数据机房过热改造和节能降耗研究与实践——中国电信

数据机房过热改造和节能降耗研究与实践1、数据机房改造前状况江浦数据机房位于南京市江浦地区，是一个面对中小客户的托管业务和公司核心业务的综合性机房，机房位于江浦营业大楼4楼西侧。机房总面积约400，采用风管上送风，服务器网络设备机柜设计总容量170台。目前安装设备机柜103台，其中86台机柜安装了设备，这些设备的总负荷130KVA。由于目前机房局部过热严重，虽然机房设计容量为170台机柜，但是新增设备已无法再安装，机房容量实际已经超负荷。针对这种状况，我们开展了对江浦数据机房过热问题的分析和改造措施的研究。在今年6月9日，我们对江浦数据机房的每个设备机柜的环境进行了为期一周的全面检测，包括机柜的功耗，机柜温湿度环境，得到了机房运行的实际数据。同时，我们对每个设备机柜的前门和后门的温度湿度进行了检测，每个机柜的自上而下检测6个位置高度，下图描述了每个机柜前后门位置的温度（6个点的平均值）分布情况： 通过这次检测评估，我们发现江浦数据机房的过热情况相当严重，相当一部分的设备机柜前门进风侧的温度超过了摄氏30度，而各个数据设备厂家目前要求的冷通道温度在2025摄氏度之间。2、数据机房过热原因分析针对江浦数据机房过热的情况，首先我们对江浦数据机房的空调系统进行了评估，江浦数据机房设计采用4台CRAC，单台制冷量为58.2KW，送风量为18360m3/h。具体列表如下：设计制冷量和送风量应当说是足够的，但是实际的运行情况如何呢？我们对江浦数据机房的4台精密空调运行状况进行了全面的评估，发现实际的送风量和制冷量远远低于设计指标。下面是4台空调的实际运行状况：实际总风量测试估算：20904m3/实际制冷总量估算：154KW空调机组效率：66是否是由于空调制冷量不够造成机房过热？针对这个问题，我们对机房的热负荷进行评估，机房实际热负荷的评估难度比较高，根据江浦数据机房的特点，平时机房属于无人值守，机房热负荷主要来源由以下几个方面1)、IT设备发热IT设备的总负荷是130KVA，现场测试得到的功率因素是0.92。因此设备的功耗120KW。按照一般IT设备的耗能情况，散热风扇占用的能耗比例在20-30%之间，因此一般厂家设备的能耗发热量在7080%，我们按照80%的发热量做保守估算，得到IT设备的发热：120KW*80%=96KW。2)、照明设备发热江浦数据机房的照明采用单管吊装40W荧光灯管，总共安装了100支，功耗为4KW。3)、建筑结构导热建筑结构的热负荷需要进行估算，由于江浦数据机房上下各层都安装了精密空调，实际受热面仅为南面玻璃幕墙的负荷为主要热源，这部分的热负荷估算如下：外墙或屋面传热形成的计算时刻热负荷：式中：F-计算面积 -计算时刻，点钟-温度波动的作用时刻，即温度波动作用于外墙或屋面外侧的时刻，点钟-作用时刻下，通过外墙或屋面的冷负荷计算温差，简称负荷温差，。查实用供热空调设计手册表11.48，华东地区墙体的负荷温差东南西北四个朝向在（温度衰减系数）0.310.40时，最大,南京的修正系数为2；夏季最热情况选15。玻璃幕墙（普通中空玻璃）的传热系数选K3.2。那么：Q3.2200159.6KW按照以上测试和估算，江浦数据机房的总热负荷为110KW（A+B+C=96KW+4KW+9.6KW），小于机房空调实际制冷量154KW。按照对4台精密空调的测算，总制冷量虽然大大低于设计指标，但是仍然大大超过了机房的热负荷，因此造成机房过热的原因并非空调的制冷量不足。根据对目前空调送风系统的研究发现，江浦数据机房采用上送风方式，通过静压箱再将冷风送到8条900mm*280mm的玻璃钢风管，每个风管做了若干个350*350的送风散流器，平均分布在机房上空。具体的布置如下图： 我们对风管的送风情况做了测试，每支风管的总送风量相差不大，每个散流器的送风量相差也不大，也即机房的送风量基本是平均分布。根据这种状况我们做出分析：由于每个机柜的发热量不同，造成了局部地区热负荷过于集中，而目前的这种送风方式下，制冷量基本是平均分布，虽然总制冷量足够，但是在局部位置的制冷量不能满足可能造成过热。同时，我们发现目前的设备机柜摆放是正面朝向相同，所有机柜的方向相同。由于大部分的设备机柜是服务器，服务器设备自身有的散热系统是冷却风从机柜正面进，散热风从机柜背面出，如下图所示： 由于设备本身的散热气流引导，造成前排机柜的散热对后排机柜的进风温度造成影响，尤其在前排设备密度高的时候，这种情况尤为明显，在前面设备温度分布图中也可以看出这种情况。