節能技術在綠色機房的應用與實踐

文_王慧慧 中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院

1 精密空調

從廣義角度出發，國內數據機房的空調系統主要分為兩大類：一類為機房精密空調，占據著市場大部分份額，如Vertiv（維諦）、STULZ（世圖茲）、Schneider（施耐德）等，主要為歐美品牌；另一類為工業級無人值守空調，一般在基站機房使用，如DAIKIN（大金）、HITACHI（日立）、Haier（海爾）等，主要為東亞和國內品牌。

從功能屬性出發，數據中心精密空調冷源一般有風冷空調機組、水冷空調機組、雙冷源空調機組等空調系統。針對上述空調系統機組來講，大中型及以上的新建數據中心機房為達到國家或者地方的相關政策，一般采用能效比高的水冷冷凍水系統，通過集中設置冷源的方式將PUE值控制在1.3左右，而采用水系統的空調機組在運維管理上存在一系列的安全隱患問題，如突發性緊急泄水系統、水系統的管路冗余設計方案、多路水源供應方案以及蓄水保障系統，以及后期大量的運維成本和人工成本投入。對于老舊機房改造和小型機房建設，由于舊機房的基礎建設和配套設施無法大規模變更和性價比考慮，一般采用簡單易安裝的風冷式空調系統機組，其PUE值一般不可能小于1.8，通常在2.0以上。

2 冷通道

機房通道封閉系統是響應“機房節能減排，推進綠色新機房”應運而生的，旨在通過集中管理氣流來節約能源和降低冷卻成本，是一項通過改善周圍環境從而有效控制設備溫度，達到降低設備功耗的綠色節能技術，主要應用于各類數據中心機房。通道封閉系統主要是對機房的氣流組織進行有效的改善和優化，是將機房混合的熱空氣和冷空氣有效隔離開，使冷量集中儲存降溫和熱量集中排出或者返回到空調的回風口，形成合理的氣流組織循環系統。數據機房既可以存在熱封閉通道系統，也可以存在冷封閉通道系統或二者皆可同時存在。

冷熱通道是規定數據機房的計算機設備的擺放布局設計，其主要由機柜列、通道門、磁吸式翻轉天窗、靜電地板以及動環監控系統等組成，機房冷熱通道設計是讓機柜交叉行排列，機柜冷熱氣流進出口統一排放，通常情況下，機柜冷氣流進口面對面排列形成冷通道，此時空調機組向冷通道內輸入冷氣，詳見圖1。機柜熱氣流出口背對背排列形成熱通道，此時空調機組回收通道內的熱空氣，通過室外機集中排出。

圖1 冷通道重要組成圖例

微模塊既可以視為冷熱通道封閉系統的升級版，也可以視為是數據中心機房的迷你版，又稱作為微模塊數據機房，采用模塊化設計，將供配電系統、動力環境監控系統、暖通系統、安防系統等集成在一個封閉通道模塊內，達到快速交付，按需部署的需求。微模塊數據機房是按照數據中心建設標準對數據機房場地進行功能性劃分，每個功能領域實現模塊化、獨立化，每個獨立區域的設備配置、電力負載、系統規模等均按照標準化進行統一設計，微模塊解決方案結構見圖2。

圖2 某場景微模塊解決方案結構圖

3 噴淋系統

數據中心的設備一般是發熱的計算機設備，配備的精密空調系統一般為制冷空調為機房提供冷源保障，空調制冷通過制冷劑的液化和氣化的轉換過程，熱量在蒸發器處吸取，轉移到冷凝器處釋放，從而實現熱量的轉移，達到制冷的目的。

現有的數據中心節能技術大多適用在秋冬溫度較低的時候，尤其新風系統在我國的北方區域使用較多，因為北方區域冬季周期長、氣溫低，通過室外空氣與機房空氣進行熱交換，達到機房降溫的效果。目前數據中心在夏季還沒有針對空調的節能產品，基站空調運行時會產生大量的冷凝水，通過把處理過的自來水霧化后噴灑在空調室外機翅片周圍，通過降低周圍空氣和翅片的溫度，緩解空調機組的工作壓力，降低空調的冷凝溫度，減少空調壓縮機的工作時間，能夠達到有很好的節能效果。

