自從新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)服務(wù)器機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)工作溫度范圍重新定義之后，數(shù)據(jù)中心溫度管理策略發(fā)生了巨大變化，機(jī)架或冷通道的進(jìn)風(fēng)溫度范圍擴(kuò)展到18°C~27°C，濕度范圍擴(kuò)展到8%-80%。通過提高運(yùn)行溫度，能夠提高機(jī)房服務(wù)器的負(fù)載密度。
在相同的負(fù)載條件下，提高運(yùn)行溫度也能夠大幅削減能源消耗。通過提高機(jī)房空調(diào)的進(jìn)風(fēng)溫度，從而使室外低溫制冷有更多時(shí)間進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化“綠色”數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵要素之一。
本文旨在幫助人們了解數(shù)據(jù)中心的高回風(fēng)溫度設(shè)計(jì)的必要性，這有助于提高數(shù)據(jù)中心的冷卻方案效率。此外，本文還闡述了提高回風(fēng)溫度所造成的影響、以及如何設(shè)計(jì)最佳的熱管理解決方案。
回風(fēng)溫度指數(shù)(RTI)[1]
如何分析每個(gè)服務(wù)器機(jī)架應(yīng)接收多少冷空氣才能成功消除數(shù)據(jù)中心或服務(wù)器機(jī)房中產(chǎn)生的熱量。下列指標(biāo)利用流體動(dòng)力學(xué)分析中的常規(guī)原理來確定數(shù)據(jù)中心中氣流循環(huán)的溫度性能。
回風(fēng)溫度指數(shù)(RTI)表示從冷卻機(jī)組到機(jī)架等設(shè)備的輸出氣流速度。同時(shí)，回風(fēng)溫度指數(shù)(RTI)還能顯示是否存在氣流再循環(huán)或氣流短路現(xiàn)象。
如果回風(fēng)溫度指數(shù)大于100%，則表示存在氣流再循環(huán)現(xiàn)象；如果回風(fēng)溫度指數(shù)小于100%，則表示存在氣流短路現(xiàn)象。因此，該指數(shù)的理想百分比為100%。
理想情況下，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)中心的回風(fēng)溫度指數(shù)(RTI)度量值為100%。然而，這是理論上的。在實(shí)際應(yīng)用中，總會(huì)存在一些氣流短路和氣流再循環(huán)現(xiàn)象。關(guān)鍵是要盡量減少這些現(xiàn)象，從而提高數(shù)據(jù)中心空氣處理系統(tǒng)的效率。
圖1.冷卻與循環(huán)
高精度傳感器及智能化軟件的綜合使用功能可以準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算數(shù)據(jù)中心的回風(fēng)溫度指數(shù)(RTI)、電能使用效率(PUE)，識(shí)別現(xiàn)有的過冷、過熱點(diǎn)及有待改進(jìn)的機(jī)架。
數(shù)據(jù)中心效率衡量指標(biāo)(PUE)[2]
電能使用效率(PUE)是指數(shù)據(jù)中心輸入功率與IT負(fù)載功率之比。確定數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施效率是有效能源管理計(jì)劃的一部分，其益處已得到廣泛認(rèn)可。
IT基礎(chǔ)設(shè)施管理者的主要目的是降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電，例如通過減少電力損耗、采用無(wú)源基礎(chǔ)設(shè)施和降低冷卻功耗(尤為重要，冷卻功耗占數(shù)據(jù)中心耗電量35%～40%)；同時(shí)最大限度的提高IT負(fù)載率。冷卻功耗降低設(shè)計(jì)還有一個(gè)后續(xù)措施，即提高機(jī)房的溫度。我們將在下一節(jié)詳細(xì)討論。
預(yù)計(jì)回風(fēng)溫度每上升1°C，數(shù)據(jù)中心可以節(jié)省4%至5%的能源成本。設(shè)置較高的溫度意味著：自然冷切換工作溫度點(diǎn)越高，自然冷時(shí)間越長(zhǎng)。室外溫度由15°C提升到20°C，北京自然冷利用時(shí)間增加21.6%，廣州增加90%。如果提高到30°C為切換點(diǎn)，北京/上海/廣州/深圳城市所跨越的緯度區(qū)基本接近90%的時(shí)間都可以利用自然冷。
ASHRAE的溫度標(biāo)準(zhǔn)指南[3]
ASHRAE推薦的溫度范圍18°C～27°C，并將A1等級(jí)溫度提升至32°C是為了支持節(jié)能等新技術(shù)而創(chuàng)建的。
下表1總結(jié)了ASHRAE推薦的溫度范圍和級(jí)別。
中國(guó)的溫度標(biāo)準(zhǔn)指南[4]
《GB50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)主機(jī)房和輔助區(qū)內(nèi)的溫度，露點(diǎn)溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行定義，考慮到節(jié)能的趨勢(shì)，以冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度為測(cè)量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，而且大幅提升到27°C，所以在滿足節(jié)能，安全應(yīng)用基礎(chǔ)上，按下表2進(jìn)行：
