摘要：本课题针对全国范围内普遍存在的数据机房高热密度机房局部过热问题进行专题研究，并解决了这一困扰现有数据机房健康发展的难题。针对数据机房特点，提出精确分配冷量、定点送风、合理组织气流的解决方案——“冷通道全封闭变风量送风方案”。通过该方案的研究，有效隔离冷热通道，气流组织更为合理；送风量和制冷量都可以按照机柜的实际需要分配，能够将冷能精确分配到需要的网络设备上，提高冷量使用效率，降低空调能耗。 


1、研究背景

      随着网络演进和数据业务的快速发展，大量的软交换设备和数据设备在现网应用，由于数据设备和软交换设备的结构与以往的传统交换机明显不同，设备散热量高、设置密集，对温度要求高等特点，机房原有的冷却系统工作方式已不能满足要求，数据机房局部过热问题日益突出。

      江苏省存在局部过热问题的数据机房已有十多处，南京市江浦地区数据机房是其中一个典型案例，2007年夏天高温季节，江浦数据机房由于局部过热，发生了3次数据设备宕机事件。解决数据机房局部过热问题，是我们必须重视的一个课题。

      本项目以江浦数据机房为研究、改造试点，对数据机房局部过热问题展开了全面、细致的研究和分析，针对数据机房特点，提出精确分配冷量、定点送风的解决方案。 

 
2、数据机房改造前状况

      江浦数据机房位于南京市江浦地区，是一个面对中小客户的托管业务和公司核心业务的综合性机房，机房位于江浦营业大楼4楼西侧。机房总面积约400㎡，采用风管上送风，服务器网络设备机柜设计总容量170台。目前安装设备机柜103台，其中86台机柜安装了设备，这些设备的总负荷130KVA。由于目前机房局部过热严重，虽然机房设计容量为170台机柜，但是新增设备已无法再安装，机房容量实际已经超负荷。

      针对这种状况，我们开展了对江浦数据机房过热问题的分析和改造措施的研究。在今年6月9日，我们对江浦数据机房的每个设备机柜的环境进行了为期一周的全面检测，包括机柜的功耗，机柜温湿度环境，得到了机房运行的实际数据。

      同时，我们对每个设备机柜的前门和后门的温度湿度进行了检测，每个机柜的自上而下检测6个位置高度，下图描述了每个机柜前后门位置的温度（6个点的平均值）分布情况：

      由于设备本身的散热气流引导，造成前排机柜的散热对后排机柜的进风温度造成影响，尤其在前排设备密度高的时候，这种情况尤为明显，在前面设备温度分布图中也可以看出这种情况。

      因此通过上面分析，我们认为造成江浦数据机房过热问题的原因主要有以下两个方面：

      1)、冷量未能精确分配：由于空调冷量基本均匀分配在机房内部的各个区域，在局部设备密度高的区域冷量分配不够，造成了局部过热。

      2)、气流组织不合理：由于服务器设备本身的散热气流，影响了后排设备冷却气流，造成了后排设备过热。

4、解决方案

      从上述分析可知，江浦数据机房局部过热的根本原因是冷量未能精确分配、气流组织不合理。针对以上两个原因，我们的解决方案主要解决以下两个难题：

      1、如何针对各个区域合理分配冷量？在设备发热高的区域配更多的制冷量，设备发热小的区域分配较少的制冷量，最好能够做到定量分配。

      2、如何隔离服务器设备的散热气流？最好能将冷气流和热气流完全隔离，互不影响。

      经过多方探讨和研究，我们找到了一个能够很好解决上述两个难题的方案――“冷通道全封闭变风量送风方案”。该方案具体如下：

       首先我们设计一个送风器，安装在每个设备机柜的正面网孔门，由于江浦数据机房的所有机柜都是全通风的网孔门，因此可以非常方便地直接安装在网孔门上，送风器采用喷塑钢板定制成型，上端为DG200的圆形管，通过螺旋软管连接主风管，安装送风器后，机柜前门可以照常开关。空调冷风通过软管直接通过送风器送到每个机柜，可以完全隔离前排机柜热气流的影响 。

      除了安装送风器，我们在每排机柜顶部的主风管上给每个设备机柜开设直径200mm的圆形送风口，每个送风口安装风阀，可以调节每个机柜的送风量。这样做到按照每个机柜的发热量，精确分配精密空调的制冷量。这样整个变风量机柜送风器三个部分组成：

