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氣流遏制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心能效和溫度的影響

雙擊自動(dòng)滾屏 發(fā)布者:精密空調(diào) 發(fā)布時(shí)間:2016-07-12 09:04:15 閱讀:次【字體:

較高的能源成本和激增的數(shù)據(jù)中心能耗已迫使數(shù)據(jù)中心專家開始重新思考其數(shù)據(jù)中心制冷的策略。如EYPMissionCritical公司的BruceMyatt所言,“冷熱氣流的隔離是當(dāng)今新建和改建數(shù)據(jù)中心可以采用的最具前景的節(jié)能增效措施之一”。除了能效方面的優(yōu)勢外,氣流遏制系統(tǒng)可以使眾多IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度保持一致,從而消除在未采用氣流遏制系統(tǒng)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的局部熱點(diǎn)。

  一、氣流遏制系統(tǒng)介紹

我們首先了解一下常用的冷熱通道氣流遏制系統(tǒng)。值得注意的是部署通道氣流遏制系統(tǒng)首先要求機(jī)柜行采用冷/熱通道布局。圖1所示的是冷通道氣流遏制系統(tǒng),高架地板下送風(fēng)方式和房間級制冷的數(shù)據(jù)中心氣流管理的基本原理。在該數(shù)據(jù)中心中,可以通過封閉冷通道的頂部和兩端來部署冷通道氣流遏制系統(tǒng)。這樣做對于已有的數(shù)據(jù)中心改造是非常方便的。

圖2所示為熱通道氣流遏制系統(tǒng),該氣流遏制系統(tǒng)將熱通道密閉,以捕獲IT設(shè)備排出的廢熱,數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的其余空間就形成一個(gè)巨大的充滿冷空氣的“冷池”。通過封閉熱通道,數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷、熱氣流得以分離。需要注意的是封閉熱通道有兩種基本方法——行級制冷的熱通道氣流遏制系統(tǒng)和垂直風(fēng)管式熱通道氣流遏制系統(tǒng)。

圖3所示為采用行級制冷的熱通道氣流遏制系統(tǒng)舉例,是以獨(dú)立的IT區(qū)域來運(yùn)行的。本氣流遏制解決方案既適用于已部署行級制冷裝置的數(shù)據(jù)中心,也可用于已部署周邊制冷裝置的數(shù)據(jù)中心。對于已部署行級制冷裝置的數(shù)據(jù)中心,只需在通道上添加頂棚面板,就能實(shí)現(xiàn)氣流遏制。對于已部署周邊制冷裝置的數(shù)據(jù)中心,該氣流遏制解決方案需要在機(jī)柜間添加制冷裝置。該氣流遏制方法應(yīng)用于在低密度數(shù)據(jù)中心添加高密度機(jī)柜,并且所有機(jī)柜都采用某種形式的熱通道部署時(shí)。

另一方面,熱通道氣流遏制系統(tǒng)可以通過風(fēng)管連接房間級機(jī)房空氣處理裝置或者將整個(gè)熱通道圍成通向大型房間級空調(diào)單元的煙囪狀風(fēng)道,如圖4所示。選用垂直風(fēng)管熱通道氣流遏制的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)就是可以使用現(xiàn)有的節(jié)能冷卻模式。這種熱通道封閉設(shè)計(jì)方案適用于大型專用數(shù)據(jù)中心設(shè)施,因?yàn)榇嬖陲L(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式效率上的優(yōu)勢。但這類系統(tǒng)需要構(gòu)建大型的氣流空間和/或定制的建筑結(jié)構(gòu)來有效地處理大量的空氣。因此,這種熱通道氣流遏制系統(tǒng)的變體設(shè)計(jì)非常適用于新建或者大型的數(shù)據(jù)中心。值得注意的是,上面提到的熱通道遏制系統(tǒng)方案也同樣適用于冷通道氣流遏制系統(tǒng)。但是本文將會(huì)在下文論證熱通道氣流遏制系統(tǒng)的節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于冷通道氣流遏制系統(tǒng)。

