nèi)環(huán)境溫度，進(jìn)而再通過(guò)自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流的方式，將設(shè)備附近的次級(jí)冷空氣輸送至熱源處，對(duì)服務(wù)器進(jìn)行冷卻降溫。在這一過(guò)程中，當(dāng)冷空氣到達(dá)設(shè)備時(shí)，溫度不可避免的上升，為了彌補(bǔ)這部分冷量損失以保證冷卻效果，需要設(shè)置較低的送風(fēng)溫度，從而導(dǎo)致了制冷功耗不必要的增高。尤其是采用上送風(fēng)方式的機(jī)房，冷空氣對(duì)整個(gè)機(jī)房空間進(jìn)行了冷卻。事實(shí)上，在IT設(shè)備以外的區(qū)域，如機(jī)房上部空間、過(guò)道等地點(diǎn)，對(duì)空氣溫度的高低并無(wú)特別要求，無(wú)需低溫環(huán)境，因此冷量被浪費(fèi)在了非必要的區(qū)域。此外，對(duì)于采用上送風(fēng)方式的機(jī)房，由于熱島效應(yīng)[7]，在自然對(duì)流條件下，冷空氣無(wú)法有效地輸送至發(fā)熱設(shè)備內(nèi)部，從而使設(shè)備發(fā)熱問(wèn)題愈加惡化，如圖2所示。

1.2 氣流短路

在早期的機(jī)房建設(shè)過(guò)程中，由于未能認(rèn)識(shí)到合理規(guī)劃送風(fēng)路徑的重要性，極易導(dǎo)致機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的“氣流短路”問(wèn)題[8]。氣流短路指的是，由空調(diào)出風(fēng)口送出的冷空氣流未經(jīng)發(fā)熱設(shè)備而直接到達(dá)空調(diào)回風(fēng)口的行為，在采用上送風(fēng)或下送風(fēng)的機(jī)房中均可發(fā)生，如圖3所示。其原因在于機(jī)房?jī)?nèi)部并未劃分冷熱氣流通道或冷熱氣流通道封閉措施不到位。氣流短路造成了機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的冷量損失，提高了機(jī)房的能耗水平。

簡(jiǎn)棄非等[9]采用商用軟件Fluent對(duì)某上送風(fēng)通信機(jī)房的氣流組織進(jìn)行了模擬分析。分析結(jié)果表明，在接近回風(fēng)通道的送風(fēng)口處，冷空氣僅有小部分參與了機(jī)柜換熱，剩余大部分氣流則隨著回風(fēng)氣流直接到達(dá)回風(fēng)口，導(dǎo)致了冷量浪費(fèi)。秦冰月等[10]對(duì)某下送風(fēng)的某數(shù)據(jù)中心開(kāi)展了研究，采用了Sigmaroom軟件在冷熱通道未封閉和封閉冷通道這兩種條件下對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)部的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冷熱通道未封閉時(shí)，部分冷空氣經(jīng)高架地板流入室內(nèi)空間后，并未進(jìn)入機(jī)柜，而是散逸至機(jī)柜上方與大空間內(nèi)的高溫氣流摻混，機(jī)房?jī)?nèi)氣流短路的現(xiàn)象較為明顯，冷量無(wú)法得到充分利用。謝靜等[11]在對(duì)某通信機(jī)房進(jìn)行分析后同樣發(fā)現(xiàn)，不合理的架空地板出風(fēng)百葉設(shè)置導(dǎo)致了“漏風(fēng)”情況的發(fā)生，冷量無(wú)法完全送入機(jī)柜內(nèi)部。呂超等[12]通過(guò)CFD模擬的方法對(duì)小型機(jī)房的氣流組織進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在敞開(kāi)式的冷熱通道中同樣存在著“漏風(fēng)”現(xiàn)象，導(dǎo)致了氣流短路的發(fā)生。

