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1、第四章 绿色高等级数据中心的空调选择和节能方案概述4.1大型高等级(T3以上)数据中心如何选择空调方案4.1.1 最新节能应用概述1.数据中心能耗现状云计算时代的数据中心，一方面要求数据中心保持高可用性特点，能高效地、安全地运营；另一方面，用户会尽可能要求数据中心降低能源消耗和运行成本；而且数据中心必须具备灵活的扩展能力，以应对多变的业务需求及未来的不确定因素。欧洲尤其注重提高数据中心能源利用效率，优化IDC功耗利用效率(PUE)，热电冷联供、冰柜供冷、机柜供冷、自然冷却、热回收技术、磁悬浮变频离心等技术的较早采用，使欧洲数据中心成为最有可能最先达到优化PUE=L.2的理想境界的数据中心。如图
2、4-1所示。图4-1欧洲数据中心能效利用效率下面我们就欧洲的一些冷源方面的节能技术应用做一个简单的介绍。2.具有自然冷却的冷水机组数据中心通常都需要常年不间断供冷，常规的制冷系统，室外温度即使是低于或远低于其循环冷冻水温的情况下冷水机组运行也需要照常运行。当室外温度较低时，我们完全可以利用冷空气直接冷却循环冷冻水，从而在冬季减少或完全不需要开启压缩机制冷即可为空调室内机提供冷量，这种方法即为自然冷却方法(Free cooling)，有此功能的机组叫自然冷却机组。它与常规冷水机组最大的区别在于它帯有独特的凤冷自然冷却换热器，其运行优先利用天然环境的低温空气冷却循环冷冻水，可以实现无压缩机运行制冷
3、，雅若节省压缩机的电耗。这种机组在夏季与常规空调一样，仍旧采用压缩机制冷。但是在过渡季和冬季，却能较少地消耗电能达到常规空调同样的制冷效果。在过渡季，当环境温度达到比冷冻水回水温度低两度或以上时，开启Free cooling自然冷却，利用冷空气的冷量预冷冷冻水，无需压缩机功耗；自然冷却不足部分，再由常规压缩制冷接力，从而减少了系统功耗，见图4-2。在冬季，完全靠FREE COOLING自然冷却冷却冷冻水，不需压缩机开启，只需少量风扇电耗，能效比高达20以上，见图4-3。这样综合下来，通过自然冷却技术，在过渡季和冬季减少了压缩机工作时间和强度，有效降低了制冷功耗。跟常规的冷水机组相比，以北京纬度
4、地区为例，常年节电达到3%38%。3.热回收技术利用对于大型的数据中心，数据中心机房常年需要不间断的冷源，需要冷水机组高效制冷完成。而与数据中心配套的周边办公、运维和宿舍在冬季却同时需要大量的热量来解决供暖问题。热回收技术，如图4-4所示。图4-4热回收技术在常规的设计中，供暖需要锅炉或者热泵解决，这同样需要消耗大量的能源。新的热回收技术，免费利用制冷机组在制冷时候向环境中排放的冷凝热来加热供暖系统，从而不需要锅炉或热泵系统。在冬季需要供暖时候，系统回收冷凝热来实现，多余的冷凝热，仍旧排放到环境中去。由于实现制冷机组的冷热联供，综合能效比达到910，这是其魅任何冷机效事所无法比拟的。采用这种热
5、回收技术，一个数据中心的上万平方米的办公、运维和宿舍都可以实现免费供暖。热回收工作原理图如图4-5所示。图4-5热回收工作原理图4.高效磁悬浮变频离心冷水机组磁悬浮离心压缩机代表冷当今最先进的压缩机技术趋势。变频驱动的高效磁悬浮无油离心式压缩机。采用磁悬浮轴承技术，高性能脉宽调制(PWM)永磁同步电机，其转速随负荷变化而自动调节，确保机组在各工况下始终处于最佳运行状态，使机组在满负荷及部分负荷时均能高效运行。冷热联供典型系统图如4-6所示。高效磁悬浮无油离心式压缩机如图4-7所示。无油润滑磁悬浮轴承，无任何接触摩擦，无需润滑油系统，显薯增加机组可靠性，保养简单方便，无换热器油膜热阻，可提高燕发
6、、冷凝换热效率达15M左右，提升离心机组运行效率。内置变频器，使压缩机在部分负荷下实现变速运行，电机转速和进口导叶优化控制，从而实现部分负荷时高效运行，减低运行费用i全新的软启动功能，降低机组启动电流至2安倍，减少对电网冲击。机组具有当今最高的部分负荷效率，ESEER高达9.58，IPLV值达到10，无论在满负荷下，还是在部分负荷下，机组都有非常高的能效系数，从能实现系统节能。机组部分负荷时运行状态如图4-8所示。图4-8机组部分负荷时运行状态4.1.2数据中心不同对空调选择和设计的影响按规模，数据中心可以分为超大型数据中心、大型数据中心、中型数据中心和小型数据中心，至还有迷你数据中心。从运营
