文｜太極計(jì)算機(jī)股份有限公司 周一民

1 項(xiàng)目背景

1.1 目前市場概述

近幾年來，隨著信息技術(shù)的普及，數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備數(shù)量增長加速；同時，電力價格持續(xù)上升并且供應(yīng)越來越緊張，數(shù)據(jù)中心面臨不斷擴(kuò)容的壓力和不斷增長的電能消耗，節(jié)電成為全球數(shù)據(jù)中心管理者共同關(guān)注的話題。

我國通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)資金大量投入，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模位于世界首位，通信行業(yè)已經(jīng)成為推動國民經(jīng)濟(jì)增長的主要產(chǎn)業(yè)。同時，通信行業(yè)不間斷運(yùn)行與維護(hù)，尤其是大量通信設(shè)備匯集的機(jī)房和覆蓋全國的無線基站等能源成本日益增長，占運(yùn)營企業(yè)經(jīng)營投入的比例越來越大。通信運(yùn)營企業(yè)紛紛就節(jié)能減排推出新舉措。

數(shù)據(jù)中心及通信行業(yè)不僅是一個高科技的行業(yè)，也是一個高耗能的行業(yè)，機(jī)房過熱、機(jī)房利用率極低、耗能高為以前老機(jī)房的普遍現(xiàn)象。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，通信行業(yè)迅速發(fā)展，帶來用電量的迅速增長，但其節(jié)能空間也非常大，“節(jié)能減排”已成為人們耳熟能詳?shù)囊粋€詞，與之相對應(yīng)的“生態(tài)文明”也將深入人心，建設(shè)“綠色數(shù)據(jù)中心”是現(xiàn)在數(shù)據(jù)及通信中心管理者的首要任務(wù)。

SUN公司為下一代“綠色數(shù)據(jù)中心”推出了一個新的評判標(biāo)準(zhǔn)：即以SWAP值來評判數(shù)據(jù)中心內(nèi)部署的服務(wù)器系統(tǒng)功效狀況和經(jīng)濟(jì)性，它是綜合考慮了服務(wù)器占用的空間、功耗與性能等因素。

所以在同等性能時減少使用空間和降低能耗是提高SWAP的最直接的途徑。

1.2 國家產(chǎn)業(yè)政策

“節(jié)能減排”不僅被立為國策，更是企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

早在2010年國資委下發(fā)的第23號令規(guī)定了《中央企業(yè)節(jié)能減排監(jiān)督管理暫行辦法》將節(jié)能減排作為“中央企業(yè)負(fù)責(zé)人經(jīng)營業(yè)績考核”的重要目標(biāo)。

“節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境”已是各級政府工作的重點(diǎn)。許多城市和地區(qū)已經(jīng)采取措施，如利用峰谷用電等。然而，節(jié)能不僅是各級政府的事，也是全民的事，特別是對于各企業(yè)更是責(zé)無旁貸。

溫家寶總理在2011年初的政府工作報(bào)告中正式披露，“十二五”單位GDP能耗下降目標(biāo)確定為16%。同時公布的還有新增的約束性指標(biāo)，二氧化碳排放降低17%。作為耗能大戶，數(shù)據(jù)及電信運(yùn)營商的節(jié)能舉措無疑將成為完成這個總體目標(biāo)的重要組成部分。在2010年12月25日召開的全國工業(yè)和信息化工作會議上，時任工業(yè)和信息化部部長李毅中在工作報(bào)告中提出“十二五”期間工業(yè)的節(jié)能和二氧化碳減排目標(biāo)。李毅中表示，力爭2015年，單位工業(yè)增加值能耗和二氧化碳排放量比“十一五”末均降低16%左右。他還表示，2011年初定單位工業(yè)增加值能耗和二氧化碳排放量各降低4%。

“這是工信部第一次在自己的五年規(guī)劃中提出減碳目標(biāo)?！币晃粯I(yè)內(nèi)人士表示，“這一目標(biāo)將大大推動工業(yè)企業(yè)節(jié)能和減碳的積極性。”

