機房空調(diào)緣何能耗超高

技術(shù)領(lǐng)域：

近年來隨著高熱密度計算機機房建設(shè)的發(fā)展，一方面多數(shù)機房仍沿用原機房局址進行擴容而成；另一方面也有的機房是沿用原始設(shè)計而未能夠進行主設(shè)備擴容。這就會出現(xiàn)使用原精密空調(diào)機組已跟不上機房建設(shè)發(fā)展的需求而產(chǎn)生機房冷卻能力不足量的現(xiàn)象；或是精密空調(diào)機組的配置量超出了現(xiàn)有機房設(shè)備需求而產(chǎn)生機房冷卻能力超量的現(xiàn)象，這都會導(dǎo)致機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，能耗會占到一個IT部門1/3的預(yù)算。故在數(shù)據(jù)能源與冷卻問題會議上，Gartner有限公司的副總MichaelBell說：“在2008年全世界一半的數(shù)據(jù)中心將因為低效的動力供給和冷卻能力不能達到高密度設(shè)備要求而過時。”并有機構(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%會在2008年開始重建。

技術(shù)背景應(yīng)用范圍：

機房精密空調(diào)機組應(yīng)用于電子計算機機房是按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)A級電子信息系統(tǒng)機房進行設(shè)計的，其運行工況為：23±2℃/50±10%Rh；對于計算機和數(shù)據(jù)處理機房用單元式空氣調(diào)節(jié)機現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)檢驗工況為23±1℃/55±4%Rh。

而現(xiàn)有機房空調(diào)生產(chǎn)廠家所提供的機型其室內(nèi)機回風(fēng)口工況參數(shù)點的設(shè)計多為24℃/50%Rh，在此工況下進行機房選型設(shè)計的直接膨脹式空調(diào)壓縮機COP值和整機SHR（顯熱比）值均較大，故機房建設(shè)進行空調(diào)設(shè)計時多按照上述工況參數(shù)點進行選型。但是若對應(yīng)到22℃/50%Rh的工況參數(shù)點的設(shè)計會出現(xiàn)：傳統(tǒng)直膨式空調(diào)機的壓縮機COP值同比下降約7～8%、而整機顯冷量對比原總冷量亦會下降8～19.5%（根據(jù)公開的機房空調(diào)廠家數(shù)據(jù)表，直接膨脹式空調(diào)不同的下送風(fēng)機型顯冷量同比會下降到原總冷量的92%～80.5%）；若是采用冷凍水式空調(diào)機組整機的顯冷量對比原顯冷量會下降13.2%～16.6%。然而機房空調(diào)的負(fù)荷絕大部分是計算機類高熱密度負(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)計出來的空調(diào)機組，當(dāng)運行于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房空調(diào)機組壓縮機運行時間的同比延長量；或意味著冷凍水式機房空調(diào)機組之外部冷凍水主機供應(yīng)冷凍水時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)機運行工況參數(shù)設(shè)定點，對應(yīng)的能耗會呈非線性的增長；而且運行工況參數(shù)設(shè)定的過低會導(dǎo)致機房空氣溫度低于露點溫度而出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的濕度下降，當(dāng)超過相對濕度設(shè)定下限后機房空調(diào)會自動執(zhí)行加濕功能，由于電極式加濕器噴出的水霧會抵消掉機房空調(diào)大量的制冷量，屆時機房空調(diào)的耗能會呈指數(shù)性的上升。

現(xiàn)在計算機機房的建設(shè)模式，一般是沿用原數(shù)據(jù)機房局址進行簡單的擴容而成。由于機房早期建設(shè)的時候已經(jīng)對機柜和空調(diào)進行了布局，達到空調(diào)機組氣流組織對當(dāng)時的機柜負(fù)荷是最佳的設(shè)計；那么現(xiàn)在越是高集成度（更高的熱密度）的計算機服務(wù)器進場越會被安排在遠(yuǎn)離空調(diào)機組的位置上。