7、层面，数据中心可以分为企业自用数据中心、第三方托管数据中心。我国在2008年制定的鬣电子信息系统机房设计规范分GB50174-2008，从机房可用性角度将电子信息机房定义为A，B，C三类，其中A类要求最高。见表4-1。美国TIA 942标准与Uptime Institute的定义，将数据中心的可用性等级分为四级。见表4-2。从表4-3可以看出，两个标准对于机房的可用性定义基本一致。数据中心空调系统的要求和配置也与机房的可用性等级直接相关。在国内对数据中心环境要求最权成的标准为GB50174-20084电子信息系统机房设计规范。标准规定了电子信息机房在不同区域的温湿度要求，主机房和辅助区采用标准
8、规定的温湿度要求，基本的环境设计可按照标准附录A中的环境要求，参见表4-4摘录部分。而数据中心的支持区(不含UPS室)和行政管理区的温、湿度控制值应按现行国际标准GB500194采暖通风与空气调节设计规范势的相关规定。标准对不同等级的机房以及不同性质的机房的环境要求进行了划分。表4-4不同机房等级的环境要求标准电子信息系统机房设计规范还对机房的洁净度有要求：主机房内的空气含尘浓度，在静态条件下测试，每升空气中大于或等于0.50m的尘粒数，应小于18000粒。美国的ASHRAE(美国暖通制冷空调工程师协会)发布的ASHRAE EnvironmentalGuidelines for Datacom
9、 Equipment 2011也对数据中心的环境进行了详细的规定和解释。ASHRAE在2011版本中推荐的温度范围为1827，相比2004版本的2025要求放宽了很多。放宽的要求在保证机房设备正常运行的时候，可以减少机房制冷、加热、加湿、除湿的耗能，降低机房空调系统的能耗，提高PUE，并明确了温湿度要求为电子信息设备的进风口参数。见表4-5。表4-5ASHRAE对数据中心环境要求的变化在实际的机房运行过程中，机房环境的控制要求可以根据实际要求参考以上标准以及季节等因素进行区别设定，以达到降低机房能耗的要求。在特殊情况需要根据数据设备供应商的要求而定。4.1.3数据中心的功能分区和冷量计算通常数
10、据中心作为一幢建筑单体(如：IDC或大型企业数据中心)或某一建筑中的一部分(为多数，占公共建筑物中的一个局部区域)的形式构建。一个数据中心通常主要包括：主机房、辅助机房、支持机房和行政管理区等。各机房面积的选取应可参考GB50174-2008电子信息系统机房设计规范的4.2中的规定。主机房主要用干电子信息处理、存储、交换和传输设备的安装和运行的建筑空间。包括服务器机房、网络机房、存储机房等功能区域。辅助区为用于电子信息设备和软件的安装、调试、维护、运行监控和管理的场所，包括进线间、测试机房、监控中心、备件库、打印室、维修室等区域。支持区是支持并保障完成信息处理过程和必要的技术作业的场所，包括变
11、配电室、柴油发电机房、UPS室、电池室、空调机房、动力站房、消防设施用房、消防和安防控制室等。行政管理区是用于日常行政管理及客户对托管设备进行管理的场所，包括工作人员办公室、门厅、值班室、盟洗室、更衣间和用户工作室等。在数据中心中，主机房一般安排在中间位置，并且尽量使主机房设计为规则的四方形。应尽量避免采用圆形、L型以及过于狭长的长方形等布局，此类数据中心不利于机房内的设备布置以及气流组织分配。4.1.4设计参数需求确定在某一时刻为保持房间具有稳定的温度、湿度，需要向房间空气中供应的冷量称为冷负荷。相反，为补偿房间失热量而需向房间供应的热量为热负荷。为维持室内相对湿度所需由房间除去或增加的湿量
12、称为湿负荷。数据中心的冷负荷可按照GB50174-20084电子信息系统机房设计规范分7.2进行设计。根据7.2.2规定，机房空调系统夏季的冷负荷应包括下列内容：机房内设备的散热；建筑围护结构的传热；通过外窗进入的太阳辐射热；人体散热；照明装置散热；新风负荷；伴随各种散湿过程产生的潜热。其中电子信息设备和其他设备的散热量应按产品的技术数据进行计算。根据7.2.3规定，空调系统湿负荷应包括人体散湿和新风负荷。1.设备散热冷负荷机房内设备散热形成的冷负荷占到总冷负荷的主要部分，机房内设备主要包括服务器、路由器、网络设备等电子信息设备，供配电设备，均属于稳定散热。大多数设备生产厂商均能提供计算机设备
