IDC机房节能技术探讨

【摘要】本文结合IDC机房特点，对IDC机房能耗问题进行分析，介绍了几种实现IDC机房节能的技术，重点对如何通过优化空调系统以及气流组织实现IDC机房的节能进行探讨。

【关键词】IDC；节能；空调系统；气流组织

1.引言

IDC（Internet Data Center)，即互联网数据中心，它基于INTERNET网络，为政府、互联网内容提供商（ICP）、企业、媒体和各类网站提供大规模、高质量、安全可靠的专业化服务器托管、空间租用、网络批发带宽以及ASP、EC等业务[1]。

其中设备用电、变压器以及供电系统、空调制冷系统这三部分能耗占了IDC机房能耗95%以上。根据中国电信节能技术蓝皮书所载，一般机房内芯片级主设备1W的功耗会导致总体耗电量达到2.68-2.84W，而其中机房空调冷却系统的耗电量约占机房总能耗的40%。另外设备用电占IDC机房能耗40%左右，其余占IDC机房能耗20%左右。

由上述分析可见，我国IDC机房能源利用效率较低，与世界水平存在很大差异。

3.IDC机房节能技术分析

3.1 节能思路

IDC机房能耗过大一直无法解决存在多种因素，这要求在建设IDC机房时或者对原有IDC机房进行节能改造时不仅需要根据IDC机房的特点对其各种能耗进行有针对性的建设方案，同时需要全面考虑，保证IDC在能源利用率以及经济效益方面能达到双赢目的。

3.2 IDC机房基本节能技术

一般的，针对目前IDC机房各种主要能耗，有以下几种基本方法：

(1)采用低能耗的设备

现代科学技术发展迅速，设备的集成度越来越高，单位设备的性能以及容量均比几年前翻了两番，但是其能耗上升却不大，在选择设备时，完全可以采用低能耗高容量的设备代替原有高能耗低容量设备。设备用电占IDC机房能耗的比重最大，在设备选用时，结合数据中心等级标准按需购置、按需扩容原则，采用低能耗高性能高扩展性设备，能在一定程度上降低机房能耗。

(2)选用合适的供电方案以及供电设备

一般IDC机房采用冗余供电系统，由于供电系统自身存在一定损耗，从单纯的经济角度考虑，冗余的供电系统纯粹在浪费能源。而且供电系统能耗占比随着设备用电量的下降而上升，特别是UPS系统，在IDC机房投产初期，供电系统能耗占比甚至可达20%。为了降低供电系统的能耗，必须根据设备的等级以及客户的等级对IDC机房内的用电设备进行有效合理的区分，制订相应的供电方案。如部分等级较低客户或者设备，可降低其供电系统的保障程度，提高机房能源利用率。

目前IDC机房供电主要使用UPS设备，UPS设备损耗较大，谐波较多，容易造成供电系统的二次污染。另外现有交流设备均需经过2次交流转直流的变换才最终到设备端，这无形中增加了供电系统的能耗。近年来，我国在不断推广240V高压直流系统，用以代替传统的UPS系统。据相关厂家测试，对比传统UPS系统，高压直流系统总效率提高在10%-20%，当电源系统负荷较低时，节能效果会更加明显。目前江苏电信大规模使用高压直流系统代替传统的UPS系统，节能效果显著。

(3)合理的机房布局以及机柜散热方式

IDC机房内的发热设备和散热设备并不是一一对应的，热是通过机房内的气流带走的。不合适的机房布局以及机柜散热方式，将会造成局部‘热岛现象’，这不仅影响机房的安全，同时也降低了机房的制冷效率，进而增加了整个机房的能耗。在机房布局时，应结合空调系统，尽量将发热量较大设备均衡分布，同时应将发热量大的设备靠近空调的出风口，保证此类机柜的冷量。机房布局以及机柜散热应结合气流组织系统，如对机房进行冷热通道隔离，机柜采用下送风方式，发热量大机柜需要单独送风等，提高机房的制冷效率，降低机房的能耗。