1.3 機(jī)房布局不合理

對(duì)于某些坐落于辦公樓、寫(xiě)字樓內(nèi)部的機(jī)房而言，其用房為普通房間改造而成，受到大樓結(jié)構(gòu)及空間限制，空調(diào)系統(tǒng)多布置于機(jī)房?jī)?nèi)部的邊緣區(qū)域，從而造成了送風(fēng)距離過(guò)長(zhǎng)，氣流分布不均的問(wèn)題[13]。隨著送風(fēng)距離的延長(zhǎng)，冷量逐級(jí)減小，遠(yuǎn)離空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備往往無(wú)法獲得足夠的冷卻氣流，從而導(dǎo)致設(shè)備回風(fēng)溫度逐級(jí)升高，如圖4所示。此外，出于設(shè)備排列的規(guī)整性、一致性考慮，在傳統(tǒng)機(jī)房的布局設(shè)計(jì)中，機(jī)柜多為順向排列，即朝向一致，如圖5所示。由于冷空氣進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部進(jìn)行換熱后，形成的高溫氣流大多被機(jī)柜內(nèi)部的散熱風(fēng)扇從機(jī)柜后方排出，因此上游機(jī)柜排出的部分高溫氣流不可避免地被下游機(jī)柜吸入，導(dǎo)致下游機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度升高，冷卻效果下降，加重了設(shè)備的運(yùn)行負(fù)載與室內(nèi)溫度場(chǎng)的非均勻度。

陳巖松[14]對(duì)采用上送風(fēng)順排機(jī)柜的數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)僅有靠近出風(fēng)口處的機(jī)柜運(yùn)行在安全溫度范圍內(nèi)，其他機(jī)柜周?chē)臍饬鳒囟绕毡槠?。同時(shí)，前端機(jī)柜所排出的高溫氣流也直接流入了后端機(jī)柜，加劇了后端機(jī)柜熱環(huán)境的惡化?？梢哉J(rèn)為，機(jī)柜順向排列的布局具有極大的弊端，冷空氣的冷卻效果無(wú)法充分發(fā)揮。如果機(jī)房中存在機(jī)柜功率密度分配不合理的問(wèn)題，在上述兩點(diǎn)原因的作用下，機(jī)房?jī)?nèi)極易出現(xiàn)局部高溫?zé)釁^(qū)，影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。在頓喆等人[15]對(duì)某數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行模擬研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，墻角附近的若干服務(wù)器處易形成渦旋氣流，同時(shí)該處設(shè)備發(fā)熱量最大，且遠(yuǎn)離送、回風(fēng)口，局部熱環(huán)境惡劣。在鄧科等[16]對(duì)某機(jī)房的模擬研究中，機(jī)房?jī)?nèi)部同樣存在著高功率設(shè)備過(guò)于集中，局部熱點(diǎn)溫度較高的現(xiàn)象。

2 改造策略

考慮到已建成機(jī)房需要連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備難以長(zhǎng)時(shí)間斷電離線，因此在機(jī)房改造時(shí)應(yīng)避免對(duì)其主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大更改，且既有機(jī)房往往存在著物理空間不足、功率冗余有限等客觀限制，無(wú)法簡(jiǎn)單地提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷功率以滿足設(shè)備的溫控需求。因此，既有機(jī)房的改造方案可基于以下思路。

2.1 優(yōu)化機(jī)房布局

機(jī)房設(shè)備的陳列方式，如機(jī)柜朝向、擺放方向、空調(diào)的機(jī)位選取等因素對(duì)氣流組織有著直接的影響。通過(guò)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)部的流場(chǎng)形態(tài)、熱點(diǎn)分布進(jìn)行研判分析，結(jié)合不同功率設(shè)備的散熱功率需求，對(duì)設(shè)備布局進(jìn)行合理化調(diào)整，能夠在不提高冷卻能耗的前提下，有效降低冷卻氣流的流動(dòng)阻力，提高溫控效果。該方法簡(jiǎn)單易行，幾乎不存在額外投入，但調(diào)整效果難以預(yù)期，通常需要借助數(shù)值模擬的手段進(jìn)行評(píng)估。魏蕤[17]研究了機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)布局對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)將兩臺(tái)空調(diào)成對(duì)角線放置時(shí)，具有最好的冷卻效果。此時(shí)，空氣流動(dòng)阻力最小，有效地消除了室內(nèi)的局部熱點(diǎn)，且具有進(jìn)一步提高送風(fēng)溫度的潛力，有利于機(jī)房能耗的降低。王丹華等[18]則對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)分別呈并排、正對(duì)及斜對(duì)角放置時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了與魏蕤等相同的結(jié)論，即空調(diào)對(duì)角放置具有最佳的冷卻效果和最低能耗水平。呂超等[12]將空調(diào)出風(fēng)方向與機(jī)柜走向呈平行布置后發(fā)現(xiàn)，冷卻氣流的流動(dòng)阻力顯著降低，空調(diào)冷量能夠得到更充分的利用。