13、的电功率及散热量，设备电功率基本全部转换为散热量，一般在97%以上。已知设备电功率，则为Qs=X1X2N式中：Qs电子设备冷负荷，KW；X1负荷系数，一般取值0.71.0计算；X2同时使用系数，一般取值为0.81.0；N电子设备电功率，kW。每台服务器在出厂时均附有一个标称额定功率，它标明了该服务器的最大使用功率，但这并不代表实际使用功率，例如曾有标称功率70OW的服务器，实测正常运行时的功耗才为300W为了了解服务器实际使用功率，往往需要利用厂商提供的功率计算器计算设备在当前配置时的功率需求。例如有服务器厂家提供在线功率计算，在输入了服务器所配置的处理器的顿率、处理器数量、内存忙容量规模与数
14、量、PCI卡数量、硬盘容量规模与数量之后，能够自动计算出该服务器有关功耗与发热量的参考值。如果不知道设备的电功率，可以通过机房分期规划的设备功耗来估算设备的散热冷负荷。UPS设备本身也有发热量，一般大容量的UPS布置在一个独立的房间，它对室内环境的温湿度及洁净度也有一定的要求，UPS设备一般有风扇等散热装置。它的发热与其实陈功率和功率因数有关，可参照厂商提供的数据。如没有给定数值时，可按下式计算为：Q=N(1-)式中：Q散热量，kw;N实耗功率(和安装功率并不同)，Kw;效率，一段取0.85-0.95。2.设备散热冷负荷围护结构的得热量及其形成的冷负荷围护结构形成的冷负荷主要包括两方面：外围护
15、结构(外墙、屋顶、架空楼板)的传热冷负荷和内维护结构(内墙、内窗、楼板)的传热冷负荷。3.设备散热冷负荷通过外窗进入的太阳辐射热及其传热形成的冷负荷通过外窗进入室内的得热量有温差传热和日照辐射两部分。传热得热形成冷负荷由室内外温差引起。日照辐射得热形成的冷负荷，因太阳辐射到窗户上时，除了一部分辐射量反射回大气之外，其中一部分能量透过玻璃以短波辐射的形式直接进入室内另一部分被玻璃吸收，提高了玻璃温度，然后再以对流和长波辐射的方式向室内外散热。4.设备散热冷负荷人体散热形成的冷负荷人体散热与性别、年龄、劳动强度、衣着及进入房间的时间有关，包括显热冷负荷和潜热冷负荷。机房内人员较少或无人值守，常常可
16、以忽略。5.设备散热冷负荷照明散热形成的冷负荷照明设备的散热也分为对流和辐射部分，其中对流部分形成瞬时冷负荷，辐射部分先由室内表面物体吸收，再通过对流的方式形成冷负荷。6.设备散热冷负荷新风形成的冷负荷机房内要保证正压，需要不断向机房内补充新风，新风全冷负荷中分别包括显热和潜热形成的冷负荷。新风冷负荷最好设计专门的新风处理机组来处理。以上各部分冷负荷中，26项形成的热湿负荷占的比重比较小，约为5%20%，部分设备发热量小的机房可能占到30yo。大部分冷负荷为机房内设备的发热造成的显热冷负荷。26项冷负荷具体的算法可以参考空气调节相关的规范和设计手册，或者计算软件，有比较成熟的计算方法。4.2机
17、房空调节能考量1.设备散热冷负荷机房专用空调设备选型在对自控新风冷气机设备进行选型过程中，机房的热负荷和换气次数是最为重要的参数依据，因为这两项参数决定了机房的温湿度能否得到恒定以及机房的洁净度能否得到满足。所以我们在机房专用空调设备选型时先选定这两项数据，然后再对选定的新风设备型号进行其他次要数据项的验证。根据机房热负荷及换气次数的计算，可以对机房专用空调设备的设备型号进行选定。2.设备散热冷负荷空调系统设计一般空调系统设计时，系依“最大负荷再加上20%50%预留负载量”而设计；实际运行时，空调系统均并未达满负载状态，系统存有大的冗余，因此空调系统需要将不必要的冗余空调负载减供；将无效使用的
18、进行无效能减供；有效使用大自然新风供冷的制冷能力。3.机房空调的和谐制冷设置(13种手段)1)为了最大限度的提高容量和优化效率，设置点不应低于维持设备进气温度所需的数值。（工程控机房的温度要求保持在1525以内工程控交换机房的温度设定为20，精度为1。在设备对环境的要求范围相对宽松的情况下，没有根据环境温度及设备特点作出相应的调整，室内温度一年四季保持恒温恒湿状态。这不仅是对电量的浪费，也是对技术优势的浪费)。2)适当设定回风温度值。节能理论依据是，当程控机房需要降温时，空调工作在制冷状态，此时若将回风温度值设高些(在满足机房温度要求的条件下)，会使压缩机运行时间缩短起到节能作用。同理，当程控
