基于提高機房環境設定溫度的機柜直冷技術的應用分析

彭淵博 王潯 周明亮 趙鑫（中能深思（北京）節能技術有限公司）

1 當前機房能耗狀況

據統計，我國數據中心機房目前的平均PUE（Power Usage Efficiency，能源利用效率，即機房總用電量與IT設備用電量之比）水平在2.0～2.5之間，中間值在2.2以上，也就是說每1 kW的主設備功耗帶來的是2 kW以上的總功耗（包括空調制冷、配電、照明等），而其中空調系統的功耗已經占到了數據中心機房總功耗的45%以上。現有的空調系統高能耗是導致機房PUE值高企的主要原因。據相關統計，2011年度全國數據中心用電量已經達到700×108kWh，占全社會用電量的1.5%。在制冷方式不變的情況下，按照目前的發展趨勢預計我國數據中心的總能耗到2015年將達到1 000×108kWh左右，其中空調系統耗電預計達到450×108kWh，能耗總量巨大，采取有效措施降低數據機房空調系統能耗已經顯得十分必要。

2 機房空調系統高能耗的原因分析

2.1 機房運行環境溫度要求

根據機房種類和等級的不同，對于機房運行環境的溫度要求一般是22～26℃，原因是基于機房內的信息及通信設備對進風及出風溫度的最苛刻標準要求，也就是說要保證機房內信息及通信設備的進風環境要求最高不能高于26℃。與此相應，為信息和通信設備的運行安全性考慮，機房空調系統制冷溫度設定應保證在機房熱負荷下，回風溫度最高不應超過26℃。

絕大多數自帶通風風扇的信息及通信設備，如果前面的進風維持不超過26℃，那么按照經過設備加熱溫升為10℃計算，則服務器的后端出風一般為36℃左右。目前按照信息及通信機房的傳統制冷方式，采用機房精密空調所做的工作是將經過設備后被加熱的空氣從36℃冷卻到26℃以下供設備循環使用，同時在兼顧處理因為外部熱輻射、維護結構傳熱（由其在夏季時）、人員、照明等熱源導致的機房溫度上升，從而起到將信息及通信機房內的環境溫度維持在不超過26℃的條件，保障信息及通信設備的安全運行。

2.2 傳統機房精密空調的制冷和送冷方式

根據對IDC機房行業多年的相關研究表明，采用傳統的機房精密空調的形式對機房進行制冷的方式，能耗巨大，浪費大量的電力能源消耗，而且還達不到理想的制冷效果。原因在于：

1）機房精密空調的冷卻及氣流組織形式決定了制冷效果的局限性。精密空調是通過對機房內大環境送風送冷，實現溫度控制從而達到保障設備進風溫度不超過26℃的技術要求的，那么在制冷運轉的過程中就必須要求機房環境空間內所有的空氣溫度都不高于26℃，才能夠保障所有設備對于進風不超過26℃的要求。

在具體的實施過程中，機房空調在機房內的布置位置是固定的，而一般情況下放置設備的機柜是分散布置在機房的空間內的，這就導致了機房空調的冷卻效果不能兼顧到機房內所有設備的問題，從而出現了機房內冷熱分布不均勻，出現了局部過熱的現象。在實際的機房維護工作中，為了解決機房內的局部過熱點，很多情況下會采用認為降低機房空調的回風設定溫度，比如從26℃設定降低到18℃設定，從而去拉低機房的內部過熱點，這就會出現雖然局部過熱點現象得到了一定程度的緩解，但是會出現機房內的一些區域溫度過低甚至是過冷的現象，更重要的是這種做法還降低了機房空調的運行效率，增加了運行時間，導致了能源消耗的巨大浪費。

2）傳統機房精密空調氣流組織、制冷模式和結構等方面制約導致無法充分挖掘自然冷源利用的潛力，對自然冷源的利用不足，在冷源環節消耗大量電能。根據我國的平均氣象條件分析，如能充分利用自然冷源，可以使數據中心機房的PUE水平由目前的平均2.0以上降低到1.4以下，空調制冷系統的功耗下降60%以上。

綜合以上分析，可以看出，機房溫度與機柜內設備進風溫度的強相關性導致機房溫度設定較低，增加空調系統制冷能耗，同時，無自然冷源利用或者對自然冷源利用不充分，也是導致目前機房精密空調能耗高企的主要原因。

3 基于機柜微環境溫度控制的新型直冷技術

3.1 直冷技術介紹

根據以上分析，本文將提出一種全新概念的針對機房信息和通信設備的冷卻形式，整體的思路是：將控制機房總體環境溫度變為控制機柜微環境溫度，將機房環境溫度和機柜內部微環境溫度解耦，保障機柜內設備的進風及排放到機房空間內的空氣的溫度要求，降低機房大的環境空間內對溫度的要求條件。

