機(jī)房空調(diào)緣何能耗超高

技術(shù)領(lǐng)域：

近年來隨著高熱密度計(jì)算機(jī)機(jī)房建設(shè)的發(fā)展，一方面多數(shù)機(jī)房仍沿用原機(jī)房局址進(jìn)行擴(kuò)容而成；另一方面也有的機(jī)房是沿用原始設(shè)計(jì)而未能夠進(jìn)行主設(shè)備擴(kuò)容。這就會(huì)出現(xiàn)使用原精密空調(diào)機(jī)組已跟不上機(jī)房建設(shè)發(fā)展的需求而產(chǎn)生機(jī)房冷卻能力不足量的現(xiàn)象；或是精密空調(diào)機(jī)組的配置量超出了現(xiàn)有機(jī)房設(shè)備需求而產(chǎn)生機(jī)房冷卻能力超量的現(xiàn)象，這都會(huì)導(dǎo)致機(jī)房總體能耗之居高不下。

據(jù)IDC預(yù)測，到2008年IT采購成本將與能源成本持平。另一方面，數(shù)據(jù)中心的能耗中，冷卻又占了能耗的60%到70%。在接下來的幾年里，世界上一半左右的數(shù)據(jù)中心將受電力和空間的約束，能耗會(huì)占到一個(gè)IT部門1/3的預(yù)算。故在數(shù)據(jù)能源與冷卻問題會(huì)議上，Gartner有限公司的副總MichaelBell說：“在2008年全世界一半的數(shù)據(jù)中心將因?yàn)榈托У膭?dòng)力供給和冷卻能力不能達(dá)到高密度設(shè)備要求而過時(shí)。”并有機(jī)構(gòu)預(yù)測，在2000年全球第一波數(shù)據(jù)中心浪潮中建設(shè)的數(shù)據(jù)中心將有50%會(huì)在2008年開始重建。

技術(shù)背景應(yīng)用范圍：

機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)機(jī)房是按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其運(yùn)行工況為：23±2℃/50±10%Rh；對于計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)房用單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)工況為23±1℃/55±4%Rh。

而現(xiàn)有機(jī)房空調(diào)生產(chǎn)廠家所提供的機(jī)型其室內(nèi)機(jī)回風(fēng)口工況參數(shù)點(diǎn)的設(shè)計(jì)多為24℃/50%Rh，在此工況下進(jìn)行機(jī)房選型設(shè)計(jì)的直接膨脹式空調(diào)壓縮機(jī)COP值和整機(jī)SHR（顯熱比）值均較大，故機(jī)房建設(shè)進(jìn)行空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)多按照上述工況參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行選型。但是若對應(yīng)到22℃/50%Rh的工況參數(shù)點(diǎn)的設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)：傳統(tǒng)直膨式空調(diào)機(jī)的壓縮機(jī)COP值同比下降約7～8%、而整機(jī)顯冷量對比原總冷量亦會(huì)下降8～19.5%（根據(jù)公開的機(jī)房空調(diào)廠家數(shù)據(jù)表，直接膨脹式空調(diào)不同的下送風(fēng)機(jī)型顯冷量同比會(huì)下降到原總冷量的92%～80.5%）；若是采用冷凍水式空調(diào)機(jī)組整機(jī)的顯冷量對比原顯冷量會(huì)下降13.2%～16.6%。然而機(jī)房空調(diào)的負(fù)荷絕大部分是計(jì)算機(jī)類高熱密度負(fù)荷，其全部為顯熱負(fù)荷。那么對比回風(fēng)參數(shù)24℃/50%Rh的工況所設(shè)計(jì)出來的空調(diào)機(jī)組，當(dāng)運(yùn)行于22℃/50%Rh工況下同比增加的能耗大約是15%～25%（即為了給顯熱負(fù)荷降溫而使得直接膨脹式機(jī)房空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的同比延長量；或意味著冷凍水式機(jī)房空調(diào)機(jī)組之外部冷凍水主機(jī)供應(yīng)冷凍水時(shí)間的延長量也即相應(yīng)能耗的增長量）。若繼續(xù)調(diào)低空調(diào)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)設(shè)定點(diǎn)，對應(yīng)的能耗會(huì)呈非線性的增長；而且運(yùn)行工況參數(shù)設(shè)定的過低會(huì)導(dǎo)致機(jī)房空氣溫度低于露點(diǎn)溫度而出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的濕度下降，當(dāng)超過相對濕度設(shè)定下限后機(jī)房空調(diào)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行加濕功能，由于電極式加濕器噴出的水霧會(huì)抵消掉機(jī)房空調(diào)大量的制冷量，屆時(shí)機(jī)房空調(diào)的耗能會(huì)呈指數(shù)性的上升。