19、机房需要升温时，空调工作在加热状态，此时若将回风温度值设低些，会使加热器运行时闻编短起到节能作用。3)改变空调724小时不间断运行方式为间断性的运行方式。4)通过现有机房新风换气系统充分利用室外温度来调节室内温度(冬季)。5)加强机房密封性能，夏季合理利用机房窗帘调温(经验数据显示通常窗帘可以有10左右的调温能力)。6)在加/除湿耗能较大的机房可以考虑增加专用加/除湿设备。根据设备规格：一般每80平方米空间配置一台加湿机和除湿机，技术规格为加湿机59千克/小时、除湿机3-5千克/小时。在机房相对湿度低于20%时开启加湿机，相对湿度高于80%时开启除湿机。如果机房使用单独加湿器，切勿使机房湿度值
20、高于需求，这会导致多个制冷设备相抵触运行如果两个制冷系统回流气体温度不一致，或两个设备的湿度传感器校准不一致，或两个设备设定的湿度值不同。制冷系统抵触运行将导致一台制冷设备会降低空气湿度，另外一个则会增加空气湿度。这一运行模式极其浪费资源，而且机房管理员也不容易发现。制冷系统湿度抵触运行问题可通过以下方式解决:使用中央湿度控制；协调制冷设备之间的湿度值；关闭制冷系统中一个或多个加湿器；使用浮动数值设定。确认系统设定值是否相同，校准是否相同，并且扩大浮动数值设定范围。一般情况下，将浮动数值范国设定为5，便可以纠正这一问题。7)机房空调联机控制。采取空调联机控制运行的理论依据。对于某机房区域配置两
21、台或多台空调设备并且各自独立运行时，由于多台空调系统之间存在个体差异会带来巨大的内部损耗，现象是部分空调处于加热状态，而部分空调则处于降温状态；或者是部分空调处于加湿状态，而部分空调则处于除湿状态，其主要原因如下：a)空调内部温湿度传感器一致性差异或部分传感器损害；b)空调设备温湿度设置的差异或异常；C)空调回风路由的不同或整个机房温湿度部分差异。往往上述原因所带来的空调内部损耗不易察觉或无法察觉，这样所帯来的电能损失是相当巨大的。以某机房所作的统计分析，从11月至2月的机房电费支出中每月近三分之一的电费是由于多台空调处于独立工作而内耗掉了。空调内部损耗分析。假设空调对室内温度检测正常，而空调
22、虹检测有1的偏差，两台空调设置温度为20，稳定状态范围在1822，当温湿度传感器探头检测到室温高于22时，压缩机将启动降温，低于18时，加热机构则启动升温。a)O-tl段：空调和空调处于稳定状态，空调检测的室温为20，空调由于偏差1检测值在21，此时两空调既不加湿，也不降温。b)tl-t2段：由于机房温度的升高(或是外界环境变化，或是通信设备运行造成的升温)空调和空调检测温度均在升高。c)t2-t3段；由于空调的传感器检测的温度已超过22(其实有1的偏差)，故空调压缩机启动，开始降温。空调也随之温度下降。d)t3-t4段；随着空调的不断降温(此时已经存在传感器偏差引起的不必要的降温了)，在空调
23、达到20时并没有停止降温，因为空调内部设置有延时功能，仍要持续一段时间来降温，在t3时刻，空调的检测温度已低于18的临界值，故空调开始升温，此时间段是空调升温，空调降温，处于相互作用冲抵阶段，此时便产生严重且不必要的内部损耗。联机控制方案，见图4-9。a)选取机房中某一台空调作为主控空调(空调)b)通过主控空调来设置联机信息，包括联机数量、其他空调依次与其控制器连接。各台空调设置温湿度以及可设置空调轮流启停时间。C)通过主控空调的传感器信息来控制机房所有空调，实现一致性的升降温和加除湿状态。d)通过主控空调控制多个空调轮流工作保障了各台空调定期运行，同时避免了由于自身传感器误差带来的部分空调持
24、续工作，部分空调从不工作的弊端。(8)采用计算机自动控制技术，随时根据外界因素的变化，通过对空调运行状态的判断，自动调节室内温/湿度值，使压缩机或加热工作时间减少，达到节能目的。图4-9空调监控图(9)采用水冷作为冷媒的空调或采用制冷背板液冷系统的制冷原理是，把冷水送达到液体冷却柜。先用柜内风机将热风从服务器后部抽到液体冷却柜中，用内部水管制冷热风，然后将冷风吹到服务器前部，而热水再回流到室外的循环制冷设备，通过这一过程不断循环达到制冷效果。形象地理解，液冷设备与精密空调的区别，就僚冰箱制冷与冷库制冷的区别。对机房来说，液冷系统将每个机柜包装成为一个“冰箱”，而精密空调则把整个机房制冷为一个“