(4)选用合适的空调系统以及气流组织系统

在IDC机房中，空调系统以及气流组织系统规划是重中之重。据美国电力转换公司APC统计数据显示，数据中心的冷却成本大约占总能源账单的50%。而国际组织Uptime Institute指出，由于数据中心机房内气流不适当，用于冷却的冷空气有60%都浪费了；数据中心的过度冷却(overcooling)差不多达到实际需求的2倍，目前多数机房存在过度冷却问题，相应的机房空调机组耗能也比设计功率增加耗电50%以上，最终造成机房居高不下的高额运行费用[2]。在美国，3年的纯能源成本消耗已经等同于设备购置成本。在欧洲，3年的纯能源成本消耗甚至已经两倍于设备购置成本。

故此选用合适的空调系统以及气流组织系统是排在第一位的最有价值的绿色计划，在下面章节将会对此进行重点分析。

4.空调系统以及气流组织系统

4.1 空调系统

空调系统从冷源来分，可分为水冷(乙二醇以及冷冻水)以及风冷，从冷量来源来分，可分为中央空调以及空调单机，从空调用途来分，可分为机房空调(也叫恒温恒湿空调)以及普通空调。

IDC机房内的各类电信设备通常散热量大，需要提供稳定而适合的温度、湿度环境，才能保证这些设备正常工作，因此与其配置的空调系统往往较一般的民用或工业用空调系统具有：送风量大、焓差小、且需要全年不间断地连续运行的特点。美国ASHRAE Handbook2007 HVAC Application[3]对IDC机房室内空调设计标准提出了具体的要求(表1)，表中设计参数为服务器等通信设备进风口处的参数，而并非IDC机房的平均参数，更不是空调系统回风口的参数。国内相关设计标准(《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）[4])也提出与表1基本相同的要求。

就机房空调以及普通空调进行对比，如表2。

为了满足要求，IDC机房必须选用机房专用空调。

机房的空调系统一般的应用方式有以下几种：

(1)恒温恒湿空调机(直接蒸发式)制冷送风方式(包括水冷以及风冷)，这适用于北方地区IDC机房；

(2)中央空调冷冻水系统加末端(恒温恒湿)空调风柜形式，这适用于南方地区IDC机房，当用于北方地区IDC机房时，冬季宜利用室外冷却塔及热交换器对空调冷冻水进行降温，空调系统可采用用电制冷与自然冷却相结合的方式；

(3)双冷源空调系统：中央空调冷却水系统加双冷源恒温恒湿空调机的空调形式，这根据机房的重要性来采用，在运营商《中国电信IDC机房设计规范》[5]中将机房分为A、B、C三个等级，此种方式适用于最高等级A类机房。

IDC机房设备集成度的提高，已经使单机架的功率大幅度提升。一般台式服务器机架功率为1.5kW，模块式服务器机架功率为5kW，现在最新的刀片式服务器机架功率高达15kW。高耗电，必然产生了高发热，因此IDC机房的空调需求量也大幅度增加。传统IDC机房一般采用风冷系统，此种系统制冷效率较差，其能效比一般在3左右，而采用水冷系统，其能效比可达14，这是全年设备满负荷运行平均能效比测算，由于水冷系统的冷却系统需要满功率运行，单机房负荷较低时，水冷系统的能效比也会随之下降，两种制冷方式在夏天对比会更加明显。一般来说，南方全年平均温度较高，空气的平均湿度也较高，更适于使用水冷系统，而在北方在夏天可采用水冷方式，冬天采用风冷方式会更加合适一点。传统的风冷系统已无法满足发展迅速IDC机房需求，在条件允许的情况下，采用水冷系统将会是一种高效的节能方式。

