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IDC气流组织规划对PUE值的影响

2022-12-15 13:54:00

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近年来随着互联网的普及和信息化应用的扩展及深入,数据中心不论从单体的建设规模还是数量上均有了飞速的发展。而伴随着数据中心的高速发展,数据中心最为电能消耗的大户,

      近年来随着互联网的普及和信息化应用的扩展及深入,数据中心不论从单体的建设规模还是数量上均有了飞速的发展。而伴随着数据中心的高速发展,数据中心最为电能消耗的大户,必须通过技术措施及能效管理等方式进行节能减排,达到“节能降费、绿色环保”等社会、政府主流建设理念;机房PUE值的影响因素有很多,通过CFD仿真技术对数据中心机房的各种气流组织进行对比分析,来优化气流组织,缩短制冷路径、提高制冷效率的方式来降低机房空调制冷功耗,通过减少空调的能耗降低机房PUE值,进而达成“绿色机房”的建设目标。

 在中国市场,据中国IDC圈研究中心发布的《IDC年度报告》中显示,2016年中国IDC市场继续保持高速增长,市场总规模为714.5亿元人民币,同比增长37.8%。电信运营商近年来加大了对带宽的投资力度,电信网、广电网和互联网的融合进一步加速,“互联网+”推动传统行业信息化发展,由此带动IDC机房需求和网络需求持续增长。移动互联网和视频行业呈现爆发增长,游戏等行业增速稳定,这些领域客户需求的增长拉动了IDC市场整体规模。

随着数据中心IT设备高密度的集成化, 数据中心目前相关的碳排放已经成为最大的温室气体排放源之一,由此一年产生的碳排放为8.6亿吨,且该领域的排放势头还在随着全球对计算、数据存储和通信技术需求的增长快速上升。即使人们大力提高设备、机房结构等装置和数据中心的能效。所以绿色机房的建设已经刻不容缓。

目前,PUE值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。


机房PUE值组成

    PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗,由下图可知,用电主要分为三部分:

  • IT设备的用电:从数据统计中可以得知,通信设备用电大概占了总用电量的30%。
  •  供配电和其他系统:包括UPS电源设备本身进行电能转换过程的损耗,接近总用电量的25%。
  • 空调制冷设备:空调用电占用总用电量的45%。

     从公式中可以看到,想要降低机房的PUE值,在IT负载不变的前提下,只能降低数据中心总设备的能耗,空调系统在数据中心能耗中占据较大比重,在优化时应重点考虑。

    机房中的冷却主要是由机房空调负责,所以降低机房空调的耗电量可以有效的降低机房的PUE值。

典型数据中心能耗组成图


机房气流组织规划的意义

空调机组内的各项功能(制冷、除湿、加热、加湿等)对机房内空气进行处理时,均需要空气流动来完成热、湿的交换,机房内气体还需保持一定流速,防止尘埃沉积,并及时将悬浮于空气中的尘埃滤除掉,这就需要将机房的气流组织进行规划,使冷热气流的交换按我们设定的通道进行流动,在流动的过程中完成冷热交换,已达到降低机房内的环境温度的目的。

机房气流组织优化的目的就是在各种机房环境下,通过合理组织及管理机房内的气流组织,将冷能通过预设的通道与IT设备产生的热能进行交换,同时通过各种辅助设备(如机柜盲板、导流板等)避免热回风,影响冷能的使用效率,最终达到冷能交换的最短路径和最优冷热流交换的目的。


机房空调应用发展简述

     机房从最早的普通分体空调制冷到现在行级精密空调制冷,根据机房的等级及实际应用需求,现在大概分为三种主要的应用:

   1、常规的分体式机房专用空调

     在民用或者常规商用空调的基础上通过附加一些机房环境特殊的功能要求,如来电自启动、加湿、全年24小时不间断制冷等功能,以满足机房的使用;该类型以大金的机房专用空调为代表;这类的空调常用在国标C级机房或数据中心的配套用房,属于机房产生热能较少的,这种机房无有效的气流规划,以整个机房空间为制冷要求,对环境的温湿度要求较宽松。

 平送风气流组织示意图

2、房间级精密空调

      房间级精密空调主要使用在中低热密度的数据中心,单柜的热负载正常设计功耗不超过5Kw,房间级精密空调以静电地板下的空间为冷池,在同一个区域内的精密空调通过向冷池内送冷风,形成一个静压箱,并通过通风的静电地板向机房机柜前面板送冷风;机柜后面板排出的热风通过吊顶或机房上部空间直接回风到精密空调内部,形成一个冷热气流的交换。

    下送风上回风气流组织1所表示的是传统数据中心为设置机柜封闭通道,机柜排列按照前面板朝同一个方向,逐排排列的气流组织示意图。

    下送风上回风气流组织2所表示的是通过机柜面对面、背对背排列后,在面对面的通道间通过加装两端及顶部的天窗进行冷通道封闭的气流组织示意图。

                                                下送风上回风气流组织1


                                  下送风上回风气流组织2

3、行级精密空调

     行级精密空调因为放置与机柜通道内,所以又称为列间空调;列间精密空调为水平送风机组,列间式精密空调专门为中高热密度(单柜5-15Kw)的数据中心进行设计的,由于数据中心所使用的IT设备本身的散热量愈来愈大,用传统的空调制冷方式已经不能满足设备对温、湿度的要求,为了达到设备高效率冷却、不产生局部过热现象,冷空气必须由组织的进入设备的内部进行排热,此时采用冷、热通道隔离或是封闭冷、热通道的方式,可以有效地控制因冷风气流和热风气流短路,而减低了冷却的效果。

     列间精密空调的设计,冷风是从冷通道送风、由机柜背面热通道回风的水平送风方式,从而完全解决了冷热气流短路的问题,保障了服务器机柜温度的均匀,消除了局部热点,进而增加了服务器的运行可靠性同时有效的降低了不必要的能耗。


                                             前送风后回风气流组织示意图

通过上述的几种空调的应用,我们罗列了一个对比表,更直观:

空调类型

机柜布置

气流组织

冷能利用率

使用类别

机房专用空调(柜机)

无完善的机柜规划

散乱式

一般

小型机房,以C级机房为主

房间级精密空调

机柜按通道进行排列,机房可选择配置机柜通道封闭系统

有比较完整的气流通道

中低热密度机房,A、B级机房

行级精密空调

机柜按通道进行排列,均配置机柜通道封闭系统

较严格的气流通道

中高热密度机房,A、B级机房

根据表1对三种机房空调的应用区分可以知道,普通的机房柜机在送风方式上主要分为平送风(柜机)、下送风上回风(房间级精密空调)、前送风后回风(行级精密空调)。

文章部分来源于公众号《通信电源人》;

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作者: 苏州中源广科信息科技有限公司
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