25、冷库”，其能耗的差别不言而喻。使用液冷系统节能的效果不仅仅在于制冷方面。“液冷系统有一个与众不同的系统，叫Free cooling(自然冷却系统)。液冷系统的进水口温度需要低于15摄氏度，而当环境温度低于15摄氏度，就可以不需要通过循环制冷设备来制冷液体，仅仅用自然冷量制冷即可。以上海为例，每年至少有三个月的环境温度低于15摄氏度，也就是说每年有约四分之一的时间可以“天然制冷”，总体而言，相对于传统制冷设备节能30%。10)针对设备比较少的机房，通过人为的控制，增加巡视次数，根据现场实际情况，灵活掌握开机数量以及开机时间。11)对机房加以改造，增加机房通风换气能力。12)适当增加机房内设备隔断
26、，提高机房空调利用率。13)整改机房空调送风风道，使温度条件要求高的设备充分得到空调送凤，以此提高空调使用效率。表4-6机房运行环境温湿度要求参考表从表4-6中可以得知：机房专用空调和办公室空调用电量占机房总用电量的40%左右，有效的降低空调的耗电量是降低运维成本的关键。4.各地季节性温度变化情况表4-7列举了全国各城区季度平均温度情况，通过了解这些信息帮助我们实时的对机房所需温度进行调整。表4-8各专业主要设备温度条件要求(七)表4-8中所列举温度是该设备正常工作所需要的环境温度条件从表中可以得知，除蓄电池需要严格的温度范国(2025)外，其他设备工作温度可以在1530之间；从地区温度与设备
27、工作温度范围比较可以得知：1)除去设备本身发热，外界环境一年中大多数时间基本可以满足设备工作环境要求2)由于设备本身发热和设备工作设计温度在常温(25)，通讯机房均装备专用空调设备来保障机房温度稳定在常温下。3)在春季和秋季室外温度接近设备工作设计温度，此时可以考虑加强机房通风来保障机房稳定的工作环境要求。4)夏季和冬季是室外温度和设备常温差距最大的时期，空调耗能最大，有效的控制这两个季节空调的使用效率将是降低机房电费成本的关键。5.各地季节性湿度变化情况表4-9列举了全国各区域季度平均湿度情况，通过了解这些信息帮助我们实时的对机房所需湿度进行调整；表4-10中所列举湿度是该设备正常工作所需要
28、的环境湿度条件。从表4-10中可以得知，除了交换机(40%-65%)和蓄电池设备(40%60%)需要较高湿度要求外，其他主要设备工作湿度满足的要求可以在20%-80%之间;从中可以得知：(1)外界环境二年中绝大多数时间可以满足主要通信设备工作环境湿度要求(2080)。(2)夏季和冬季中可能出现需要空调处于加湿和除湿的情形，如果通过空调自身的加除湿功能来调节机房湿度可能会增加很大的功率损耗，并且部分机房精密空调不具备太大的调节湿度范围，此时可以考虑解除机房专用空调的加除湿功能，替代为机房增加专用加除湿设备来保障机房适当的湿度需要。4.3冷气流组织气流组织就是将空调机送出的冷风通过预定的风道、风口
29、，按预定的风量与风速送往需要制冷的地点，再把设备产生的热空气回收到空调制冷的过程。气流组织分为3个部分：冷气产生、冷气配送、气流返回。机房内计算机设备及机架应采用“冷热通道”的安装方式。“冷热通道”的设备布置方式，打破常规，将机柜采用“背靠背、面对面”摆放，这样在两排机柜的正面面对通道中间布置冷风出口，形成一个冷空气区一“冷通道”，冷空气流经设备后形成的热空气，排放到两排机柜背面中的“热通道”中，通过热通道上方的回风口回到空调系统，使整个机房气流、能量流流动通畅，提高了机房精密空调的利用率，进一步提高制冷效果。如图4-10所示：图4-10气流组织示意图4.3.1 气流组织形式通常机房制冷的气流
30、组织形式有混合制冷方式、垂直送风制冷方式和水平送风制冷方式3种。1.混合制冷方式混合制冷方式是传统机房常用的方式(俗称冰柜式制冷方式)，传统的机房空调很少考虑机柜内部的温度，它仅仅能保证机房内温度符合要求。传统混合制冷方式布局以整个房间作为冷却对象，造成冷、热气流混流运行，即前面的机柜排出的热风很容易进入后排机柜的进风口，由于冷、热风气流混合，从而造成精密空调制冷及机柜热交换效率降低。2.垂直送风制冷方式垂直送风方式一般指下送(上送)风上回(侧回)凤方式，一般是通过送风管道或地板静压箱开口方式送风，垂直送风方式空调的可减少冷热气流混流，大大提高空调效率，降低工程造价，这种方式是机房经济实用的送