      ――送风器：宽390mm，厚160mm，高1700mm

      ――软管：Φ200mm

      ――手动/电动控制阀：Φ200mm

      变风量送风器安装示意如下图。

      根据江浦数据机房设备机柜的发热情况，目前最大的机柜负载是3.8KVA， 设备发热量=3.8KVA*0.92*80%= 2.8KW。

      按照设备厂家的要求和国外设计参考，我们设计送风器风量按照800m3/h，最大风速约7m/s。

      下面我们需要计算变风量送风器的压力损失，来核算目前的精密空调是否能够满足要求。

      空气在风管内流动时的压力损失有两种形式：摩擦压力损失和局部压力损失。

      变风量机柜送风器，在送风过程中将经过以下几个部件，其各个部件的摩擦压力损失和局部压力损失分别为：

      圆形风管单位长度摩擦压力损失计算公式为：   Pa/m

      管件（如三通、变头等）的局部压力损失计算公式为：   Pa

      ①送风支管及送风水平延长管沿程损失

      查《简明通风设计手册》圆形风管沿程摩擦压力损失线算图，得出直径200mm，设计流速为7m/s的压力损失为：3.3Pa×1.5m＝5Pa

      ②铝箔升缩软管沿程损失

      查《简明通风设计手册》铝箔伸缩软管摩擦压力损失线算图，得出直径200mm，设计流速为7/s的压力损失为：5.8Pa×1.2m＝6.96Pa 

      ③90度弯头局部压力损失

      将有关数值代入上述公式得：6.9Pa

      ④静压箱分支管局部压力损失

      将有关数值代入上述公式得：46Pa

      总压力损失为Z总＝5＋6.96＋6.9＋46＝65Pa

      现有的正方形散流器需要取消，为了便于现场安装，我们的方案是将现有的分支风管拆除，采用铝箔复合保温板重新制作送风管，将分支送风管设计成定静压的送风管。

      按照设备厂家的要求和参考美国暖通工程师协会的最新建议标准，我们对每个设备机柜的控制工艺设计如下：

      1、温湿度的控制

      我们采用送风控制模式，保证每个设备机柜的送风温湿度，按照TC9.9的建议，我们设定变风量送风器的出风温度（即送风温度）为20℃（干球温度），相对湿度为60%，每1KW设备的送风量为200m3/h。

      机柜的排风温度计算：

      查焓湿图，可以得到其含湿量d=8.83g/kg，焓h＝42.62 Kj/kg。

      因为计算机房的潜热量小，设备的冷却过程可看作是等湿加热过程，每200m3/h，通过计算，可得到其出风焓值h＝57.74KJ/kg。

      查焓湿图，含湿量量d=8.83g/Kg，焓值h＝57.74Kj/Kg时的温度为：34.74℃。

      2、设备机柜的风量分配

      我们将不同用电量的设备柜散热分为三种不同风量的供应：

      ①设备柜用电量：Q1≤1KW时，分配风量为：200m3/h；

      ②设备柜用电量：1KW <Q2<2KW时，分配风量为200～400m3/h；

      ③设备柜用电量：2KW <Q3>3KW时，分配风量为400～800m3/h；

      根据我司在现场测试的数据，各列设备柜的总分配风量为：

      C排＝13×200＝2600  m3/h

      D排＝3×200＋8×400＋1×800＝4600  m3/h

      E排＝9×200＋4×400＝3400  m3/h

      F排＝5×200＋2×400＝1800  m3/h

      G排＝1×200＋1×400＝600  m3/h

      H排＝3×200＝600  m3/h

      I排＝6×200＋6×400＋1×800＝4400  m3/h

      L排＝3×200＋1×800＝1400  m3/h

      M排＝6×200＝1200  m3/h

      N排＝1×200＋4×400＋2×800＝3400  m3/h

      O排＝2×200＋3×400＝1800  m3/h

      P排＝2×200＋1×400＝800  m3/h

      Q排＝3×200＋4×400＝1400  m3/h

      S排＝2×200＋2×400＋5×800＝5200  m3/h 

      总=33200 m3/h

      因此，精密空调的总风量必须达到33200 m3/h。这是最大风量的数据，目前实际机柜的风量可调节在70%左右。另外我们可以通过变风量自动控制系统，大大减少送风量的过剩。

      由于目前测得的精密空调送风量严重偏低，因此精密空调的送风量能否满足要求是本方案的关键之处，我们和精密空调厂家协调确认，该空调设计风量单台18000m3/h，机外余压达到250Pa，可以通过改变风机皮带轮的方式进行调整，调整后的机外余压能满足变风量送风器的要求，同时风量也能在机外余压200帕的情况下达到单台10000 m3/h以上。