以上方法需要封閉整個(gè)通道。然而,當(dāng)存在分散的高密度機(jī)柜時(shí),使用垂直風(fēng)管封閉單個(gè)機(jī)柜更合理。這種方法就是將一根垂直風(fēng)管安裝到機(jī)柜后頂部,來封閉熱風(fēng)并將其輸送至吊頂,如圖5所示。

  二、氣流遏制系統(tǒng)的益處

1.能夠節(jié)能和增加制冷容量:制冷系統(tǒng)可以設(shè)置為更高的送風(fēng)溫度而仍然可滿足負(fù)載的安全運(yùn)行。未采用氣流遏制系統(tǒng)的房間級制冷系統(tǒng)所設(shè)置的送風(fēng)溫度則要比IT設(shè)備所要求的溫度低得多(約為13°C),以防止局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生。產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的原因是在冷風(fēng)離開制冷設(shè)備到達(dá)IT機(jī)柜前的過程中,熱量被帶入冷風(fēng)引起溫升。采用氣流遏制系統(tǒng)能夠提高冷風(fēng)的送風(fēng)溫度,以及達(dá)到提高制冷裝置回風(fēng)溫度的目的。較高的回風(fēng)溫度有助于提升冷卻盤管的熱交換效率,從而提高制冷容量和整體的能效。這種影響對于幾乎所有的空調(diào)設(shè)備都是存在的。某些設(shè)備會(huì)存在最高回風(fēng)溫度的限制,但是總體來說,所有的制冷系統(tǒng)在較高的回風(fēng)溫度時(shí)都會(huì)具有更高的制冷能力。

2.消除局部熱點(diǎn):氣流遏制系統(tǒng)能阻止冷風(fēng)在離開制冷設(shè)備到達(dá)IT機(jī)柜前的過程中與廢熱的混合。這意味著在制冷裝置一側(cè)的送風(fēng)溫度等于IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度,即統(tǒng)一的IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度。當(dāng)沒有冷、熱氣流混合,可以在不產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的前提下提高送風(fēng)溫度,從而延長節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)間。

3.延長節(jié)能冷卻模式運(yùn)行時(shí)間:當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí),就可以不通過制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)工作來向室外排熱。通過提高制冷系統(tǒng)的工作溫度區(qū)間設(shè)定點(diǎn)可以大幅的延長制冷系統(tǒng)中停用壓縮機(jī)的時(shí)間,達(dá)到節(jié)能的目的。

4.降低加濕/除濕成本:通過消除冷、熱氣流的混合,設(shè)定較高的制冷系統(tǒng)送風(fēng)溫度,可以使制冷系統(tǒng)在高于露點(diǎn)溫度的工況下運(yùn)行。當(dāng)送風(fēng)溫度高于露點(diǎn)溫度,空氣中的含濕量就不會(huì)降低。如果含濕量不降低,那么就不需要加濕,這樣就節(jié)約了電能和水。

5.更好的物理基礎(chǔ)設(shè)施整體使用率,適度規(guī)劃帶來的設(shè)備高效率運(yùn)行:與適度選型的設(shè)備相比,越過度選型的設(shè)備,具有的固定損耗越大。然而,由于高架地板下送風(fēng)路徑中的阻力和靜壓要求需要消耗額外的風(fēng)機(jī)功率,所以無法避免對傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的過度規(guī)劃。

三、冷熱氣流遏制系統(tǒng)對溫度的影響

那么,冷熱通道氣流遏制系統(tǒng)對作業(yè)環(huán)境的影響又如何呢?采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí),熱通道內(nèi)的溫度過高也會(huì)導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境溫度同樣過高,對長期在數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)作業(yè)的IT人員會(huì)產(chǎn)生不良的影響。而采用熱通道氣流遏制系統(tǒng),高溫只存在于封閉的熱通道之內(nèi),而不會(huì)影響到在機(jī)房內(nèi)長時(shí)間作業(yè)的人員。