31、风方式。3.水平送风制冷方式水平送风方式一般指靠近机柜，沿机柜面均匀水平送出冷凤，把冷气均匀地送入机柜内，采用这种送风形式可大大缩短热交换距离，提高空调效率，这是机柜较理想的送风方式。4.3.2 节能措兆1.空调气流循环空调气流循环如图4-11所示。图4-11空调气流循环示意图机房空调本身的设计是送风量大，机房换气次数高(通常在3060次/小时)，整个机房内能形成整体的气流循环，使机房内的所有设备均能得到冷却。但是某些机房的设计抹杀了这项功能，比如：机房的空调被搁置在另外一个房间，靠隔断上方的回风口，来回风或者靠天花板的微孔来回风致使空调的气流组织受阻，而制冷效果很差，并且报警次数很多，还有静
32、电地板的高度很低，有些地方至低于25cm并且下方有很多的线梢和线缆，空调的冷风无法送达利相应的位置S有些地方的静电地板的开口数量及开口的位置不对，造成空调的气流组织不合理。上送风系统，风管的设计一定要合理，风口的数量及大小要合理，否则会影响制冷效果。节能措施如下：如果空调是下送风上回风、下走线：地板的高度应在5080cm。如果空调是下送风上回风，地板下低于40cm的，将电源及综合布线系统的放在机柜上层，实行上走线模式。如果地板无法达到标准的高度应采用强制向上排风的装置，以达到气流的正常流通和循环。采用监控系统控制气流的循环，通过机柜内的温湿度的监控来控制风阀送风口的大小开合。2.机柜的气流组织
33、机柜即机房，这是未来机房的发展趋势，IT微环境的变化直接关系到整个机房的安全。机柜的摆放的合理性和机柜本身的微循环的问题是目前存在的两大问题。机柜空间的合理布局对于确保机柜拥有适当温度和足够的冷空气同样非常重要。合理的机柜布局目标是控制空气循环，即避免冷空气在到达设备进气口前与热空气混合。通过将机柜按行排列，冷热通道的技术，可以大幅降低短路循环现象，同时按照背靠背的方式布局。根据有关调查显示，大约25%的机房将每排机柜面向统一的方向。将机柜置于统一方向可能导致严重的短路循环问题，一般会出现“热点”，同时系统运行成本也将大幅提高。对于机柜朝向统一方向、且没有采用冷热通道技术的环境。调査显示大多数
34、用户均是按照管理层指示放置的，目的是保持机房的美观。如果没有能够使用冷热通道技术，么解决这一环境中热点问题的一个有效方法是为受影响的机柜提供一个额外的制冷设备才可以解决。机柜节能措施如下：1)机柜布局。机柜按行排列，采用冷热通道的技术，背靠背布局。2)安装盲板。尽管机柜通常被认为只是一种机械支架，但它对于防止设备排除的热空气重新进入设备进气口至关重要。图4-12机柜导风板图图4-12显示了机柜在安装盲板前热空气在出风口受到轻微增压后，再加上设备进气口的吸力，导致了热空气重新吸入设备进气口的情况，即短路循环。在安装盲板后，热空气从设备排出，机柜及其盲板提供了屏障功能，截断了热空气短路循环的路径，
35、进而降低了热空气进入进气口的可能。尽管主要的IT设备制造商均强烈建议使用盲板，但实际上90%或更高比例的机房都忽略了这一点。热空气再循环问题可能导致IT设备的温度上升8。安装言板是一个极其简单的过程，可以用非常低的成本应用于几乎所有的数据中心。3)使用标准宽度机柜(使用超宽机柜将可能使得热空气通过设备侧面进行短路循环)。4)使用深度扩展的机柜。5)使用螺丝固定IT设备(使用托盘安装IT设备会造成相关位置盲板的无法安装，从而为热空气的短路循环提供了完全开放的条件，应尽量的避免)。6)使用带有风扇系统的机柜，可将底层空气输向机柜前端或从机柜后端主动排除热空气。如图4-13所示。图4-13机柜气流图
36、7)合理的负载分布。不合理的设备安装位置，特别是高功率高密度设备的安装位置，可能明显的增加机房的工作压力。当高负载密度、高功率服务器被组合成一个或多个机柜时，便会出现高负载密度设备群。这种情况可能导致数据机房出现热点，并要求操作员采取相应措施，如降低空气温度设置点等。8)冷通道封闭方案。如图4-14所示。9）高集成度微模块方案。采用工厂预先定制生产，到客户现场后进行组装，交付周期极其快捷。如图4-15所示。4.4 空调分区设计根据房间内设备和使用功能对温度、湿度的要求不同，划分为精密空调区和舒适性空调区，IDC数据中心机房、电力室采用精密空调系统，舒适性空调区域采用风机盘管空调。详细分区情况见