因此通过上面分析，我们认为造成江浦数据机房过热问题的原因主要有以下两个方面：1)、冷量未能精确分配：由于空调冷量基本均匀分配在机房内部的各个区域，在局部设备密度高的区域冷量分配不够，造成了局部过热。2)、气流组织不合理：由于服务器设备本身的散热气流，影响了后排设备冷却气流，造成了后排设备过热。3、解决方案从上述分析可知，江浦数据机房局部过热的根本原因是冷量未能精确分配、气流组织不合理。针对以上两个原因，我们的解决方案主要解决以下两个难题：1、如何针对各个区域合理分配冷量？在设备发热高的区域配更多的制冷量，设备发热小的区域分配较少的制冷量，最好能够做到定量分配。2、如何隔离服务器设备的散热气流？最好能将冷气流和热气流完全隔离，互不影响。经过多方探讨和研究，我们找到了一个能够很好解决上述两个难题的方案“冷通道全封闭变风量送风方案”。该方案具体如下：首先我们设计一个送风器，安装在每个设备机柜的正面网孔门，由于江浦数据机房的所有机柜都是全通风的网孔门，因此可以非常方便地直接安装在网孔门上，送风器采用喷塑钢板定制成型，上端为DG200的圆形管，通过螺旋软管连接主风管，安装送风器后，机柜前门可以照常开关。空调冷风通过软管直接通过送风器送到每个机柜，可以完全隔离前排机柜热气流的影响。除了安装送风器，我们在每排机柜顶部的主风管上给每个设备机柜开设直径200mm的圆形送风口，每个送风口安装风阀，可以调节每个机柜的送风量。这样做到按照每个机柜的发热量，精确分配精密空调的制冷量。这样整个变风量机柜送风器三个部分组成：送风器：宽390mm，厚160mm，高1700mm软管：200mm手动/电动控制阀：200mm变风量送风器安装示意如下图。根据江浦数据机房设备机柜的发热情况，目前最大的机柜负载是3.8KVA，设备发热量=3.8KVA*0.92*80%=2.8KW。按照设备厂家的要求和国外设计参考，我们设计送风器风量按照800m3/h，最大风速约7m/s。下面我们需要计算变风量送风器的压力损失，来核算目前的精密空调是否能够满足要求。空气在风管内流动时的压力损失有两种形式：摩擦压力损失和局部压力损失。变风量机柜送风器，在送风过程中将经过以下几个部件，其各个部件的摩擦压力损失和局部压力损失分别为：圆形风管单位长度摩擦压力损失计算公式为：Pa/m 管件（如三通、变头等）的局部压力损失计算公式为：Pa送风支管及送风水平延长管沿程损失查简明通风设计手册圆形风管沿程摩擦压力损失线算图，得出直径200mm，设计流速为7m/s的压力损失为：3.3Pa1.5m5Pa铝箔升缩软管沿程损失查简明通风设计手册铝箔伸缩软管摩擦压力损失线算图，得出直径200mm，设计流速为7/s的压力损失为：5.8Pa1.2m6.96Pa90度弯头局部压力损失将有关数值代入上述公式得：6.9Pa静压箱分支管局部压力损失将有关数值代入上述公式得：46Pa总压力损失为Z总56.966.94665Pa现有的正方形散流器需要取消，为了便于现场安装，我们的方案是将现有的分支风管拆除，采用铝箔复合保温板重新制作送风管，将分支送风管设计成定静压的送风管。按照设备厂家的要求和参考美国暖通工程师协会的最新建议标准，我们对每个设备机柜的控制工艺设计如下：1、温湿度的控制我们采用送风控制模式，保证每个设备机柜的送风温湿度，按照TC9.9的建议，我们设定变风量送风器的出风温度（即送风温度）为20（干球温度），相对湿度为60%，每1KW设备的送风量为200m3/h。机柜的排风温度计算：查焓湿图，可以得到其含湿量d=8.83g/kg，焓h42.62Kj/kg。因为计算机房的潜热量小，设备的冷却过程可看作是等湿加热过程，每200m3/h，通过计算，可得到其出风焓值h57.74KJ/kg。查焓湿图，含湿量量d=8.83g/Kg，焓值h57.74Kj/Kg时的温度为：34.74。 2、设备机柜的风量分配我们将不同用电量的设备柜散热分为三种不同风量的供应：设备柜用电量：Q11KW时，分配风量为：200m3/h；设备柜用电量：1KWQ22KW时，分配风量为200400m3/h；设备柜用电量：2KW3KW时，分配风量为400800m3/h；根据我司在现场测试的数据，各列设备柜的总分配风量为：C排132002600m3/hD排3200840018004600m3/hE排920044003400m3/hF排520024001800m3/hG排12001400600m3/hH排3200600m3/hI排6200640018004400m3/hL排320018001400m3/h M排62001200m3/hN排1200440028003400m3/hO排220034001800m3/hP排22001400800m3/hQ排320044001400m3/hS排2200240058005200m3/h总=33200m3/h因此，精密空调的总风量必须达到33200m3/h。