中國電信在2010年4月就節(jié)能改造方案提出了一個《中國電信集團(tuán)節(jié)能減排指導(dǎo)意見2010版（征求意見稿）》明確了節(jié)能減排的實(shí)施辦法；可見各行業(yè)都在為十二五的節(jié)能減排任務(wù)做準(zhǔn)備。

2 項(xiàng)目概況

針對前述背景及國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，我們提出“高效送風(fēng)控制系統(tǒng)”新設(shè)計(jì)理念。

2.1 目前運(yùn)行的老機(jī)房現(xiàn)實(shí)狀況

據(jù)測算，我國的IDC機(jī)房空調(diào)設(shè)備的能耗大概占了45%左右、IT設(shè)備的能耗則占了30%、電源系統(tǒng)占18%、其他占7%。通信機(jī)房及數(shù)據(jù)中心通常是用來對信息進(jìn)行集中處理的地方，計(jì)算機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、通信設(shè)備是處理信息必不可少的IT關(guān)鍵設(shè)備，這些設(shè)備節(jié)能是IT設(shè)備供應(yīng)商的責(zé)任。而對于那些用來保障IT關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備，如UPS、空調(diào)，人們往往不太注意，殊不知這些設(shè)備也是電能消耗的大戶，但供電系統(tǒng)只占18%，通過對其進(jìn)行節(jié)能措施基本上是辦不到，即使使用任何技術(shù)能在原基礎(chǔ)上節(jié)能10%，對整個系統(tǒng)也是微不足道的，所以可以看到空調(diào)的制冷系統(tǒng)的節(jié)能是很重要的。

我們都知道空調(diào)系統(tǒng)的能效比在1∶2.5～1∶3，也就是說我們用1kW的能耗可以帶來3kW的制冷量，而根據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，空調(diào)的制冷能耗比例為33%，而IT設(shè)備的能耗只占30%，我們認(rèn)為這30%的能耗都是以熱量來散發(fā)給機(jī)房，我們只要有10%的制冷能耗就應(yīng)該滿足這30%的熱量冷卻，而事實(shí)是我們還需要33%的制冷能耗來滿足30%的發(fā)熱量，足以見得機(jī)房的能耗高且也有很大的節(jié)能潛力。

應(yīng)該說，制冷并不是一開始就成為數(shù)據(jù)中心中的用電大戶，而是隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及才使得這個問題日漸突出。過去，由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用并不普及，數(shù)據(jù)中心的IT關(guān)鍵設(shè)備也不多，機(jī)房空間相對比較寬裕，機(jī)柜中很少有局部熱點(diǎn)出現(xiàn)。因此，有的數(shù)據(jù)中心即使采用普通空調(diào)來為機(jī)房制冷，只要保證機(jī)房內(nèi)的溫度符合設(shè)備正常工作溫度即可，機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備也就能正常運(yùn)行。

如今，隨著IT技術(shù)的普及，IT設(shè)備的需求量呈現(xiàn)爆炸性的增長，機(jī)房日漸擁擠起來。過去寬敞的機(jī)房空間逐漸被大大小小的機(jī)柜所擠占，與此同時，機(jī)柜中的服務(wù)器、交換機(jī)的數(shù)量也大大增加，機(jī)房的整體溫度和機(jī)柜中的溫度都迅速升高，特別是近年興起的刀片服務(wù)器更是進(jìn)一步加重了這一問題的嚴(yán)重性。

單就刀片服務(wù)器本身而言，它降低了維護(hù)成本，而且省地、節(jié)能，但刀片服務(wù)器卻導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)熱密度迅速上升，即使增加了足夠多的空調(diào)，機(jī)房內(nèi)仍然會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，這讓制冷問題日益突出。

在一些數(shù)據(jù)中心機(jī)房中甚至出現(xiàn)部分區(qū)域溫度已經(jīng)降到10多度，而機(jī)房中仍然出現(xiàn)高溫報(bào)警的尷尬局面。