37、表4-11.地体机房及大楼防排烟系统、采暖系统、污水、中水、雨水系统均不在此设计范围内。4.4.1 设计参数1.室内设计参数根据TIA942标准，环境要求如下：温度：2025（6877）正常设置点：22（72）控制1（2）相对湿度：40%50%正常设置点：45%RH控制5%并列的冷却系统设计和设备地板平面设计可以使气流从冷却设备以一个平行的方向到达机柜/机架的每一排。根据上述要求，不同的功能房间有不同的温湿度及通风要求如表4-12所示。4.4.2 系统要求1. T4标准对暖通系统的要求不应该有与数据中心设备无关的给水或排水管道的路由穿过数据中心。经过数据中心的给水或排水管道应该是密闭的或是有防
38、身护套的。级别3和4的数据中心应该只有支持数据中心设备的给水或排水管经过计算机房。提供计算机房内地面排水管，用来收集和排出一次预先执行释放的喷洒水。地面排水管应该接收从计算机房空调装置来的冷凝排水和加湿溢流水。2.级别4(机械的)的要求一个级别4设施的加热、通风和空调系统包括多个空调装置，用结合的冷却能力来维持关键的空间温度和相对湿度。如果这些空调装置是由一个水侧阻热系统服务的，例如：一个冷却水或冷凝水系统，这些系统的组件大小是同样能满足设计条件，用一个配电盘远离服务。可以通过供应两个电源给每一个空调装置，或将空调设备分配给多个电源来获得冗余水平。管道系统或系统都是双路径的，在管道断面发生故障
39、或维护时不会导致空调系统的中断。当蒸汽系统被用于级别4系统时，要考虑可选择的水储藏办法。4.5室外冷源系统4.5.l节能篇：冷却方式分析近些年来，社会都致力于建设新的数据中心，并通过设施的整合，来实现绿色数据中心的目标。邪如何高效的运营和管理数据中心并达到真正的绿色，及迅速适应企业业务发展将更具有挑战。而通过优化的选址、虚拟化资源整合、自动化远程管理、以及能源管理等新技术的采用，解决目前数据中心普遍存在的高耗能、资源浪费严重方面的问题也迫在眉睫。针对制冷系统来讲，一些主要组件及系统设计也可以应用一些绿色方法。其中包括设施单位所维护及主要位于主机空间之外的机械基础架构元件。减少最耗能组件的运行时
40、间是一个很好实现数据中心制冷系统绿色的方法。这可以通过节能装置实现，当温度和湿度达到一定条件时，节能装置可以利用外部条件冷却数据中心，而不需要运行冷却装置。这是最直接，最能大幅度降低能耗减少空气污染的方法之一。表4-14风冷水冷比较4.5.2 节能篇：冷却方式的确定精密空调专门为大型服务器及计算机提供稳定的工作环境。常用3种冷凝工作方式，一般来说大型机房采用冷冻水型的精密空调的综合优势较明显。从表4-14可以看出，3000平方米以上数据中心采用水冷系统是最合适的。4.5.3冷却方式的对比采用风冷型或是水冷型冷水机组的合理性论证有如下几点：1.制冷系统比较风冷模块冷水系统(以下简称风-水系统)由
41、多个小的风冷模块组成，每个系统都是双机系统，如果有某个压缩机故障或维修都不影响空调系统运行，无需备用机组，即使备用12台机组，费用也不多，节省初期投资；而水冷型冷水机组(以下简称水一水系统)通常只有组才可保证系统无故障运行，投资费用较大。2.启动电流比较风-水系统由于每个机组容量较小，系统运行时可顺序启动，避免对电网造成冲击水-水系统启动电流很高，对电网造成冲击，并且启动前需要长时间预热才能正常使用。3.系统结构比较风-水系统无需专用机房，省去占地面积。室外机采用的是冷媒与空气换热，不但减少了一套冷却水系统，省掉一部分初期投资和很大一部分日后的运行、维护及保养费用，而且没有冷却塔的水雾飘散，整
42、个系统只需配备一套闭式水循环系统，水-水系统需要专用机房，占地面积很大，冷却系统还要在楼顶或室外放置冷却塔，配置两套水路(冷却及冷冻水管道)，相应水泵、阀门增加，且整个系统运行期间，须有专业人员全天值班巡査，增加人力投资。冷却塔年耗水量很大。4.操作控制比较风-水系统一健全自动控制，水-水系统机组、水泵、阀门、冷却塔、板换等都是独立控制，开机运行、阀门转换有复杂的操作及检查程序，操控复杂，需要做专业的PLC控制系统。5、维护费用的比较风-水系统只需要对机组本身进行维护水一水系统不仅要对机组进行维护，对冷却设施也需要很多的维护，其中冷却塔的维护费用尤为多，例如风机电机轴承的更换、水泵的轴瓦、轴套