表2：各級(jí)數(shù)據(jù)中心環(huán)境技術(shù)要求
數(shù)據(jù)中心溫度管理
業(yè)務(wù)的不斷變化，新政策的推動(dòng)，正在讓數(shù)據(jù)中心管理者思考如何快速的提高效率，降低數(shù)據(jù)中心龐大的電量指標(biāo)。我們將討論一下關(guān)于提升機(jī)房回風(fēng)溫度的三個(gè)最有爭(zhēng)議的問題。
（1）提升回風(fēng)溫度與保持冷/熱通道布置
現(xiàn)代服務(wù)器比以前的密度更大。這意味著服務(wù)器的ΔT(出口-進(jìn)口)更大。在這種情況下，采用高回風(fēng)溫度是一件很自然的現(xiàn)象。
IT設(shè)備的布置(如冷通道或熱通道布置)是一般數(shù)據(jù)中心遵循的最佳實(shí)踐之一。此配置將IT設(shè)備的進(jìn)氣口置于冷通道上(送風(fēng)側(cè))，并將熱空氣排放至熱通道(回風(fēng)側(cè))。目前，很多實(shí)踐中都允許冷通道溫度為24°C，熱通道的溫度基本上都會(huì)更高。
制冷裝置的回風(fēng)溫度越高，能夠使冷卻盤管之間的熱交換越好，冷卻能力越大，整體效率越高，這幾乎對(duì)所有的空調(diào)設(shè)備都有效。一些設(shè)備能夠處理的最高回風(fēng)溫度可能有限(定頻機(jī)組<28°C)，但一般來說，通過提高回風(fēng)溫度，能夠提高所有冷卻系統(tǒng)的容量。
在這種情況下，機(jī)房空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)溫度較高，這有助于在相同的壓縮機(jī)電機(jī)功耗條件下提高機(jī)組的容量。從而提高效率，并為降低PUE增加價(jià)值。
（2）提高機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度會(huì)使可靠性和設(shè)備維護(hù)復(fù)雜化
提高數(shù)據(jù)中心溫度是提高效率的一部分內(nèi)容。溫度提升必須遵循氣流管理的最佳實(shí)踐：使用密封性能好的通道(RTI≈100%)或消除活動(dòng)地板下的電纜障礙物，并實(shí)施某種形式的氣流遏制，這些措施將有效地減少冷熱空氣的混合。
數(shù)據(jù)中心采用40°C環(huán)境溫度是一種極端情況，通過鼓勵(lì)部分?jǐn)?shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行深思熟慮的討論和批判性研究。研究之后，他們可以將機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度從20°C提升到24°C，這些變化都可以顯著降低Pue，而不影響其可用性或設(shè)備保養(yǎng)。
（3）如果數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度提高，是否會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的維護(hù)人員和訪客的工作環(huán)境不舒適并非所有的數(shù)據(jù)中心都具有龐大的訪客量。一些高性能/超級(jí)計(jì)算應(yīng)用程序在無(wú)人值守的環(huán)境中運(yùn)行，并包括一組同類硬件，這些應(yīng)用非常適合較高的溫度設(shè)定值。
除了讓工作人員感到舒適，IT設(shè)備的可靠運(yùn)行也很重要。標(biāo)準(zhǔn)建議將服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)定在18°C～27°C之間。通道隔離之后，非控制區(qū)的溫度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于27°C；如果是高密度IT設(shè)備，非控制區(qū)的溫度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于38°C。在GB50736中，考慮到節(jié)能與舒適性感覺，長(zhǎng)期逗留區(qū)域空氣計(jì)算參數(shù)在夏季Ⅱ級(jí)熱舒適下，溫度范圍27～28°C，相對(duì)濕度40～70%。[5]
所以，人們的期望值需要調(diào)整，這樣他們才能理解較高的溫度是“正常”的，節(jié)能的。這種變革需要平衡實(shí)際的節(jié)能需求與較少時(shí)間下人員舒適感的關(guān)系。
傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的局限性
機(jī)房精密空調(diào)采用渦旋壓縮技術(shù)已有30多年的歷史，傳統(tǒng)普通渦旋技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是在高回風(fēng)(>28°C)應(yīng)用場(chǎng)景中，當(dāng)回風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，空調(diào)頻繁啟停機(jī)，且無(wú)法長(zhǎng)期運(yùn)行恒溫環(huán)境，導(dǎo)致無(wú)冷空氣或冷卻不足，回風(fēng)熱空氣會(huì)短路送入冷通道機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)，超過27°C。