這樣勢必會造成在新的計算機服務(wù)器開機運行時出現(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)器進場后至少調(diào)低空調(diào)機組設(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)達到了每個機架30KW之巨；甚至有的正常運行機房在服務(wù)器機柜出風(fēng)口測量到了47℃的高溫。最后機房面臨著計算機服務(wù)器等高熱密度負(fù)荷的不斷進場，只能一味的調(diào)低空調(diào)機的設(shè)定溫度值，致使機房內(nèi)溫度低得像個冷庫一樣。

據(jù)研究機構(gòu)UptimeInstitute在2006年對美國19個數(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)差不多達到實際所需要的2倍。目前85％以上的數(shù)據(jù)中心機房存在過度制冷問題，對應(yīng)的機房空調(diào)機組耗能也會比設(shè)計工況增加能耗50%以上，最終造成機房空調(diào)居高不下的高額運行費用。

另一方面設(shè)備發(fā)熱量又與設(shè)備類型、型號，機房布置有著很大關(guān)系。據(jù)對一些機房做過的調(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℃干球溫度時的實際冷負(fù)荷指標(biāo)只有66W/m2，其中設(shè)備發(fā)熱很小。機房冷負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)計算指標(biāo)的165～222W/m2。[1]而現(xiàn)實中有的機房占地面積達到了396平方米，而真正需要機房空調(diào)的服務(wù)器和配線架負(fù)荷區(qū)域卻僅有60平方米。

以上機房的建設(shè)，可能是根據(jù)電子計算機機房設(shè)計規(guī)范（GB50174-93）按下列方法進行主機房面積確定的：

1.當(dāng)計算機系統(tǒng)設(shè)備已選型時，可按下式計算：

A=K∑S（2.2.2-1）

式中A--計算機主機房使用面積（m2）；

K--系數(shù)，取值為5～7；

S--計算機系統(tǒng)及輔助設(shè)備的投影面積（m2）。

2.當(dāng)計算機系統(tǒng)的設(shè)備尚未選型時，可按下式計算：

A=KN（2.2.2-1）

式中K--單臺設(shè)備占用面積，可取4.5～5.5（m2v/臺）；

N--計算機主機房內(nèi)所有設(shè)備的總臺數(shù)。

所以會產(chǎn)生上述機房內(nèi)精密空調(diào)的配置遠(yuǎn)大于實際計算機設(shè)備的需求之問題的存在。

由于機房空調(diào)無法感知機房的服務(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導(dǎo)致空調(diào)機組壓縮機頻繁啟動，產(chǎn)生振蕩，最終也會造成機房空調(diào)高額的運行費用。

隨著數(shù)據(jù)中心（IDC）機房采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)的大量應(yīng)用，機房內(nèi)高熱密度負(fù)荷勢必會出現(xiàn)散熱點向關(guān)鍵服務(wù)器轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，屆時可能會出現(xiàn)機房內(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)計是為了促進有效流動同時將冷熱空氣流分開，并恰當(dāng)安置空氣調(diào)節(jié)設(shè)備。

b)為服務(wù)器運行選擇動力經(jīng)濟模式。

c)采用動態(tài)計算流軟件（computationalfluiddynamics）對數(shù)據(jù)中心的空氣流進行模擬，并嘗試不同的地面通風(fēng)口位置和計算空間空氣調(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)計為服務(wù)器和存儲器機架的空氣流與房間空氣流相匹配，這樣就不會將電能浪費在從相反方向來抽取空氣。

f)采用刀片服務(wù)器和存儲器虛擬化來減少需要動力冷卻系統(tǒng)進行冷卻的物理設(shè)備的數(shù)量。這同時也減少了數(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（安裝控制器或定時器），這可以直接節(jié)約照明費用，并節(jié)約冷卻費用（因為照明設(shè)備的使用會導(dǎo)致其自身過熱）。

h)改進機架內(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架空間來實現(xiàn)。

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

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行動力分級以減少待機功率，這樣可減少冷卻需求。

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

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

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)該直接針對機架內(nèi)部的過熱點進行冷卻，同時將熱空氣排出由通風(fēng)口排出。

文章來源：機房專用空調(diào)www.rongguina.cn