数据中心IT机房末端气流组织精细化管理

数据中心的验证测试的目的是通过技术检测手段以验证项目的施工成果是否达到设计要求。而气流组织的总风量平衡应是IT机房气流组织验证测试的必要环节,但不少项目却忽视了这一点。在机房设计负荷满载、主用空调风扇全速开启的情况下,总风量平衡测试的目的是验证精密空调的是否将足够的风量送至机柜冷通道内。

从数据中心的发展史来看,以提高空调的制冷效率、降低机房制冷能耗为推动力,数据中心IT机房末端的气流组织方式,从最初的冷热风混合淹没式到冷热通道分离式,再到冷/热通道封闭式及行间空调等方式的演变,都是围绕着以风为介质进行末端空调和IT设备冷热交换效率的优化来进行的。以风为介质进行末端空调和IT设备的冷热交换的制冷模式仍然是现阶段数据中心的绝对主流应用,为实现数据中心在不增加投资、不降低数据中心可靠性的前提下,对数据中心的气流组织进行精细化管理,降低数据中心PUE、节约能耗具有重大的现实意义。

先让我们来看看风制冷的理论依据,下式是风量同制冷量的计算式,它反映了在不同温差条件下,风量与热量之间的换算关系。

Qs=Cp*ρ*L*(T1-T2)

在通常的室内环境下,其中:

Qs是现热量(单位Kcal/h,1KW=860Kcal/h);

Cp是空气比热(0.24Kcal/kg℃);

L是风量(单位CMH,即m³/h);

ρ是空气比重(1.25Kg/m³);

T1,T2分别是精密空调的回风温度和送风温度(或IT设备后端出风温度和前端进风温度);

经过上式计算,当精密空调的回风温度和送风温度(或IT设备后端出风温度和前端进风温度)差为10℃时,空调每带走1KW热量所需要的风量近似为300CMH。这个10℃温差我们以机房常用温度(回:24~30℃;送:14~16℃)来参考,最新的《数据中心设计规范(GB50174-2017)》对机房送回风温差可放宽至8~15℃,那么对应的空调每带走1KW热量所需要的风量近似为360~200CMH。

由此可见,风受控地流经IT设备内,才能有效地带走IT设备的发热。如果风不流经IT设备内部,风从精密空调出风口经其它途径“短路”回到精密空调出风口的行为,都是低效的和不节能的。所以我们在进行数据中心设计、建造、验证和运维的过程中都要注重对气流进行精细化管理。

设计阶段的气流管理

我们以一个简单的模块机房为例,来说明设计时对气流管理的要点。某模块机房和精密空调房的建筑面积为104㎡,共40个IT机柜,每个机柜的平均发热为3.8KW,40个机柜平均分成四排组成两个冷通道封闭模块,采用防静电地板构成的静压箱下送风方式。

通常情况下设计人员在对空调选型的时候,都会注重精密空调的显冷量和IT负载发热量及环境热负荷的平衡关系,经计算需要制冷的目标总热负荷(设备热负荷+环境热负荷)为167.6KW,那么选3台显冷量大于83.8KW的空调(2用1备)。空调选型时除了要关注冷量外,还应重点关注精密空调的风量参数。依据上文中的风量和热量的关系式,如果IT机房的送回风设计目标温差是8℃,那么单台空调的送风能力应大于:83.8*360=30168CMH;如果IT机房的送回风设计目标温差是15℃,那么单台空调的送风能力应大于:83.8*200=16660CMH。但是考虑到地板缝和其它工艺不可避免的漏风,故空调的送风能力还应大于上述计算值6%的风量较为稳妥(下文将给出理由)。

在上述案例中采用防静电地板构成的静压箱下送风方式,防静电地板是静压风箱的外壁组成部分之一。在本案例中,防静电地板的不仅要具备相应的防静电、承重载荷的能力,还应具备良好的气密性,以防止空调冷风泄漏。我们实测考察过行业中常用的两类防静电地板,下表是它们的部分特征对比:

这两类防静电地板的气密性具备很大的差异,从它们的拼接剖面也可以看出他们气密性的差异,钢制波纹防静电地板的拼接剖面有个碗型凹槽,且钢制地板的外表面容易变形,压力气流较容易从拼缝中泄出。而硫酸钙直边防静电地板的拼缝小,在同等静压差的条件下,硫酸钙直边防静电地板的密封效果要优于钢制波纹防静电地板的密封效果。如果在支撑横担面贴上聚酯泡沫密封压条,它们的密封效果将会更优。

除了防静电地板漏风外,其它的漏风因素如精密空调的送风方式、加湿器安装位置和送风方式等都应在设计时仔细规避。下图中精密空调送风最好是用密闭性良好的风箱和风管把风送至IT设备区域。同时在每个出风口都安装自垂式止回阀,防止空调备用停机时冷风从此逆流返回。还有IT机柜区域尽量避免安装其它设备支架穿过防静电地板而造成漏风。

施工阶段的气流管理

施工期间要严格按照设计要求进行材料选型、加强施工工艺的管理,如注重对线管穿墙/地板的工艺封堵、消除静压箱内的墙身、板材接缝、地板拼缝等的漏风因素、强化封闭冷通道板材拼接缝隙的气密性等,尤其注意防静电地板同墙身的拼接工艺。

验证测试阶段的气流管理

数据中心的验证测试的目的是通过技术检测手段以验证项目的施工成果是否达到设计要求。而气流组织的总风量平衡应是IT机房气流组织验证测试的必要环节,但不少项目却忽视了这一点。在机房设计负荷满载、主用空调风扇全速开启的情况下,总风量平衡测试的目的是验证精密空调的是否将足够的风量送至机柜冷通道内。

上式是我们对多个机房验证测试总结的经验式,其中:

L1,L2,Ln为每个防静电通风板的风量(每个风口的风量值可以用风量罩现场测得);

Ls/h为精密空调循环风量总和;

经过多个项目测试数据对比分析,即使对气流管理较优秀的机房,也会有15%的风量很难避免地以其它的形式泄漏;

上文中环境热负荷为15.6KW占总热负荷的9%左右。从其它缝隙泄漏的冷气量的15%之9%的部分可以满足环境热负荷制冷的需求,剩下的6%需要空调额外多出的风量来补充,这就是上文中空调送风量额外增加6%的原因。

运维阶段的气流管理

运维期间的气流管理,主要体现在以下几个方面:平时加强防静电地板组成的静压风箱的管理,防止一切泄漏因素,如地板掀开、空隙封堵材料脱落等;根据不同区域的热密度大小调节出风口地板的风量(运维团队应配备风量罩,根据上文热量和风量关系式确定各出风口的风量大小),以避免局部热点出现;机柜IT设备安装空缺位用标准盲板进行封堵,确保气流从正在运行的IT设备内部流过。

气流组织发展到行间空调送风的冷/热通道封闭模式,空调风量的利用效率得到了进一步的提高,减少了中间环节的风量泄漏,相对来说气流的管理变得更为简单,做好封闭冷/热通道的气密性就可以很好的提高空调风量的利用效率。但行间空调制冷模式也有其自身的不足,如:应对温湿度波动的能力有所降低,也降低了备用精密空调的使用效率等。最终采取哪种气流组织及管理方案要因地制宜,综合各种因素来选择最合适的配置。

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