这是最大风量的数据，目前实际机柜的风量可调节在70%左右。另外我们可以通过变风量自动控制系统，大大减少送风量的过剩。由于目前测得的精密空调送风量严重偏低，因此精密空调的送风量能否满足要求是本方案的关键之处，我们和精密空调厂家协调确认，该空调设计风量单台18000m3/h，机外余压达到250Pa，可以通过改变风机皮带轮的方式进行调整，调整后的机外余压能满足变风量送风器的要求，同时风量也能在机外余压200帕的情况下达到单台10000m3/h以上。为了保证每个机柜的风量可以根据设备的发热量随时调整，我们采用变风量自动控制系统方案。采用室内温度变送器一个，安装在机柜后门采集柜内回风温度。控制器采用一个比例积分控制器，通过温度变送器采集的AI信号，控制输出AO至风阀驱动器，调节送风管风阀的开启度（设定值T，机柜内温度大于T，增大风阀开启度，小于T时减小风阀开启度），从而达到控制机柜内送风量的大小，使机柜内温度处于较小波动范围。一个温度变送器对应一个比例积分控制器输出对应风阀驱动器，构成独立控制回路。控制流程图如下： 另外，由于每个机柜的风量调节，造成送风管风压变化，为了保持机柜风量调节的精度必须保证主风管的静压保持在恒定值，也就是变风量控制中的定静压控制。首先我们对精密空调的风机进行改造，增加变频器，变频器由DDC控制器直接控制，另外我们采用8个空气微差压传感器分别采集8个送风风管内与管外的压差信号，送至DDC控制器。经PID计算对应输出AO至8台变频器（每台空调2台风机），控制4台精密空调的风机转速，保证送风管内压值恒定。每台精密空调两个风机的转速要保持一致。控制流程图如下： 冷通道封闭变风量送风方案，是专门针对江浦数据机房设计的一个合理解决机房过热问题的方案，一方面解决了冷热气流隔离的难题，另一方面做到了制冷量智能分配，彻底解决过热问题。我们对本方案做了计算机流体力学模拟分析(CFD)，下面是分析的结果：1、机柜送风器的安装模型：2、计算机模拟结果，离地面0.35米处机房的温度分布情况： 3、计算机模拟结果，离地1米处机房温度分布情况： 4、计算机模拟结果，离地1.8米处机房温度分布情况：改造后，机柜内部环境将完全满足设备运行要求，机房外部环境温度在局部会由于设备发热量的不同出现温度过高，但是不会影响机柜内服务器设备的运行。4、效益分析在实施了“冷通道全封闭变风量送风方案”后，送风量和制冷量都可以按照机柜的实际需要分配，局部过热和制冷量过剩的矛盾将得到彻底解决，机房可以继续安装设备，机房空调的能耗将大大降低。41、减少数据机房建设总成本：按照目前江浦数据机房的情况，精密空调的总制冷量208KW可以得到充分利用，在考虑可照明发热4KW和建筑发热9.6KW的情况下，可以支持的设备发热将达到208KW-4KW-9.6KW=194KW，比目前的96KW超过一倍多。也就是意味着，可以将目前的容量扩充一倍，相当于新建一个机房。从江浦数据机房机柜空间的角度核算，目前绝大部分的机柜安装了不到20U的设备，江浦数据机房的机柜可安装容量为35U，另外还有70个机柜的空位，因此设备安装容量扩大一倍完全没有问题。按照目前机房建设的成本，类似江浦数据机房这样一个400平米规模的机房可节省建设总费用至少在600万元以上。42、节省精密空调运行能耗：在实施“冷通道全封闭变风量送风方案”后，由于合理分配送分量和制冷量，必然会节省精密空调的运行能耗。在目前不增加装机的情况下，制冷量会有冗余，冗余的制冷量估算如下:冗余制冷量=208KW-110KW=92KW。由于在改造前精密空调是全负荷运行的，因此制冷系统处于100%运行状态，改造后由于制冷量需求减少可以降低精密空调制冷系统的能耗约44%。查阅江浦数据机房精密空调设备参数，制冷系统的功率包括压缩机和冷凝器的功耗约60KW，初步估算每年可以节省的电费按照1元/度计算：节省电费=365天*24小时/天*60KW*44%*1元/KWH=约23万元/年。