值得注意的是在IT人員需要進(jìn)入熱通道進(jìn)行作業(yè)時(shí),還可以在作業(yè)之前打開門使冷風(fēng)中和掉熱通道的高溫(在機(jī)柜后部)。即使保持熱通道關(guān)閉,仍然符合作業(yè)環(huán)境的法規(guī),兩點(diǎn)原因如下:1)人員并不是在高溫環(huán)境(熱通道)內(nèi)進(jìn)行長期作業(yè),采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)則不然,而且2)絕大部分的作業(yè)都發(fā)生在IT機(jī)柜的前部。熱通道氣流遏制系統(tǒng)允許較高的熱通道溫度而不影響到機(jī)房內(nèi)的其它空間是熱通道氣流遏制系統(tǒng)和冷通道氣流遏制系統(tǒng)之間最關(guān)鍵的區(qū)別,因?yàn)檫@樣可以使機(jī)房空氣處理裝置更高效的運(yùn)行。

與人員的舒適性同等重要的還有IT設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。2011年發(fā)布的ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)TC9.9建議服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度區(qū)間為18-27°C.采用冷通道氣流遏制系統(tǒng),房間的其它空間(作業(yè)環(huán)境)會(huì)相對較熱,遠(yuǎn)超過27°C,當(dāng)采用高密度IT設(shè)備時(shí),將會(huì)超過38°C.因此,任何進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的人在步入這種高溫環(huán)境時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不適,在這種環(huán)境下連基本的巡視都很不現(xiàn)實(shí)。采用冷通道氣流遏制系統(tǒng),需要調(diào)整人員的預(yù)期是他們明白這種較高的溫度是“正常的”,而不是系統(tǒng)即將宕機(jī)的表現(xiàn)。這種觀念上的變化也會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)人員不情愿進(jìn)入數(shù)據(jù)中心在高溫環(huán)境下作業(yè)而受到質(zhì)疑。

不僅如此,在使數(shù)據(jù)中心運(yùn)行在較高的溫度時(shí),必須為非成行排列的IT設(shè)備(例如磁帶庫和大型主機(jī))采取特殊的措施。采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí),房間作為一個(gè)充滿熱空氣的“熱池”,這些設(shè)備將需要通過定制的風(fēng)管從密閉的冷通道獲得冷風(fēng)。在熱環(huán)境中部署打孔地板雖然可以有助于冷卻這種設(shè)備,但是破壞了使用氣流遏制系統(tǒng)來減少冷、熱氣流混合的初衷。此外,機(jī)房內(nèi)的電源插排、照明、消防和其它系統(tǒng)將需要重新對溫升后的可行性進(jìn)行評估。

四、冷熱氣流遏制系統(tǒng)對能效的影響

在不考慮氣流遏制系統(tǒng)冷、熱氣流泄漏的情況下,我們通過理論性分析對某城市來比較冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)各自在最佳狀態(tài)下的性能。而通常高架地板泄露比例約為25%-50%,氣流遏制系統(tǒng)的泄露約為3%-10%.節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)間(以小時(shí)計(jì))和PUE是通過對節(jié)能冷卻模式時(shí)長進(jìn)行建模和對數(shù)據(jù)中心PUE進(jìn)行建模估算得到的。對冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都比較了以下三種溫度情況:

1.IT進(jìn)風(fēng)溫度維持恒定的27°C–ASHARE推薦的進(jìn)風(fēng)溫度最大值

2.未封閉的開放作業(yè)區(qū)域溫度維持恒定的27°C–ASHARE推薦的進(jìn)風(fēng)溫度最大值

3.未封閉的開放作業(yè)區(qū)域保持恒定的24°C–標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度

情況#1結(jié)果:

