机房应用配风地板系统实现动态制冷的解决方案.doc

数据中心应用架空地板配风系统实现动态制冷的解决方案
随着信息时代的来临和迅猛发展，计算机机房的数量和规模与日俱增，IDC数据中心机房已成为各企事业单位信息系统的重要组成部分，在日常生产和管理中起着举足轻重的作用.在数据中心的不断建设，以及机房IT设备高度集成化的大趋势下,机房散热量日渐趋高现象、机房冷却及制冷系统能耗问题，及其能源效率偏差开始受到了各界强烈关注。
目前机房下送风空调系统冷热通道虽被多数机房设计者所采纳，但冷热风气流组织的短路（回流、漏流）和横向混合(旋流、涡流）现象依然十分严重。机柜冷热风短路现象如下图所示，可见热通道内的热气团分压力较高，会从机架顶部压至机架前面,而且机架的空U位也会导致热气漏流到机柜前端.

机柜间冷热风乱流后果可见下图所示,这会造成为数众多机房的IT机架上半部分处于热气团的包围之中。
又如下图所示机房高架地板内线槽等阻挡送风的障碍物也堵塞了冷气的输出,导致机架供应冷气风量风压严重短缺.

而机房内冷气回流和漏流主要是由于下送风机房空调为负压回风，机房中出现纵向的冷热气流短路现象均为送风侧向回风侧短路,送风流量的短路率可以达到30～50%.气流短路造成了精密空调不得不提高标称工况制冷量30～50％的设计余量，造成用户一次投资的巨大浪费;同时普遍出现了空调机组运行过量、机房“过度冷却”的现象，造成运行费用居高不下，这些现象在中、高密度机房中尤为明显。而且由于气流短路，空调系统输送风量有必要加大用以补充短路部分的风量（在主机增加的同时机房内风机总体输送的风量业已经相应加大),机房空调的送风机也因其24小时运行，造成一台空调机组中的风机每年实际耗电量并不亚于机组的压缩机电耗.
近期数据中心机房行业又呈现了如下的新特点：
为了更加节省IDC的土建、或是用户的楼宇租赁费用，一些大型化、高密度化、数据大集中的IDC和云计算中心越来越普及。但是高密度化服务器机房的散热问题也越来越难解决。
出现的主要问题是：
1。 机房不再是按照平均分布散热量kw/m2进行设计计算的，而是按照每机柜kw/rack来计算散热负荷。
2。 因此现有机房多数存在气流组织不理想；
3。 由于服务器机柜散热量并不均匀，出现大量单个或几个机柜的局部热点；
4。 高密度服务器的广泛应用使机房局部热点问题更加突出，局部温度过高;
5. 由于机房空调布置的问题，机房远端、中心部位和边角部分出现局部热点；
综上介绍的诸点原因，现代的计算机机房采用传统均匀制冷设计模式的精密空调系统会呈现出能耗巨大，PUE值居高不下的状况。
而机房局部热点问题并非只局限于高密度机房，在中密度甚至低密度机房也经常出现.例如传统的程控交换机房，因空调摆放于机房一侧，也会出现远端的局部热点。
在以往的设计中按室内设定温度20~24℃时,机架功率在15KW，风量在 4000到5000m3/h 的情况下,一个机架散热的红外热像分析图和机柜冷却/散热分析如下图所示，从中可见高架地板的冷却效果会受地板开孔和空调送风影响巨大。

针对上述难题，解决方案应遵循的技术路线是针对机架散热负荷(kw/rack）的不同而进行精确送风、按需冷却，以满足数据中心每个机架的动态制冷需求。
我们的解决方案是采用在机房局部增加风机强制通风的配风地板来满足机房热点冷却需求；解决了局部热点后,继而就可以避免机房过度冷却，通过提高空调设置温度来减少空调机组的运行数量和供冷量，最终达到机房节能的效应。
配风地板单元（ADU），是数据中心机房空调系统送风气流组织的一种远端辅助部件，用于将空调机组所产生的冷量(冷气流）强制的配送到IT机架的前面板进气口处,以解决传统空调系统送风方式的不足、尤其是能够满足高功率密度机架的散热需求。配风地板单元的应用如下图模拟所示。
下送风机房空调
高密服务器机柜
热气团能够按理想路径回流到空调
形成冷风幕