      为了保证每个机柜的风量可以根据设备的发热量随时调整，我们采用变风量自动控制系统方案。

      采用室内温度变送器一个，安装在机柜后门采集柜内回风温度。控制器采用一个比例积分控制器，通过温度变送器采集的AI信号，控制输出AO至风阀驱动器，调节送风管风阀的开启度（设定值T，机柜内温度大于T，增大风阀开启度，小于T时减小风阀开启度），从而达到控制机柜内送风量的大小，使机柜内温度处于较小波动范围。一个温度变送器对应一个比例积分控制器输出对应风阀驱动器，构成独立控制回路。

      控制流程图如下：

      另外，由于每个机柜的风量调节，造成送风管风压变化，为了保持机柜风量调节的精度必须保证主风管的静压保持在恒定值，也就是变风量控制中的定静压控制。

      首先我们对精密空调的风机进行改造，增加变频器，变频器由DDC控制器直接控制，另外我们采用8个空气微差压传感器分别采集8个送风风管内与管外的压差信号，送至DDC控制器。经PID计算对应输出AO至8台变频器（每台空调2台风机），控制4台精密空调的风机转速，保证送风管内压值恒定。每台精密空调两个风机的转速要保持一致。

      控制流程图如下：

      冷通道封闭变风量送风方案，是专门针对江浦数据机房设计的一个合理解决机房过热问题的方案，一方面解决了冷热气流隔离的难题，另一方面做到了制冷量智能分配，彻底解决过热问题。我们对本方案做了计算机流体力学模拟分析(CFD)，下面是分析的结果：

      1、机柜送风器的安装模型：

   
  
      2、计算机模拟结果，离地面0.35米处机房的温度分布情况： 

      3、计算机模拟结果，，离地1米处机房温度分布情况：

        4、计算机模拟结果，离地1.8米处机房温度分布情况： 

      改造后，机柜内部环境将完全满足设备运行要求，机房外部环境温度在局部会由于设备发热量的不同出现温度过高，但是不会影响机柜内服务器设备的运行。

5、效益分析

      在实施了“冷通道全封闭变风量送风方案”后，送风量和制冷量都可以按照机柜的实际需要分配，局部过热和制冷量过剩的矛盾将得到彻底解决，机房可以继续安装设备，机房空调的能耗将大大降低。

5．1、减少数据机房建设总成本：

      按照目前江浦数据机房的情况，精密空调的总制冷量208KW可以得到充分利用，在考虑可照明发热4KW和建筑发热9.6KW的情况下，可以支持的设备发热将达到208KW-4KW-9.6KW=194KW，比目前的96KW超过一倍多。也就是意味着，可以将目前的容量扩充一倍，相当于新建一个机房。从江浦数据机房机柜空间的角度核算，目前绝大部分的机柜安装了不到20U的设备，江浦数据机房的机柜可安装容量为35U， 另外还有70个机柜的空位，因此设备安装容量扩大一倍完全没有问题。按照目前机房建设的成本，类似江浦数据机房这样一个400平米规模的机房可节省建设总费用至少在600万元以上。

5．2、节省精密空调运行能耗：

      在实施“冷通道全封闭变风量送风方案”后，由于合理分配送分量和制冷量，必然会节省精密空调的运行能耗。在目前不增加装机的情况下，制冷量会有冗余，冗余的制冷量估算如下:

      冗余制冷量=208KW-110KW=92KW。

      由于在改造前精密空调是全负荷运行的，因此制冷系统处于100%运行状态，改造后由于制冷量需求减少可以降低精密空调制冷系统的能耗约44%。查阅江浦数据机房精密空调设备参数，制冷系统的功率包括压缩机和冷凝器的功耗约60KW，初步估算每年可以节省的电费按照1元/度计算：

      节省电费=365天*24小时/天*60KW*44%*1元/KWH=约23万元/年。

6、推广前景预测

      在电信系统，目前绝大部分空调系统都是采用风管和风帽上送风方式，冷量分散在机房所有空间，冷热气流混合交替，冷能未能精确高效分配到网络设备，不仅增加了机房空调耗能，而且影响了发热量大设备的正常运行。

      目前，随着中国移动数据机房的逐渐增多，现有数据机房的局部过热问题已经是一个全国共性问题。“冷通道全封闭变风量送风方案”，不仅能够将冷能精确分配到需要的网络设备上，而且有效隔离了冷热通道，气流组织更为合理，在大大降低空调能耗的同时，也保证了数据设备的安全稳定可靠运行。因此，我们认为“冷通道全封闭变风量送风方案”是解决现有数据机房过热问题的优秀方案，具有较高的推广价值。