隨著“新型變頻壓縮機(jī)”等現(xiàn)代技術(shù)的出現(xiàn)，壓縮機(jī)的蒸發(fā)溫度提升，密封渦旋電機(jī)電樞加強(qiáng)，導(dǎo)致回風(fēng)溫度大大升高，這是數(shù)據(jù)中心行業(yè)更高效設(shè)計(jì)的進(jìn)步。
最新節(jié)能趨勢(shì)：使用高回風(fēng)溫度的送風(fēng)控制邏輯
回風(fēng)控制策略是否有效需格外關(guān)注的兩個(gè)重要因素：①整個(gè)機(jī)組入口(回風(fēng))區(qū)域的溫度變化率最?。虎趶拿總€(gè)機(jī)組送入的空氣在冷卻后返回該機(jī)組，形成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。
然而，在所有數(shù)據(jù)中心中，除了最小和最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)中心外，上述兩種情況都不太可能完美存在。即使往最好里說，這也會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)效率低下。最壞的情況是，它會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)發(fā)生熱點(diǎn)或停機(jī)。
目前數(shù)據(jù)中心中存在一些常見的因素，如更高的負(fù)載密度、負(fù)載分布不均勻等，這些因素也導(dǎo)致了更高的溫度差。
送風(fēng)溫度邏輯被應(yīng)用于溫度控制機(jī)制中，智能控制器也在熱管理系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。冷卻能力取決于風(fēng)量與ΔT，在IT設(shè)備的各種負(fù)載中，各個(gè)服務(wù)器都會(huì)產(chǎn)生自身動(dòng)態(tài)的風(fēng)量和溫差。在這種情況下，設(shè)置恒定的回風(fēng)溫度并不理想。智能控制器有助于實(shí)現(xiàn)冷卻能力的動(dòng)態(tài)變化，并保持恒定的壓力，從而實(shí)現(xiàn)均勻冷卻、高效節(jié)能。蒸發(fā)溫度范圍越大會(huì)導(dǎo)致性能更好，但也會(huì)讓運(yùn)行區(qū)域變得越復(fù)雜。
充分利用變頻壓縮機(jī)技術(shù)的高蒸發(fā)溫度區(qū)域，機(jī)組運(yùn)行時(shí)同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)低壓和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，依照動(dòng)態(tài)低壓控制邏輯，實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化范圍更廣，壓縮機(jī)運(yùn)行更安全，壓縮機(jī)運(yùn)行更高效。
圖2蒸發(fā)溫度范圍越大會(huì)導(dǎo)致性能更好，但也會(huì)讓運(yùn)行區(qū)域變得越復(fù)雜。
回風(fēng)溫度每提高一度，冷卻能力將提高4%到5%。在RTI接近100%下，通過以上圖2變頻高效運(yùn)行范圍可知，建議回風(fēng)溫度設(shè)定在33°C～40°C之間，房間級(jí)冷卻設(shè)備送風(fēng)溫度保持在21°C～25°C，列間級(jí)冷卻在22°C～27°C(前提是采用了正確、高效的變頻技術(shù)精密空調(diào))。
表3：滿足設(shè)置送風(fēng)溫度范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)
結(jié)論
基于現(xiàn)場(chǎng)需求，下一代數(shù)據(jù)中心采用的兩個(gè)新興趨勢(shì)是較高的回風(fēng)溫度和送風(fēng)控制邏輯。
雖然這兩個(gè)趨勢(shì)倡議正在取得進(jìn)展，用戶可以集中精力尋找他們的“最佳平衡點(diǎn)”--設(shè)置符合業(yè)務(wù)需求并且能夠提高能效的理想溫度值。需要主動(dòng)測(cè)量和分析才能找到“最佳平衡點(diǎn)”，才能夠帶來降低PUE的最佳實(shí)踐。
本文作者：
Re-editor：Oliver Yu（Vertiv GC）
Professional Product Manager
original from Dey,Rahul（Vertiv APAC）
【參考文獻(xiàn)】
[1]MK Herrlin.[Improved data center energy efficiency and thermal performance by advanced airflow analysis].International Digital Power Forum,2007;10-11
[2]GREEN GRID.[PUE:A COMPREHENSIVE EXAMINATION OF THE METRIC].2014
[3]ASHRAE Technical Committee 9.9,2015;14-15
[4]GB50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范
[5]GB 50736-2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范