當(dāng)機(jī)柜呈順向排列時(shí)，如前文所述，上游設(shè)備排出的高溫氣流與冷卻氣流混合后進(jìn)入下游設(shè)備，導(dǎo)致下游設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度升高，不利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，將相鄰的兩排機(jī)柜調(diào)整為相對(duì)排列，有利于形成分離的冷熱通道(如圖6所示)[19]，能夠有效避免冷熱氣流摻混，有利于設(shè)備冷卻，同時(shí)降低空調(diào)的能耗水平。陳巖松[14]對(duì)比了機(jī)柜分別呈對(duì)向排列和順向排列時(shí)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)向排列的室內(nèi)最高溫度與順向排列時(shí)相比降低了8℃左右，同時(shí)機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度和冷熱氣流摻混程度均有所降低。韋新東等[20]通過(guò)設(shè)置冷熱通道分離式的數(shù)據(jù)中心，改善了機(jī)房?jī)?nèi)的氣流短路，解決了出風(fēng)口遠(yuǎn)端機(jī)柜的過(guò)熱問(wèn)題。此外，根據(jù)設(shè)備功耗水平，將高功耗設(shè)備靠近出風(fēng)口放置，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)冷量進(jìn)行階梯利用，同樣有利于改善局部過(guò)熱，提高室內(nèi)溫度均勻性[16]。

2.2 采用精確送風(fēng)技術(shù)

上送風(fēng)形式的機(jī)房具有建設(shè)周期短、投資少的特點(diǎn)，在早期被大量采用且至今仍有較大的保有量[21]。其氣流組織形式為敞開(kāi)式，受機(jī)房設(shè)備陳列影響，氣流組織較為混亂且存在送風(fēng)損失，部分設(shè)備無(wú)法獲得充足的冷量[22]。通過(guò)對(duì)送風(fēng)設(shè)備進(jìn)行改造，利用改裝風(fēng)道、加裝全封閉風(fēng)管的方式，對(duì)每臺(tái)機(jī)柜進(jìn)行獨(dú)立送風(fēng)，可將冷氣流直接輸送至機(jī)柜內(nèi)部，減小冷量損失，如圖7所示。這一技術(shù)稱為精確送風(fēng)技術(shù)。若對(duì)各分支風(fēng)管加裝調(diào)節(jié)閥，還可獨(dú)立控制各設(shè)備的風(fēng)量[8]。因此該方法可以避免將冷量消耗在對(duì)溫度并不敏感的區(qū)域，例如遠(yuǎn)離機(jī)柜的空間及過(guò)道內(nèi)。但該方法的實(shí)施受到了機(jī)房物理空間的限制。研究表明，采用精確送風(fēng)技術(shù)后可以有效改善上送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)短板[23]。張賀新等[24]對(duì)某通信機(jī)房進(jìn)行精確送風(fēng)改造后發(fā)現(xiàn)，不同機(jī)柜的排風(fēng)溫度的降幅均在2℃以上，說(shuō)明該技術(shù)能夠顯著改善機(jī)房的局部熱點(diǎn)問(wèn)題，降低空調(diào)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷，具有良好的節(jié)能效益。但是采用風(fēng)管進(jìn)行精確送風(fēng)時(shí)，可能遇到流動(dòng)阻力增大，風(fēng)量不穩(wěn)定的情況，因此在進(jìn)行管路設(shè)計(jì)時(shí)需要特別留意[25]。對(duì)于采用下送風(fēng)方式的機(jī)房，可在易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的機(jī)柜附近加裝智能送風(fēng)地板[26]，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)默認(rèn)運(yùn)行模式無(wú)法滿足散熱需求時(shí)，獨(dú)立開(kāi)啟并根據(jù)設(shè)備溫度高低智能進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控的效果。

2.3 冷通道封閉技術(shù)