具體的實現形式：將機房內的每一臺放置設備的機柜都看作是一個氣流可以獨立循環的空間，機柜的前柜門與后柜門采用熱管蒸發端的形式，也就是說機柜的前柜門是一套熱管蒸發器，后柜門也是一套熱管蒸發器，空氣在進出每臺機柜的氣流組織形式是：冷卻—被設備加熱—再被冷卻的過程。同時，此結構將能最大限度地充分利用自然冷源制冷，比傳統自然冷源利用更進一步降低制冷的電耗，其實現形式示意圖如圖1所示。

機房內放置設備的機柜的前柜門與后柜門分別做成熱管原理換熱的第一蒸發端與第二蒸發端，分別連接至室外冷卻裝置的一級冷凝器與二級冷凝器，冷凝器的形式可以是各種實現方式，比如水冷或其他液體冷卻或者風冷的形式。同前柜門一體的第一蒸發端與一級冷凝器之間構成封閉的熱管循環，同后柜門一體的第二蒸發端與二級冷凝器之間構成封閉的熱管循環。按照目前的相關行業規范對機房環境的溫度要求，即設備的進風溫度不得超過26℃，那么機房采用此種冷卻方式，機房的整體環境溫度控制到不超過30℃，30℃的空氣（黃色）先經過前柜門的第一蒸發端，被冷卻到24℃以下（綠色），那么設備的實際進風溫度我們是可以控制到24℃的，已經低于相關行業標準對于不超過26℃的技術要求；24℃的空氣經過發熱設備，對發熱設備進行冷卻后被加熱到36℃（紅色），36℃的熱空氣在經過后柜門的第二蒸發端，被降溫冷卻到30℃以下，排放到機房環境空間。

當然，一般情況下IT發熱設備是自帶風扇運行的，設備的自帶風扇基本上可以滿足柜內換熱對于風量的要求，但是針對于熱流密度較大的高功率密度設備及其他特殊情況，也可以考慮在機柜內的適當位置安裝增加強制對流換熱循環的風機，以達到加大氣流組織，增加換熱效率，更加保障設備運行安全的目的。

以上所提出機柜微環境溫控直冷技術的結構形式，實現了機柜內部微環境溫度和機房環境溫度的解耦，并實現對自然冷源的充分利用，在提高了機房環境空間的整體設定溫度、降低了設備的實際進風溫度保障發熱設備的運行安全的同時，提高了熱管循環利用自然冷源的時段長度，是一種全新概念的IDC機房冷卻形式，具有積極的實踐創新及節能減排的社會意義。

3.2 增量節能效果分析

直冷形式對于提高自然冷源利用效率，增大節能量的分析如下：

熱管原理的換熱循環是利用蒸發端與冷凝端的溫差作為驅動力來工作的，也就是說同樣的其他條件不變，蒸發端與冷凝端的溫差越大（蒸發端溫度高于冷凝端），換熱效率就越高，蒸發量就越大，排熱量也就越大。根據熱管原理在機房環境應用的經驗，一般要求機房室外環境溫度低于室內環境溫度5℃以上時，熱管設備才可以利用溫差工作從而產生效果。所以當機房內的環境溫度要求為26℃時，只有當機房室外氣溫不高于21℃時，熱管設備才能利用自然冷源產生效果。但是按照本文中介紹的機房冷卻形式，當機房內環境溫度的要求提高到30℃時，同樣是5℃溫差，那么當機房室外氣溫不高于25℃時，熱管設備即可產生效果利用自然冷源工作，完成自然相變循環，從而達到對機房降溫排熱的目的，大幅增加自然冷源利用的效率和時長，進一步降低制冷能耗。

依據北京地區的氣象條件來分析，北京地區全年氣溫低于21℃的時間為6 161 h（全年為8 760 h），而氣溫低于25℃的時間為7 298 h（全年為8 760 h），也就是說采用本文介紹的機房冷卻形式，會進一步提高機房冷卻系統利用自然冷源的時間，北京地區全年有83.3%的時間段都可以利用自然冷源，較當前普通的自然冷源利用技術，增加利用時長可達18.5%，產生可觀的增量節能效果。

3.3 高發熱密度設備冷卻分析

所提出的直冷冷卻形式完全依靠機柜內部環境溫度保證設備的散熱平衡問題，采用熱管技術傳熱效率高，傳熱容量大，能夠迅速精確控制機柜內部溫度，響應速度遠遠小于機房級制冷。且其直接面向設備冷卻，基本不存在送風的問題，在冷量的產生、響應與傳遞方面遠遠好于傳統機房制冷模式，可以將高發熱密度設備的熱量快速帶走，實現冷熱平衡，解決高發熱密度設備的冷卻問題。

4 結論

1）通過新型直冷技術可以完全實現機柜內部環境溫度和機房總體環境溫度的解耦，進一步增加信息和通信設備的運行安全性，并可最大限度挖掘自然冷源利用的潛力，產生顯著的節能增量，大幅度降低數據機房能耗。

2）直冷技術優化了機房內的氣流組織問題，解決了現有制冷方式下冷熱不均及局部過熱點現象，其結構形式對于解決高功率密度設備的冷卻難題提供了解決方案。

3）根據直冷技術推廣情況，可適時建議相關部門修訂機房環境溫度的設定標準，從標準方面為機房節能提供依據。