正是由于這方面的原因，在機(jī)房空間日漸寶貴的情況下，機(jī)柜里仍然不得不以犧牲機(jī)房容積率的辦法，在機(jī)架上空出許多空間來達(dá)到設(shè)備的制冷要求。事實(shí)上，機(jī)房的制冷能力已經(jīng)限制了每個機(jī)柜中刀片服務(wù)器的安裝數(shù)量。

2.2 造成老機(jī)房能耗高、局部過熱、容積率低的根本原因，如圖1所示

（1）排放：老機(jī)房是按機(jī)柜正面朝向一致的方式排列，造成了前排的機(jī)柜出風(fēng)口直接對著后排機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口，導(dǎo)致后排機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度升高；雖然有冷風(fēng)補(bǔ)充但由于出風(fēng)口的風(fēng)壓低和不充分，不能將冷風(fēng)輸送到所有機(jī)柜的設(shè)備上，最終導(dǎo)致局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生，如圖2所示。

（2）風(fēng)的短路：由于出風(fēng)口的冷風(fēng)出風(fēng)壓力較低，使冷風(fēng)無法輸送到機(jī)柜出風(fēng)口的遠(yuǎn)端，機(jī)柜中的服務(wù)器自帶風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)也吸收到服務(wù)器中，導(dǎo)致服務(wù)器的進(jìn)風(fēng)溫度升高，如圖3所示。

圖1

圖2

圖3

（3）風(fēng)道的堵塞：對于下送風(fēng)系統(tǒng)，由于地板下風(fēng)道有電纜，將風(fēng)道堵塞造成機(jī)柜局部地區(qū)冷風(fēng)不能按需輸送到出風(fēng)口，造成局部過熱現(xiàn)象。

（4）結(jié)論：由以上可見，局部過熱問題主要是機(jī)房的氣流組織不力造成的。由于局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生導(dǎo)致用戶為設(shè)備安全運(yùn)行，增加過多的空調(diào)，空調(diào)之間不能統(tǒng)一調(diào)度，致使在空調(diào)運(yùn)行過程中有的制冷、有的制熱，造成很大浪費(fèi)；又由于有的機(jī)房空調(diào)的無序排放，使得空調(diào)冷風(fēng)相互阻擋造成浪費(fèi)； 還有機(jī)房中冷熱不均，有的地方冷、有的地方熱，使得很多的熱輻射直接傳入機(jī)房增加空調(diào)負(fù)擔(dān)，造成浪費(fèi)。

由于機(jī)房已經(jīng)出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，使用戶不能也不敢在機(jī)柜中增加設(shè)備的投入，以致在老機(jī)房中，大部分機(jī)柜中設(shè)備不足機(jī)柜的30%，設(shè)備的平均運(yùn)行功率小于2kW，造成了機(jī)房的容積率很低。

2.3 如何解決以上問題

要降低數(shù)據(jù)中心制冷的能源消耗，最根本的辦法是減少外界的熱量進(jìn)入，同時提高空調(diào)的制冷效率，合理控制空調(diào)回風(fēng)溫度，節(jié)電效果顯著。經(jīng)測算，如果夏季空調(diào)溫度調(diào)高1℃，公共建筑空調(diào)能耗可降低8%、機(jī)房能耗降低3%，如圖4所示。每個機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口加裝進(jìn)風(fēng)風(fēng)道，使之成為一個小的冷池環(huán)境，其風(fēng)量大小可以根據(jù)機(jī)柜中的溫度傳感器所測得的溫度或機(jī)柜中IT設(shè)備的總電流數(shù)值按需要隨時調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)中心的集中監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控所有的機(jī)柜溫度和風(fēng)量的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)精密空調(diào)的總制冷量和總風(fēng)量，該技術(shù)可能將數(shù)據(jù)中心的降溫成本降低30%～50%。