對(duì)于機(jī)柜對(duì)向布置的下送風(fēng)機(jī)房，機(jī)柜面對(duì)面、背對(duì)背的排列方式使得冷熱氣流形成了天然的隔離通道。但由于氣體散逸、流場(chǎng)擾動(dòng)等因素，冷熱氣流仍會(huì)發(fā)生一定程度的摻混，從而導(dǎo)致冷量浪費(fèi)、局部溫度過(guò)高等后果[27]。通過(guò)使用通道門(mén)、頂棚、機(jī)柜盲板等部件將冷通道封閉，將冷空氣與熱空氣進(jìn)行物理隔離，可使冷空氣均勻進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部，消除局部熱點(diǎn)，同時(shí)降低空調(diào)能耗水平[28]。這一手段稱為冷通道封閉技術(shù)，其原理如圖8所示。由于冷通道封閉技術(shù)手段成熟，且機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備尺寸和間距統(tǒng)一，可采用模塊化安裝方式降低施工復(fù)雜度，因此得到了廣泛應(yīng)用[29-30]。此外，該技術(shù)可與監(jiān)控、消防及制冷等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制[31]，進(jìn)一步增加了機(jī)房運(yùn)行的穩(wěn)定性。陳杰[32]對(duì)某自建機(jī)房的改造項(xiàng)目中提出了冷通道封閉的實(shí)施方案，并對(duì)其效果進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，冷通道封閉后，有效抑制了氣流短路的現(xiàn)象，進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部的空氣流量增大，且機(jī)柜內(nèi)部各服務(wù)器溫度一致性得到了明顯提升。同時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度和排風(fēng)溫度均有所下降，說(shuō)明空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷可進(jìn)一步降低。高月芬等[33]在對(duì)采取了冷通道封閉措施的北京某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在保證基本溫控要求的條件下，空調(diào)送風(fēng)溫度可提高4℃，同時(shí)將年自然冷源利用天數(shù)延長(zhǎng)約40 d，等效節(jié)省電能10 000 kWh/y，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更新擴(kuò)容，已建成機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)逐漸無(wú)法滿足因功耗上漲而提高的散熱需求，從而導(dǎo)致室內(nèi)局部溫度過(guò)高，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定等后果。影響機(jī)房溫控散熱效果的主要因素包括：冷熱氣流摻混導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度提高的送風(fēng)損失，空調(diào)系統(tǒng)的制冷量在送風(fēng)過(guò)程中已被損耗；冷氣流未經(jīng)散熱設(shè)備而直接進(jìn)入空調(diào)回風(fēng)口的氣流短路，空調(diào)冷量被直接浪費(fèi)；以及室內(nèi)設(shè)備布局不合理由，導(dǎo)致流動(dòng)阻力過(guò)大，發(fā)熱功率分布不均等一系列問(wèn)題。為了不影響現(xiàn)有設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，保障生產(chǎn)生活，可以通過(guò)調(diào)整優(yōu)化設(shè)備布局，添加風(fēng)管、智能送風(fēng)地板等精確送風(fēng)裝置以及冷通道封閉技術(shù)等手段，提高空調(diào)系統(tǒng)的冷量利用率，減少局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，改善室內(nèi)熱環(huán)境。

4 展望

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展演變，數(shù)據(jù)機(jī)房正朝著現(xiàn)代化的方向不斷進(jìn)步，例如采用模塊化設(shè)備降低施工復(fù)雜度，采用自然冷源、精準(zhǔn)化控溫等手段減少冷卻系統(tǒng)能耗，動(dòng)態(tài)化智能化的任務(wù)分配以平衡各設(shè)備的負(fù)載。采用綠色、低碳甚至冷排放的理念進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃建設(shè)固然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，然而各行各業(yè)仍有相當(dāng)數(shù)量的老舊機(jī)房尚在服役且發(fā)揮著不可替代的作用。如何在保障機(jī)房平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，采用合理化手段對(duì)機(jī)房進(jìn)行改造，降低機(jī)房能耗水平、改善熱環(huán)境，并在服役末期實(shí)現(xiàn)新舊機(jī)房的平穩(wěn)過(guò)渡，對(duì)“雙碳”政策背景下的社會(huì)發(fā)展有著重要意義。