現(xiàn)在計(jì)算機(jī)機(jī)房的建設(shè)模式，一般是沿用原數(shù)據(jù)機(jī)房局址進(jìn)行簡單的擴(kuò)容而成。由于機(jī)房早期建設(shè)的時(shí)候已經(jīng)對機(jī)柜和空調(diào)進(jìn)行了布局，達(dá)到空調(diào)機(jī)組氣流組織對當(dāng)時(shí)的機(jī)柜負(fù)荷是最佳的設(shè)計(jì)；那么現(xiàn)在越是高集成度（更高的熱密度）的計(jì)算機(jī)服務(wù)器進(jìn)場越會(huì)被安排在遠(yuǎn)離空調(diào)機(jī)組的位置上。

這樣勢必會(huì)造成在新的計(jì)算機(jī)服務(wù)器開機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)此區(qū)域溫度超標(biāo)的現(xiàn)象，故而必須將空調(diào)機(jī)組設(shè)定的回風(fēng)溫度24℃調(diào)低。一般情況是在刀片服務(wù)器進(jìn)場后至少調(diào)低空調(diào)機(jī)組設(shè)定溫度2℃。對此造成的能耗就已經(jīng)超過空調(diào)出廠標(biāo)準(zhǔn)的20%以上了。然而隨著刀片服務(wù)器的高度集成化，其散熱量已經(jīng)達(dá)到了每個(gè)機(jī)架30KW之巨；甚至有的正常運(yùn)行機(jī)房在服務(wù)器機(jī)柜出風(fēng)口測量到了47℃的高溫。最后機(jī)房面臨著計(jì)算機(jī)服務(wù)器等高熱密度負(fù)荷的不斷進(jìn)場，只能一味的調(diào)低空調(diào)機(jī)的設(shè)定溫度值，致使機(jī)房內(nèi)溫度低得像個(gè)冷庫一樣。

據(jù)研究機(jī)構(gòu)UptimeInstitute在2006年對美國19個(gè)數(shù)據(jù)中心的研究中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的過度冷卻(overcooling)差不多達(dá)到實(shí)際所需要的2倍。目前85％以上的數(shù)據(jù)中心機(jī)房存在過度制冷問題，對應(yīng)的機(jī)房空調(diào)機(jī)組耗能也會(huì)比設(shè)計(jì)工況增加能耗50%以上，最終造成機(jī)房空調(diào)居高不下的高額運(yùn)行費(fèi)用。

另一方面設(shè)備發(fā)熱量又與設(shè)備類型、型號(hào)，機(jī)房布置有著很大關(guān)系。據(jù)對一些機(jī)房做過的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有的設(shè)備發(fā)熱量并不大。例如某電信樞紐大樓在室外30℃、室內(nèi)21℃干球溫度時(shí)的實(shí)際冷負(fù)荷指標(biāo)只有66W/m2，其中設(shè)備發(fā)熱很小。機(jī)房冷負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計(jì)算指標(biāo)的165～222W/m2。[1]而現(xiàn)實(shí)中有的機(jī)房占地面積達(dá)到了396平方米，而真正需要機(jī)房空調(diào)的服務(wù)器和配線架負(fù)荷區(qū)域卻僅有60平方米。

以上機(jī)房的建設(shè)，可能是根據(jù)電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50174-93）按下列方法進(jìn)行主機(jī)房面積確定的：

1.當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備已選型時(shí)，可按下式計(jì)算：

A=K∑S（2.2.2-1）

式中A--計(jì)算機(jī)主機(jī)房使用面積（m2）；

K--系數(shù)，取值為5～7；

S--計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及輔助設(shè)備的投影面積（m2）。

2.當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備尚未選型時(shí)，可按下式計(jì)算：

A=KN（2.2.2-1）

式中K--單臺(tái)設(shè)備占用面積，可取4.5～5.5（m2v/臺(tái)）；

N--計(jì)算機(jī)主機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的總臺(tái)數(shù)。

所以會(huì)產(chǎn)生上述機(jī)房內(nèi)精密空調(diào)的配置遠(yuǎn)大于實(shí)際計(jì)算機(jī)設(shè)備的需求之問題的存在。