IDC数据中心机房红外/正风压测控配风地板系统是我们根据对机房专业知识多年的深度理解和经验，针对用户数据中心进行了详尽的气流分析、模拟和实际应用研制开发的.其极其明显的改善了机柜前端的送风冷却效果,解决了高热密度（虚拟机、刀片服务器)负荷的散热差以及机房局部热岛效应的难题；并有相应空调节能效应.
    传统的地板下送风的气流组织方式,已经无法解决高密度机柜的制冷需求。随着IT技术的发展,机柜功率越来越大，需要的配风风量也相应的增加.但是,地板下送风存在两个瓶颈：地板下送风截面积和地板的出风口有效出风面积。为了解决地板下出风口的截面积瓶颈,目前铺设的地板越来越高,普遍需要架设到600mm以上.但是地板出风口的面积已经达到了极限,而孔板通风率不可能达到100％；增加每机柜拥有的通风地板数量又须增加机房面积。所以，地板下送风的平均分布气流组织方式，目前只能满足每机柜4KW以下的功率密度要求。 至此业界内绝大多数下送风机房的地板送风风压也仅有2～5Pa,甚至还有许多的送风风压为负压区域（受流体力学伯努利原理所限）的机架，以至不能安置高负荷的设备。
    目前，我们的配风地板单元机由高通风率的风口地板、强制送风机、红外温度传感器、静态/动态送风风压传感器以及群控软件系统等组成，单元机的尺寸与标准地板相同，现场安装时只需在有需求的机柜前替代原来的地板即可.
数据中心机房安置了配风地板系统可以产生的优势是:
1、能彻底解决机柜局部过热问题,提高主机设备运行环境的安全性；
2、通过提升回风温度,提高空调制冷效率，有效节省机房空调系统能耗；
3、可提高IT设备的机柜容积率和出租率,减小耗能PUE值，增效降耗;
4、令老机房经过技改焕发新的生机，可大幅节省新机房建设的投资；
配风地板系统在机房技改应用中,可规避与现有机房行业和消防规范有抵触的新型方案所产生的复杂、危险等弊端.譬如可以避免出现采用冷(热）通道封闭技改方案而造成的工程浩大，施工不便,运维麻烦,以及消防隐患等问题;可避免采用APC行间制冷或是艾默生Libert XD制冷技术方案所出现的气流组织混乱,造价高，工程实施复杂,建设周期长，需专业维护等问题；可避免冷冻水(液态冷媒)型空调技术方案应用于重要机房所出现的漏水和消防等安全性问题。
配风地板单元机样式如下图所示:
配风地板单元运行状况如下图所示：