室外機噴淋系統主要是在冷凝器前加裝霧化噴嘴，向翅片管噴水霧，一方面水霧蒸發吸熱，降低冷凝器入口空氣干球溫度；另一方面水霧使翅片管外表面濕潤，水本身的溫度較低，能迅速帶走一部分熱量，由于水的比熱容較大能夠達到調節溫度的作用，容易冷卻在管內流動的制冷劑，翅片表面部分水蒸發后再吸走一部分熱量被自然風帶走，利用水的低溫、比熱容以及蒸發吸熱作用，加快了室外溫度調節能力，使冷凝器的換熱能力大幅增加，冷凝器的溫度得到有效控制，解決了室外機的運行高壓問題。

4 智能通風地板

在實際的場地運維過程中，冷通道內的冷量是通過通風地板向冷通道內輸送冷量，并形成一定量的冷池對機柜設備進行降溫處理。在不同的季節，根據局部的溫濕度儀表的讀數，場地管理員需要人為的將通風地板進行打開和關閉，通過不斷地調節通風地板，將地板下方的氣壓、冷量、氣流等達到一個合理穩定的狀態，為數據機房提供合理的能源使用效率，有效解決冷通道內部氣流短路和地板下方氣流低壓不足的現象，避免機房發生局部熱島效應，達到了降低機房整體能耗。但機房的熱負荷隨著機器設備的運轉不斷變化，對冷池中的冷量需求也在不斷變化，通過智能通風地板對風口的自動調節，能夠合理解決冷量停留、氣流短路的問題，使機房整體冷量合理化分配，從而降低空調的負載壓力，提高空調的運行效率，實現機房綠色節能的效果，對于如何解決數據中心的冷卻問題提供了新的視角。

4.1 智能溫控送風地板

通過采集安裝在機柜上的溫濕度傳感器監測裝置數據，可變風量的EC風機根據實時數據向機柜輸送可控的冷量，用于無封閉冷熱通道的數據機房。

4.2 智能溫控導向型送風地板

為了最大限度減少送風旁流，還可以在地板送風裝置中加入0～15°可調的導向裝置，可變風量的EC風機可以按照一定的角度將冷風直接送向機柜，用于無封閉冷熱通道的數據機房。

4.3 智能溫控（壓控）風閥地板

根據安裝在機柜上的溫濕度（壓力）傳感檢測裝置，對封閉的冷通道或者熱通道并做出實時有效反應。

5 結語

隨著數據中心節能技術不斷發展，節能控制系統也應與數據中心發展與時俱進，吸取以往節能控制系統中的經驗，因地制宜探索更加貼近現場的節能控制方法，結合大數據分析、人工智能等信息化技術手段，使空調系統運行更好地與IT負載契合，在保證系統穩定運行的同時，降低空調供冷冗余量，提高空調機組運行效率，達到節能減排的效果。綠色節能是國家和地方對數據中心提出新的要求，是數據中心的一個發展趨勢，PUE值是一個區域性的指標要求，能夠利用這個指標來實時顯示數據機房的節能情況。

在新建或者改造的數據機房中要實現綠色節能，并獲得較低的PUE值。

水冷空調機組是目前穩定成熟的產品，是降低PUE值最佳的選擇，比較適合用于新建的大中型數據中心。房間級和行間級精密空調機組是傳統的風冷式空調機組，通過合理部署精密空調的位置，有效控制機房整體環境指標，針對性的局部制冷降溫，比較合適于舊機房改造和小型基站機房。冷熱通道是數據中心最見成效的節能技術之一，是從整體上對機房氣流組織進行優化調節，對冷量進行集中管理和調配。室外機噴淋系統主要是針對高溫季節對空調機組的室外環境進行改善，實現機組高效穩定的運行。通風地板是局部對冷通道中的冷量進行合理調節，達到合理化利用冷池中的冷量。