在這種情況下,冷通道氣流遏制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)運(yùn)行時(shí)可以獲得6,218小時(shí)的節(jié)能冷卻模式運(yùn)行時(shí)間,PUE約為1.65.在忽略人員健康與舒適性以及獨(dú)立IT設(shè)備安全性的情況下,冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)的效率是相當(dāng)?shù)?。但是在這種狀態(tài)下的作業(yè)環(huán)境干球溫度達(dá)到不現(xiàn)實(shí)的41°C,相對濕度21%.這相當(dāng)于濕球黑球溫度(WBGT)為28°C,幾乎達(dá)到OSHA所允許的濕球黑球溫度WBGT的最大上限30°C.這對IT人員的作業(yè)環(huán)境和獨(dú)立IT設(shè)備來說是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際上,這種高溫會(huì)加劇冷空氣的泄露。

情況#2結(jié)果:

在這種情況下,作業(yè)環(huán)境溫度保持在27°C,會(huì)導(dǎo)致冷通道氣流遏制系統(tǒng)的年度節(jié)能冷卻時(shí)間降低為2,075小時(shí),PUE與情況#1相比變差,升高了13%.相應(yīng)的IT進(jìn)風(fēng)溫度變?yōu)?3°C.采用熱通道氣流遏制系統(tǒng)的結(jié)果在情況#2下與情況#1的相同,因?yàn)閮烧叩倪M(jìn)風(fēng)溫度相同。情況#2中的冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都可以保證一個(gè)可以接受的IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度在ASHRAE推薦的范圍之內(nèi),但是作業(yè)環(huán)境溫度與人員舒適性的要求還有一定差距。熱通道氣流遏制系統(tǒng)系統(tǒng)可以提供4,143小時(shí)的年度節(jié)能冷卻運(yùn)行時(shí)間,以及PUE優(yōu)于采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí)11%.

情況#3結(jié)果:

當(dāng)作業(yè)環(huán)境溫度限制在24°C時(shí),可滿足人員舒適性的要求。這個(gè)溫度會(huì)導(dǎo)致冷通道氣流遏制系統(tǒng)的年度節(jié)能冷卻時(shí)間降低為0,PUE與情況#2相比變差,升高了6%.相應(yīng)的IT進(jìn)風(fēng)溫度變?yōu)?0°C.這時(shí),熱通道氣流遏制系統(tǒng)的節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)長降低至5,319小時(shí),PUE為1.69.情況#3中的冷通道氣流遏制系統(tǒng)和熱通道氣流遏制系統(tǒng)都可以保證一個(gè)可以接受的作業(yè)環(huán)境溫度和IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度在ASHRAE推薦的范圍之內(nèi)。與采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)相比,熱通道氣流遏制系統(tǒng)系統(tǒng)可以提供5,319小時(shí)的年度節(jié)能冷卻運(yùn)行時(shí)間,以及PUE優(yōu)于采用冷通道氣流遏制系統(tǒng)時(shí)15%.

從此分析中可以清楚地看到,在實(shí)際作業(yè)環(huán)境溫度限制和氣候條件下,熱通道氣流遏制系統(tǒng)提供比冷通道氣流遏制系統(tǒng)更長的節(jié)能冷卻時(shí)間和更低的PUE.不管采用何種制冷架構(gòu)和排熱方式(無論房間級還是行級,冷凍水還是直膨式),最終結(jié)果都是如此。

  五、結(jié)論

防止冷、熱氣流混合是所有高效數(shù)據(jù)中心制冷策略的關(guān)鍵所在。與傳統(tǒng)制冷方式相比,熱通道氣流遏制系統(tǒng)和冷通道氣流遏制系統(tǒng)都有助于提升功率密度和能效。熱通道氣流遏制系統(tǒng)是一種比冷通道氣流遏制系統(tǒng)更高效的方式,因?yàn)槠湓试S更高的作業(yè)環(huán)境溫度,提高冷凍水供回水溫度區(qū)間設(shè)定,從而延長節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)長,最終帶來巨大的電力成本節(jié)約。將制冷溫度設(shè)定點(diǎn)提高的同時(shí),也保證舒適的作業(yè)環(huán)境溫度(即未進(jìn)行封閉的區(qū)域的溫度)。

編輯:Harris

 

關(guān)鍵詞:ups電源參數(shù)http://m.mygoldentreasures.com/list-3-1.html


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