4.2 气流组织系统

IDC机房的热是通过机房内的气流带走的，不合理的气流组织系统将严重阻碍机房散热，影响空调的制冷效果，使机房能耗增大，甚至造成部分设备芯片过热，不能正常运行。

一般气流组织形式分为上送风下回风以及下送风上回风，下面对两种方式进行分析：

(1)上送风下回风是把空调机组处理过的低温空气通过送风口送到通信设备上部，带走通信设备和机房的热量，通过机房下部空间回到空调机组内，进行冷却降温处理，再循环使用。

优点：

1)地面无静电地板，容易清洁；

2)后期扩容方便，施工简单；

3)空调管道全部为明布，方便检修。

缺点：

1)机房送风气流组织与空气流动特性相冲突，接近机柜底部的设备就会冷量不足现象，导致发热量大的设备不能有效制冷(一般机柜底部的设备较重，而且发热量较大)，不利于设备运行；

2)上送风没有活动地板隔音，噪音较大；

3)由于机房设备布置变动时，会在原有风管增加旁路风管，加上原来位置安装有走线架、照明灯管、消防管网等，整个机房会显得比较杂乱。

(2)下送风方式是在机房空调机组底部增加底座，底座高度与机房的活动地板高度相同，然后利用风机下沉方式，将风机直接放到静电地板下面。经过空调机组处理过的低温空气，从空调机底部风机送到活动地板内，利用活动地板形成的空间作为一个静压箱，然后通过机柜底部、风口地板，进入机房和通信设备内，带走机柜内设备热量和机房的热量，通过机房上部空间回到空调机组内，进行冷却降温处理，再循环使用。

优点：

1)下送风方式是将低温空气直接从底部送到机柜内，吸收机柜内通信设备的热量后，从机房顶部回到空调机组顶部。空调风流动方向与空气特性相一致，容易得到好的制冷效果；

2)地板下的空间比风管横截面的面积要大许多，这就形成了静压箱，静电地板风压均衡，因此下送风方式送风均匀，整个机房区域的温差小；

3)有活动地板作为隔离，送风噪声相对会低一下；

4)空调管路以及电源线均在地板下面，空调位置较为灵活，机房会显得整齐美观。

缺点：

1)下送风的空调效果受到活动地板的质量、施工、维护管理多方因素的影响，会出现送风短路现象；

2)由于静电地板底部难以清理，当机房内的灰尘积累到一定程度时，就会通过冷风进入设备中，增加设备故障；

3)下送风的管道全在静电地板下面，检修较为困难；

4)当静电地板参数选取不当时，静电地板下面会出现产生风压相抵、通风地板送风量减小的现象，制冷效果明显降低。

国家标准《电子信息系统机房设计规范》GB 50174-2008规定：“当机柜或机架高度大于1.8m、设备热密度大、设备发热量大的电子信息系统机房宜采用下送风空调系统。”在IDC机房发热量越来越大的发展趋势下，采用下送风方式已经成为一种必然，但在规划时需要结合机房实际情况，趋利避弊，最大化机房的制冷效果。

5.结语

针对IDC机房的特点，结合IDC机房的具体情况，采用多种节能技术以及不断发展的新技术，如在空调中采用EC风机、将机房进行冷热通道隔离、在机房里采用单独湿膜加湿器等，将不断降低IDC机房能耗以及运营成本，提升企业的利润以及减少国家能源浪费，随着信息技术的高速发展以及全球化业务的迅速开展，IDC的机房工程未来将更加美好。

参考文献

[1]IDC机房[EB/OL].百度百科.

[2]中国绿色数据中心.分析数据中心机房PUE值偏高问题及解决方案[Z].

[3]美国采暖,制冷与空调工程师协会.DATA PROCESSING AND ELECTRONIC OFFICE AREAS[S].ASHRAE HVAC handbook,2007.

[4]电子信息系统机房设计规范[S].2008.

[5]中国电信IDC机房设计规范[S].2011.