由于機(jī)房空調(diào)無法感知機(jī)房的服務(wù)器或通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具體需求量，故其制冷能力之超量會(huì)導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)，產(chǎn)生振蕩，最終也會(huì)造成機(jī)房空調(diào)高額的運(yùn)行費(fèi)用。

隨著數(shù)據(jù)中心（IDC）機(jī)房采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)的大量應(yīng)用，機(jī)房內(nèi)高熱密度負(fù)荷勢必會(huì)出現(xiàn)散熱點(diǎn)向關(guān)鍵服務(wù)器轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，屆時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)房內(nèi)只出現(xiàn)少數(shù)的高熱密度區(qū)域，其微環(huán)境需求會(huì)愈加嚴(yán)峻。

現(xiàn)有技術(shù)解決方案：

據(jù)綠色網(wǎng)格（GreenGrid）組織的有關(guān)專家所給出以下的建議。以指導(dǎo)怎樣提高數(shù)據(jù)中心能效。

其中心理念是更好地冷卻過熱區(qū)域，而不浪費(fèi)能量去冷卻已經(jīng)冷卻的區(qū)域。

具體指導(dǎo)方針：

a)冷卻通道：熱通道設(shè)計(jì)是為了促進(jìn)有效流動(dòng)同時(shí)將冷熱空氣流分開，并恰當(dāng)安置空氣調(diào)節(jié)設(shè)備。

b)為服務(wù)器運(yùn)行選擇動(dòng)力經(jīng)濟(jì)模式。

c)采用動(dòng)態(tài)計(jì)算流軟件（computationalfluiddynamics）對數(shù)據(jù)中心的空氣流進(jìn)行模擬，并嘗試不同的地面通風(fēng)口位置和計(jì)算空間空氣調(diào)節(jié)單元位置。最優(yōu)冷卻系統(tǒng)可使數(shù)據(jù)中心能源支出節(jié)約25%。

d)無論負(fù)荷大還是小，冷卻系統(tǒng)的能耗是固定的。很好地利用將使其固定能耗降低。在保證增長的情況下，將生產(chǎn)量與數(shù)據(jù)中心設(shè)備的冷卻需求相匹配。

e)數(shù)據(jù)中心過熱點(diǎn)的直接冷卻與冷卻系統(tǒng)緊密相關(guān)，但注意不要冷卻已冷卻區(qū)域。將冷卻空氣的通道減短。使數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)為服務(wù)器和存儲(chǔ)器機(jī)架的空氣流與房間空氣流相匹配，這樣就不會(huì)將電能浪費(fèi)在從相反方向來抽取空氣。

f)采用刀片服務(wù)器和存儲(chǔ)器虛擬化來減少需要?jiǎng)恿鋮s系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的物理設(shè)備的數(shù)量。這同時(shí)也減少了數(shù)據(jù)中心所占用的空間。

g)采用更多的高能效照明設(shè)備（安裝控制器或定時(shí)器），這可以直接節(jié)約照明費(fèi)用，并節(jié)約冷卻費(fèi)用（因?yàn)檎彰髟O(shè)備的使用會(huì)導(dǎo)致其自身過熱）。

h)改進(jìn)機(jī)架內(nèi)部的空氣流，使其穿過通道，這可以通過配置盲板隔離空機(jī)架空間來實(shí)現(xiàn)。

i)當(dāng)采用專業(yè)工程方法將冷卻用水直接輸送到機(jī)架以將電力系統(tǒng)和隔離管道等的風(fēng)險(xiǎn)最小化。

j)采用多核芯片來整合服務(wù)器可以減少所需冷卻服務(wù)器的數(shù)量。購買更多的高效芯片并進(jìn)行動(dòng)力分級(jí)以減少待機(jī)功率，這樣可減少冷卻需求。

k)如果可能，采用空氣調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行于冬季經(jīng)濟(jì)模式。

l)檢查個(gè)別的空氣調(diào)節(jié)單元是否相協(xié)調(diào)并且未進(jìn)行相反工作。

總之其理念是減少整體的冷卻需求并考慮包括冷卻系統(tǒng)的整體支出。應(yīng)該直接針對機(jī)架內(nèi)部的過熱點(diǎn)進(jìn)行冷卻，同時(shí)將熱空氣排出由通風(fēng)口排出。

文章來源：機(jī)房專用空調(diào)www.yuanchangqo.cn