老舊機房PUE分析及綠色低碳改造實踐

施 磊，葉震宇

（1.中國移動通信集團山東公司濟南分公司，山東 濟南 250101；2.中國移動通信集團山東公司 青島分公司，山東 青島 266000）

0 引 言

隨著“碳達峰”和“碳中和”戰略的出臺，對數據中心能耗指標做出新規定，不僅對新建數據中心的審批收緊，更對存量機房的能效提出要求。“碳達峰”“碳中和”是我國實現可持續性高質量發展的內在要求，是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革[1]。“十四五”時期是我國實現“雙碳”戰略的關鍵窗口期，既要推進對現階段能耗大戶的能效優化轉型，實現節能減排，又要積極布局綠色能源體系，實施可再生能源替代行動。在“雙碳”戰略背景下，節能減排是重中之重，空調系統作為核心機房的基礎設施，對于設備安全可靠運行乃至系統的節能具有非常重要的意義[2]。

1 老舊機房現狀

數據中心及老舊通信機房作為典型的能耗大戶，面臨的節能任務更加艱巨與緊迫。有關數據顯示，我國數據中心用電量已經占到了全社會用電量的2.6%左右。隨著數據流量呈指數級增長，數據中心設備功耗也在不斷攀升，電能消耗和運營成本居高不下的問題愈發突出，其能耗問題將成為重點整治對象。主設備及配套設施的電力消耗是數據中心及老舊通信機房運行過程中碳排放的主要來源，在數據中心能耗結構中，主設備能耗占45%～55%，空調設備能耗占35%～45%，電源及其他設備能耗占10%～15%。除了主設備外，空調系統也是數據中心的節能重點[3]。

通過對大量互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）、數據機房的現狀和電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指標進行調研，發現大部分在用的老舊機房PUE值都較高。在對機房內設備功耗和空調系統負載容量比的統計中發現，空調系統的制冷能力完全可以滿足設備散熱需求且有一定的富余，但在節能優化過程中，關閉部分空調時會立刻引起機房內某些設備和區域的高溫告警，使富余部分的空調無法關閉，無形中增加了機房的功耗，這也是該部分機房PUE值較高的直接原因之一[4]。

2 問題分析及改進措施

在對老舊機房的調研過程中，分析造成空調系統能耗較大、PUE值較高的原因，并針對存在的共性問題提出了對應的綠色低碳改進措施。

2.1 空調末端運行參數設置不合理

對于機房內溫度的調控，最簡單的控制方式之一就是對機房內空調各項運行參數進行設置。空調運行參數設置的合理與否直接影響制冷效果及空調能耗，科學合理的參數設置有助于實現空調系統的節能降耗。

（1）溫度設置過低（低于23 ℃），冷量過剩，能耗增加。改進措施：確保設備安全運行的前提下，將回風溫度上調至25 ℃以上。

（2）空調冗余，未關停，冷量過剩，能耗增加。改進措施：通過采用CFD仿真機房內氣流組織來判斷冗余空調的失效，在確保設備安全穩定運行的前提下鎖定失效（關閉）空調，并根據現場梳理結果設定空調關停級別，關停冗余空調設備。

（3）冬季環境溫度較低時，散熱效果最佳，制冷效率提高，可減少運行空調數量。改進措施：同樣在確保設備安全穩定運行的前提下關閉部分空調設備，提高回風溫度設置。

2.2 冷量流失嚴重且氣流組織不合理

通信設備運行對機房溫濕度、潔凈度等環境要求嚴格，機房精密空調通過調整氣流方向、送風風量及送、回風溫度等保障機房環境滿足設備運行維護要求。在空調系統的運行過程中，運維人員往往忽略空調龐大的系統和復雜的參數，簡單地認為只要空調配備的容量大于等于熱負荷，就可以判定空調對環境具有一定保障效果。但事實上，現網中的空調系統即便制冷量理論上可以滿足設備散熱需求，但是氣流紊亂或不足往往會導致設備局部過熱，冷量不足問題頻發[5]。為了滿足散熱需求，往往會配置過量的空調，造成能耗浪費。科學合理的氣流組織不僅可以保障設備安全穩定運行，還能達到節能降耗的目的。除此之外，通過實踐證明機房空間、機柜設備、地板等實施的氣密性，也直接影響著機房空調制冷和氣流方案的實施效果。

（1）架空地板靜壓箱出風口存在無效出風，地板不完整，底座未封堵。改進措施：修復靜壓箱出風口，修復缺失地板，鏤空底座做好封堵。

（2）無設備區域設置通風地板。改進措施：封堵通風地板或換成普通實心不通風地板。

（3）機房門、豎井等未密閉，孔洞未封堵密閉。改進措施：對未封閉位置進行封堵密封處理。

（4）封閉通道，機柜內空余U位擋風盲板缺失。改進措施：在機柜內的空余U位安裝擋風盲板。一方面，擋風盲板有效限制了機柜內熱空氣的流動線路，隔離了機柜內中下層和中上層的冷熱氣流，避免了中上層服務器進風口在吸入冷空氣的同時吸入中下層排出的熱空氣；另一方面，擋風盲板避免了冷空氣通過空余U位直接穿過機柜進入熱通道，提升了服務器進風口的冷風利用率，降低了服務器因冷風不足而引起排風扇加速運轉所需的能耗。機柜增擋風盲板氣流組織如圖1所示。

圖1 機柜增擋風盲板氣流組織

2.3 空調超期服役

部分機房精密空調系統實際運行時長已超過更新周期為8年的相關規定要求，這些超期服役的空調設備存在老化、故障率高、告警頻繁、性能下降、制冷量衰減以及能耗不斷升高的問題。

改進措施：從多維度綜合評定優先級，先替換優先級高的；對于暫時無法完成替換的，繼續積極爭取資源，同時加強對該部分空調的日常維護和清理，最大化發揮其作用。

2.4 機房局部過熱

當機房局部過熱并超過設備安全運行的溫度時，會帶來宕機的風險。設備長期處于高溫運行，磁盤磁帶會因熱漲效應造成記錄錯誤。隨著溫度的升高，計算機的可靠性逐漸降低，使用壽命也逐漸縮減。機房過熱現場及仿真實例如圖2所示。

圖2 機房過熱現場及仿真實例

為了消除局部過熱問題開啟較多的空調，導致空調機組能耗增加，冷熱氣流摻混，熱交換不充分，制冷系統過剩運行嚴重。

改進措施：優先采用地板下精確送風、風管精確送風、優化周邊空調制冷能力及位置的方式，提高機房內氣流流通及熱交換能力。

3 結 論

通過大量調研分析PUE較高的原因，探討在用老舊通信機房中常見的空調系統方面的共性問題，提出高效且低成本的綠色低碳節能措施。不同的綠色低碳節能措施應用場景不同，應結合實際情況進行分析并選擇適宜的措施。老舊機房的條件較為特殊，大多建設時間久遠、設施老舊、現場情況復雜且對安全性的要求較高，節能改造的難度很大。通過采取有效的節能改造措施，從而實現降本增效、節能降碳，助力達成“雙碳”目標。