红外/正风压配风地板在IDC机房中的适用状况如下图所示:
配风地板系统功能特点：
* 模块化设计,可以任意放置，使用灵活,可针对机房技术改造项目和新增服务器负荷的机柜单独设置；
＊ 机房采用地板下送风方式,配有高强度防静电地板及高流量风口;
＊ 送风效率为100％，冷热风短路率为0％（在IT机柜进气口端面形成冷风幕);
＊ 机房空调的选型可完全根据服务器冷量选配，无需设计余量人为的放大；
* 采用配风地板智能群控系统，可与IT机柜的进风口红外温度+机柜PDU耗电量+芯片SPEC利用效率控制系统联动;
* 可以根据IT设备及服务器运行情况，从0—100%分段调节输送的风量及风压，送风风压保证50％功率段的运行即可满足IT机柜顶部的冷却，可满足虚拟机和刀片服务器满配载应用；
* 在冷通道上使用,减少冷通道尺寸和占地面积,增加装机密度和机柜有效利用面积；节约机房建设面积及业主投资；
＊ 提高机房送风准确度及送风效率,能效比节约显著，经过精确的现场规划设计、参数设定后不会出现机房内靠近空调机组前端的IT机柜送风量过高、时间过长导致后端机柜送风较弱而产生不可估测的过热现象；
＊ 与配风地板智能群控系统联动的机房空调机组，可满足动态按需制冷的功能，达到智能化节能运行,可令空调机组运行数量减半，机房耗电大幅下降25~45%。
＊配备冗余设计的高效长寿型直流PWM调速型风机,便于调整机组送风风量、风压；
＊ 每台总风量峰值>2800m3 /h,送风风压高于65Pa，开启部分风机即可满足机柜上部冷却需求；
* 单台重量<25kg，方便搬移;
红外/正风压测控配风地板突出特点:
＊ 标准型配风地板装置尺寸600x600x175mm，超薄型600x600x100mm，而且对地板架设最低高度要求仅150mm（此亦包括了地板下吸气空间）,可满足绝大多数现有下送风机房的环境应用和改造；
＊高通风率通风板风口为碳钢承重风口，承载〉1400kg；
* 单/双向可调角度百叶风口，可满足冷通道内两侧分布的机柜双向45～90º送风;
*对原有机柜无需进行任何改装和接触(机柜背面无需安置排风感温探头)，安全可靠,移动灵活方便，适合于新建和已运行的项目以及应用的临时调整需求;
* 简洁的机柜进风口红外温度+送风温度（送风风压）探测控制模式,参数采集无误，冷却迅速;可控制IT机柜进气口的气流温度控制在22±2℃之内、进气口冷气流速控制在0.3m/s左右、送风风压控制在10Pa左右。
* 配备原装进口的红外辐射温度、送风温度、风压传感器,部件均安装在高通风率地板风口的内部；
＊ 可实现集中监控的电脑控制器,具备RS485联网监控接口和开放的通讯协议；
＊ 完备的报警功能,并配备消防、远程紧急关断接入点；
＊ 直流型风机具有完备的过流、过载、漏电保护功能，具体功能如可以分别关断各个风机中超过堵转电流2。5A的过载风扇的供电,检测超过30mA漏电电流的机组断电保护，可将电机短路漏电事故防患于未然,并绝不会造成对供电电源的造成冲击等等；
* 配备照明型开关及保险,具备来电自启动功能；保证配风地板供电、维修关断时对UPS电源无浪涌、对网络无闪断等干扰；
＊ 配有完备的防静电地板工作地与机组保护地绝缘隔离的措施。
＊ 可选配标准全钢地板和不同高度复合木地板以及面板花纹、颜色等规格产品。
IDC机房红外/风压测控配风地板主要使用功能
1、红外线测温功能：
红外线测温探头连续探测机柜表面温度,探测温度稳定可靠,满足机架内设备或局部区域对温度控制要求。
2、风机调速功能:
根据红外线测温探头探测的机柜设备进风口或局部区域温度，自动调整IDC机房红外/正风压测控配风地板的风量和风速.
3、风压差设定功能：
IDC机房红外/风压测控配风地板具有风压差设定功能，可通过人机界面设定风机进出端的压差和配风地板送风风压，自动控制风机的风速、风压.
4、远程通讯功能：
标准RS485接口。
5、报警功能：
⑴风机故障报警；
⑵风压报警；
⑶红外线传感器故障报警；
⑷ 温度传感器故障和超高送风温度报警;
⑸ 通讯故障报警；
⑹ 火警或远程紧急关断。
6、配风地板型号与技术规格：
名称
智能控制红外标准型配风地板装置
智能控制红外型直流风机配风地板装置
智能控制红外/风压直流调速型配风地板装置
集约分布式集中监控系统
型号
HJ—DAF—1（200/4S)
标准型为四个交流风机
HJ-DAF—2（175/4DC）
标配为四个直流风扇
HJ-DAF-3（200/2EC）
标配为2个进口EC调速风机