圖4

3 節(jié)能的原理

3.1 提高空調(diào)的回風(fēng)溫度

（1）提高回風(fēng)溫度的可行性：機(jī)房原設(shè)計(jì)規(guī)范為：21±2℃（現(xiàn)在的設(shè)計(jì)規(guī)范為23±1℃），也就是服務(wù)器設(shè)備的最佳工作溫度。

要達(dá)到機(jī)房設(shè)計(jì)要求，須將空調(diào)的回風(fēng)溫度調(diào)整到22±2℃ ，這樣空調(diào)在回風(fēng)溫度24℃時空調(diào)制冷開始工作、在20℃時停止制冷，由于機(jī)房空調(diào)的蒸發(fā)溫度在8℃～10℃，此時空調(diào)的出風(fēng)溫度為12℃～16℃，這樣經(jīng)空調(diào)制冷的冷風(fēng)與室內(nèi)的熱風(fēng)混合才能達(dá)到機(jī)房的溫度要求，但由于氣流分配的不均勻，易造成局部過冷、局部過熱的冷熱不均現(xiàn)象，這樣使很多冷量大量流失造成浪費(fèi)，同時也可能造成有的空調(diào)制冷、有的空調(diào)制熱；還由于在過冷的區(qū)域，外界對機(jī)房的熱輻射增加，而采用高效送風(fēng)控制系統(tǒng)，由于使用了冷熱分離的措施，經(jīng)過空調(diào)冷卻后的冷風(fēng)可直接輸送到機(jī)柜設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口處，不與機(jī)房內(nèi)的熱風(fēng)混合，這樣只要使空調(diào)的送風(fēng)溫度達(dá)到22±2℃要求，就可滿足IT設(shè)備的正常運(yùn)行。這樣空調(diào)的回風(fēng)溫度就可設(shè)在30±2℃。

（2）提高回風(fēng)溫度的節(jié)能原理：采用高效送風(fēng)控制系統(tǒng)，空調(diào)的回風(fēng)溫度可設(shè)置在30+2℃，回風(fēng)溫度在32℃時才開啟制冷功能，在28℃時停止制冷，大大減少了對空調(diào)制冷要求、提高了制冷效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

◆ 按每提高1℃降低機(jī)房能耗3%計(jì)算，全機(jī)房總電力需求可節(jié)約25%；

◆ 由于機(jī)房環(huán)境溫度可提高到30+2℃，考慮在夏天由于外界對機(jī)房的熱輻射的減小，在冬季加大了外界的冷輻射效率，也可產(chǎn)生很大的節(jié)能效果，所以總節(jié)能效率在30%～50%。

3.2 按需制冷

由于采用高效送風(fēng)控制系統(tǒng)，機(jī)房改造后可根據(jù)機(jī)房實(shí)際制冷量和風(fēng)量的需求，采用按需開啟機(jī)房空調(diào)的控制，在很多情況下不需要全部空調(diào)都開啟運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3.3 減少制冷環(huán)境

通過采用高效送風(fēng)控制系統(tǒng)，將空調(diào)的制冷環(huán)境由機(jī)房的大環(huán)境變成了機(jī)柜前的小環(huán)境，減少了空調(diào)的制冷空間。

4 解決的問題

（1）局部過熱：高效送風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)每個機(jī)柜的發(fā)熱狀態(tài)進(jìn)行微環(huán)境的冷風(fēng)控制，并根據(jù)機(jī)柜的實(shí)際發(fā)熱情況調(diào)整機(jī)柜的冷風(fēng)風(fēng)量，徹底改善了局部過熱現(xiàn)象。

（2）節(jié)能：由于提高了空調(diào)的回風(fēng)溫度、按需調(diào)整空調(diào)的使用數(shù)量、減少空調(diào)的制冷空間，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。

（3）提高機(jī)房的容積率：由于解決了以上的問題，使機(jī)房在原有的面積和原有的空調(diào)數(shù)量不變的情況下，可以增加IT設(shè)備，充分發(fā)揮機(jī)房的效率達(dá)到提高機(jī)房的容積率的目的。

1 通信機(jī)房節(jié)能技術(shù)應(yīng)用綜述.