冷通道封閉技術在數據中心節能中的應用

英利能源（中國）有限公司 張 旭 崔 濤

論文在簡述數據中心機房中機柜冷通道封閉技術應用的基礎上，通過專業機房的CFD模擬軟件模擬制冷環境、電能消耗及數據測算，得出機柜冷通道封閉技術對數據中心機房節能有重要的作用。

隨著信息技術的飛速發展，各企業網絡規模不斷擴大，數據中心的用電成本也在不斷上漲，節約用電是節能節支的一項重要措施。電能消耗主要包括機房日常運營用電和IT專業設備用電兩部分。數據中心日常運營用電中，空調制冷用電占據非常大的比例。本文主要探究機柜冷通道封閉技術對空調的應用效果，提升空調的制冷效率，起到節約能源的作用。

1 機柜冷通道封閉技術

冷通道密閉組件用于高架地板和間接制冷環境，通過對數據中心機房地板下送風至密封的通道中，引導冷氣從機柜前門進入，對設備降溫后從機柜后門及時排出，形成流動氣流方式，主要作用是防止冷熱氣流混合，及時返回空調回風口，提高冷氣的使用效率，從而實現節能減排的目的；同時，機柜冷通道封閉技術可有效降低機房能源消耗率PUE數值，提高數據中心空間利用效率，可增加機柜設備存放密度，提高數據中心的IT設備容積率。此外，數據中心機房機柜還有一種熱通道封閉的方式，熱通道封閉是將機柜采用背靠背的擺放形式，封閉其熱風區域形成的熱通道。考慮到機房的安全性，熱通道又是一個熱量集中的區域，所以一般情況下要對其進行強制抽風回到空調。這種方式在實際應用中很少采用，除了安全性的考慮外，在施工聯動方面也很復雜、繁瑣。由于熱通道封閉技術相對冷通道封閉技術施工工藝要求比較高，所以日常應用過程中使用的比較少。

2 機柜通道封閉節能的數據測算

在測試過程中，我們設計了面對面、背對背的機柜擺放、地板下送風、封閉冷通道、無吊頂自由回風等氣流組織方式，并通過美國Innovative Research, Inc.公司研制的專門針對機房的CFD模擬軟件TileFlow對幾種氣流組織方式進行了驗證計算。計算結果說明，半封閉冷通道可以顯著提高空調系統的制冷效率，并允許運維人員在后期運行中采用一系列的節能運行模式而不影響到服務器送風溫度。

為簡化數據分析，我們先建立一個較小的數據中心機房模型來比較整體效果。

布置了如下設備：2臺精密空調，下送風，顯冷量63.5kW/臺（24℃回風條件），最大風量15,500CMH/臺；18臺機柜，其中15臺發熱量為3.2kW/臺，需求風量857CMH/臺；2臺發熱量為1.6kW/臺，需求風量429CMH/臺；1臺（配電列頭柜）發熱量為0，需求風量為0；18片25%通風率通風地板。

在進行模擬運算的時候，按照表1模擬了四種運行情景。

表1 模擬四種情況

通過計算發現，在有效送風距離范圍內（一般為2～16m），越靠近精密空調的通風地板，其出風量越小，其主要原因是在靠近精密空調區域地板下的壓力較低，水平風速較快，導致垂直出風速度較低。圖1、圖2列舉了空調開啟時地板下的壓力分布情況。

圖1 兩臺空調開啟時地板下的壓力分布

圖2 一臺空調開啟時地板下的壓力分布

從計算結果中發現，雖然按照冷量計算，一臺空調開啟一臺空調備份的模式足以對本數據中心機房進行制冷，但是在實際模擬時，仍然有2臺機柜的局部進風溫度超過了國家標準要求的24℃。

通過模擬軟件測算發現，在機柜的正面溫度分布不均勻，靠近冷走廊外沿部分及機柜頂部溫度最高，其主要原因是地板送風量在靠近精密空調的區域比遠離精密空調的區域低，這樣回流的熱氣容易導致機柜正面升溫。那么回流的熱氣是從哪里來的呢？

從情景A1冷通道縱向溫度分布中發現，來自于送風地板的冷空氣在慣性上升的過程中遇到機柜背面發出的熱空氣而被升溫，這種現象在冷空氣風量較弱的部分尤為明顯。

通過情景A1冷通道水平溫度分布可知，大量機柜背面釋放的熱空氣從冷走廊的頂部及兩側侵入，導致機柜正面的溫度分布不均衡。

從情景A1冷通道橫向溫度分布看出，部分熱空氣從機柜背部發出，并從機柜上方回饋到機柜正面。

從情景A2機柜正面溫度分布、情景A2冷通道縱向溫度分布、情景A2冷通道水平溫度分布、情景A2冷通道橫向溫度分布的計算結果中了解到，由于兩臺空調同時開啟，提供了過量的冷風，阻擋了熱風從冷通道上方及側面侵入，避免了機柜重新吸入熱空氣的情況。然而，這種消除熱點的方式由于開啟了過量的空調，提供過量的風量，并導致過量的壓縮機運轉，甚至引入了過量制冷及加熱、加濕循環，浪費了大量電能，并不值得推薦。

在情景B1的計算結果中，機柜正面的送風溫度非常理想，均低于國標要求的24℃，甚至最高不超過14℃。

情景B1機柜正面溫度分布與A1情景形成鮮明的對比，在封閉冷通道之后，機柜正面的溫度分布非常均勻，無論是機柜頂部還是冷通道末端都沒有出現冷空氣被熱空氣“侵蝕”的情況。

情景B1的計算結果讓我們對冷通道半封閉這種氣流組織模式充滿了信心，并且我們發現機柜正面的溫度分布非常均勻而且普遍較低，這讓我們對情景B2的計算結果充滿的期待。在將空調回風溫度從24℃提升到28℃的情況下，我們的氣流組織模式是否能達到很好的效果？

在情景B2的計算結果中，機柜正面的送風溫度同樣低于國標要求的24℃，甚至最高不超過18℃。相比之下，不封閉冷通道的情景A3由于提升了空調回風溫度，無法在機柜正面提供良好的送風溫度，將導致多個機柜過熱。

通過情景A3的模擬結果，從反面充分說明了如果不對冷通道進行封閉處理，精密空調將無法通過提升回風溫度的方式達到節能的目的。

3 機柜通道封閉節能的結論

在比較上述四種情景的模擬之后，可以總結出如下結論：封閉式冷通道能有效改善機柜正面送風溫度的分布。由于封閉式冷通道確保機柜正面的溫度均勻分布，能夠提升空調的回風溫度而不在數據中心機房內產生熱點，也不會影響IT設備的正常運行。

提升空調回風溫度有如下優點：（1）可以使室內空氣持續高于露點溫度運行，避免空調的過量制冷、除濕、加濕和加熱流程，從而節省大量能耗。（2）在采用相同室內機情況下，可以提升制冷機組冷凍水的供回水溫度。在較高供回水溫度的工況下，制冷機組在相同制冷量情況下的耗電量將大大降低，且自然冷卻對室外氣溫的要求可以大幅提升，從而延長自然冷卻時間并降低制冷機組的耗電量。