单位
台
台
台
套
外形尺寸
600＊600＊175H（mm)
600＊600＊100H（mm）
600＊600*110H（mm)
一线20点以上
送风量M3/h
2800（峰值)
2400（峰值）
3000(峰值）

送风风压Pa
65(峰值）
50（峰值）
峰值75（风压变频调节）

可输出制冷量
10KW（折算峰值）
8KW（折算峰值）
15KW（折算峰值）

额定电压
220v/50Hz
220v/50Hz
转+48VDC
220v/50Hz变频+48VDC
EC调速

额定功率 W
230(峰值)
200（峰值）
280（峰值)

额定电流 A
0.9
0。8
1.6

最大输入电流
10 A
10 A
10A

颜色
浅白面板/黑色机箱
浅白面板/黑色机箱
白面板/黑色机箱

1) 本系列产品适用于电子信息机房高热密度负荷之散热点区域，与下送风机房空调系统、防静电地板组合送风冷却机柜内设备负荷.
2) 手动型配风地板通过手动设置风机分档的启/停；标准型配风地板通过红外/送风温度的探测、红外/正风压测控型配风地板通过红外/风压探测来自动控制风机分档启/停及调速，实现配风地板送风冷却/风压+风量的精确调节.标准型控制器版本即可通过集中监控系统采集区域内周围表面平均红外温度、并进行各个配风地板分布、集约式群控以及与空调系统联动。
3) 配风地板可由导流板于±45～90°的范围内调整，令吹风导向机柜前端面板.
4) 目标负荷红外温度探测方向可微调。
5) EC风机调速型可通过PWM微调电路调整地板的送风风压，以保证达到地板出风口正风压达到10Pa以上，令各个机柜上部送冷风风速达到0。2m/s以上的效果。
6) 每个配风地板共有2～4台AC220V/50Hz。外转子风机/DC48V直流/PWM调速型EC风机；应用于高热密度负荷(譬如满载的刀片服务器)的需求可选配高风压型风机，则单个配风地板最大风量可达4000M3/h(对应的机柜散热量最大可达25KW)。
7) 具备紧急关断的蓝色LED显示灯开关，正常时开/关会令LED灯亮灭；其供电与配风地板机组电源输入保险联动，其处于开启、LED灯常亮时意味外界电源输入正常，其处于开启而LED灯灭意味机组电源输入保险熔断。
8) 具备火警关断输入；风机过流自恢复保险动作并报警；集中监控RS485输出端子及群控软件系统;手/自动设置功能.
配风地板单元+群控软件系统如能与诸如深圳共济科技推广的机房温度仿真、冷池管理以及中国电信推广的机房空调自适应恒温恒湿控制节能监控技术等群控系统联动，可达到《数据中心空调系统应用技术白皮书》所推荐的—动态冷却智能监控系统之效果。即实现可对数据中心机房空调的压缩机、滤网、风机、加热器、加湿器、去湿器、通风装置等部件的运行状态和参数进行监测，一旦有部件发生故障，系统会自动报警，并根据情况设定空调机组运行参数，并可进行启动、关机控制。对于重要的参数，可作曲线记录，使管理人员对空调的状况有全面的了解。联动的配风地板系统采用智能控制可根据制冷量需求自动调节通风量大小，空调再根据计算机负载情况自动调节送风量，以达到对冷却系统的动态智能监控以及大幅节能的效应.甚至可以达到类比惠普散热区域映射（HP Thermal Zone Mapping)散热控制组件和动态智能冷却系统（Dynamic Smart Cooling———DSC）解决方案，应用于大小不同的机房可节能20~45%的效应.
应用系统案例如下图所示。
从以上论述可得出结论————采用本项技术原理若应用于机房空调领域、对比现有技术可降低约30％的能耗;或通过采用以上自动控制模式而确定的空调系统装机能相应降低约23%以上的装机容量。
配风地板系统的具体应用案例请见后附的《某某移动机房送风冷却系统技术改造报告》相关内容.
HCCT-CRAC Version 2。0 No。12/01
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