43、的更换、冷却塔的冲洗等等。阀门及各冷却系统之间控制、维护也较为繁琐。6.初期投资比较风-水系统所需的附属设施为：机组、冷冻水泵、集水器、分水器而水-水冷水机组所需的设施为：专用机房、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、集水器、分水器、板式换热器。风冷机组价格相对高一些，从中可以得出，两个都和初期投资相当。7.可扩展性比较计算机技术的更新期为25年，故冷却系统需要有扩展的能力以适应负荷增加，风-水系统放置于楼顶、屋面，后期仍有增容的空间1水一水系统机机组安装于冷冻站内，无增容空间以应对未来。8.可靠性比较以xxLDC为例，选用四用一备的冷水机组，每套冷水机组均为双机系统，即对系统做了双重保险达到了T4的
44、要求1水一水系统虽也可做到两个冷站的机组互为备份，但付出的代价投资及运行操作也是较为繁琐复杂的。综上所述，选用风冷自然冷却冷水系统更适用于北方大型数据中心。4.5.4数据中心能耗现状云计算时代的数据中心，一方面要求数据中心保持高可用性特点能高效地、安全地运营；另一方面，用户会尽可能要求数据中心降低能源消耗和运行成本1而且数据中心必须具备灵活的扩展能力，以应对多变的业务需求及未来的不确定因素。而根据最新统计，机房空调系统占总个数据中心的电耗比例达到近45%左右，其中冷源部分占到2/3。绿色数据中心的构建，机房空调的节能解决方案成了重中之重，并刻不容缓。数据中心通常都需要常年不间断供冷，常规的制冷
45、系统，室外温度即使是低于或远低于其循环冷冻水温的情况下冷水机组运行也需要照常运行。当室外温度较低时，我们完全可以利用冷空气直接冷却循环冷冻水，从而在冬季减少或完全不需要开启压缩机制冷即可为空调室内机提供冷量，冬季利用室外冷源方式总体来说分两种：一种为直接引入室外新风，第二种为采用冷水作为载体冷却；前者带来后果是需要大量的加湿量，其耗电量较大，同时还需对室外空气加热达到送风温度，也需耗能。过滤网更换频繁，维护量很大等诸多弊端后者在机房应用中采用乙二醇系统较为广泛，以此为分析基础。后者称之为自然冷却方法(Free cooling)，有此功能的机组叫自然冷却机组。乙二醇自然冷却系统其工作原理是：在蒸
46、发器上端增加一组经济盘管，乙二醇系统为全封闭系统，乙二醇溶液为20%70%，并且不需要更换。乙二醇溶液循环由乙二醇溶液泵为动力来实现流动。这一系统利用的是乙二醇溶液随浓度的增加其冰点降低的原理，使用大自然提供的冷源实现制冷节能。在利用室外冷量给机房供冷的过程中，冷空气要与乙二醇进行热交换，乙二醇再与混合空气进行热交换，它与常规冷水机组最大的区别在于它带有独特的风冷自然冷却换热器，其运行优先利用天然环境的低温空气冷却循环冷冻水，可以实现无压缩机运行制冷，显节省压缩机的电耗。如图4-16所示。这种机组在夏季与常规空调一样，仍旧采用压缩机制冷。但是在过渡季和冬季，却能较少地消耗电能达到常规空调同样的
47、制冷效果。在过渡季，当环境温度达到比冷冻水回水温度低两度或以上时，开启Free cooling自然冷却，利用冷空气的冷量顶冷冷冻水，无需压缩机功耗自然冷却不足部分，再由常规压缩制冷接力，从而减少了系统功耗。在冬季，低于回水温度十度后，完全靠Free cooling自然冷却冷却冷冻水，不需压缩机开启，只需少量风扇电耗，能效比高达20以上。这样综合下来，通过自然冷却技术，在过渡季和冬季减少了压缩机工作时间和强度，有效降低了制冷功耗。跟常规的冷水机组相比，以廊坊纬度地区为例，常年节电达到38%。4.6供、回水温度和管路设计常规冷水系统的冷冻水供、回温度一般为712，作为数据中心常年需要散热，可选择设计梢高的温度范国机组。较高的水温不去湿但能提供足够的冷量，具有很大的节能潜力，缺点就是流量较大导致管径与水泵规格较大，但相比来讲利大于弊。数据通信设备适用的冷水供水温度通常为416，推荐10的水。么采用这样的温度的冷水系统运行费用较低，也节省7能源消耗。凤冷自然冷却系统运行工况：环境温度35，冷冻水进出口温度1218。如图4-17所示。1)根据负荷要求可得出所需水流量的最小值。4)水泵的选择。水泵的选择