1 机房环境简介
　　
　　R区机房面积约为264平方米(22m×12m),层高4.4m,架空地板高度为0.8m,机房内安装了69套机柜,分成7列,组成4个冷通道;配置10台机房精密空调,单台制冷量约为78kW(送回风温差为10℃时)。采用冷通道地板送风,开孔率约50%。
　　
　　2 机房环境问题分析
　　
　　(1)R区机房整体环境温度偏低
　　
　　由于年久失修和运维不善,R区冷通道并未现完全的冷热隔离,冷风可以轻易泄露至热通道。冷通道平均温度为19℃,热通道平均温度25℃,冷热通道温差在6℃左右。
　　
　　(2)冷热资源分布不均,存在局部热点
　　
　　虽然热通道平均温度只有25℃,但是部分区域如D列热通道会出现热点,温度超过35℃左右。而对于低功耗3、4号冷通道,冷量超过需求,机房内冷热资源分布不均造成浪费。图1给出了机柜顶部温度图3D模拟图。
　　
　　(3)总供给远大于需求
　　
　　通过使用CFD软件对4个冷通道所需要的风量和冷量与实际的风量和冷量进行对比,发现空调所提供的风量和冷量远远大于设备所需,具体数值比较请见表1。
　　
　　通过数据分析,我们得出结论:现有机房总供冷富余,局部分布不均,存在改造优化的空间。可以通过一些改造和运维措施优化气流组织,实现节能降耗。
　　
　　3 项目改造
　　
　　根据机房整体评估和分析,提出以下改造方案:首先,对机房冷空气输送各环节涉及到的硬件通道做封闭,即冷通道封闭;其次,通过逐步调整机房空调运行模式,实现气流组织优化,扩大冷热通道温差,实现冷气资源的充分利用,提高空调运行效率,达到节能减排的目的。改造施工以机房环境安全运行为前提,采用循序渐进,即时观测,逐步改进的方式进行,在改造施工过程中及时记录相关的机房环境参数的变化情况。
　　
　　(1)冷通道封闭
　　
　　冷通道封闭工程的主要目标是确保冷通道的封闭性,主要工作包括四项:①安装盲板;②安装防火布;③安装底板;④维修更换顶板。具体的改造措施如表2所示。
　　
　　(2)机房气流组织调试
　　
　　冷通道封闭改造施工结束后,冷通道内风量和冷量供应明显增大,冷热交换效率显著提高,冷热通道温差逐步加大,机房气流组织调试、空调运行模式调节的条件已经初步具备。通过CFD软件模拟,并经过实践验证得出了两套可行的空调运行模式。制定了秋冬和春夏不同季节下空调运行模式的轮换方案以及不同空调运行模式下空调机组设备的轮换方案。
　　
　　①空调运行模式季节轮换方案
　　
　　通过实际调试观测,经过CFD软件模拟和分析,我们发现:空调“7+3”运行模式可以满足上海地区春夏季节下R区机房的环境需求;空调“6+4”运行模式可以满足秋冬季节下R区机房的环境需求。不同季节下空调运行模式轮换方案如表3所示。
　　
　　通过理论模拟与实际测量发现:RK01与RK02,RK04与RK05,RK09与RK10可以形成互补工作机组,机组可以轮换工作;RK03、RK06、RK07、RK08无互补机组,实行24小时工作模式,制定了以周为单位进行轮换的机制。若四台无互补机组的空调遇到检修,则将其相邻两台空调机组打开。具体如表3所示。
　　
　　4 改造效果
　　
　　R区机房改造施工以及空调运行模式设定完成后,机房环境、空调运行工况和空调能耗有了很大的改观。项目改造效果显著,主要体现在机房环境冷热资源分布更趋合理,空调运行效率明显提高,空调能耗大幅下降等几个方面。本节将从机房环境、空调效率和机房设备能耗等三个方面对改造效果进行详细分析。
　　
　　(1)机房环境效果分析
　　
　　为了更加直观地观察项目改造前后的效果,本项目采用CFD软件对机房环境进行模拟和分析。该软件通过对机房空调运行工况、气流组织、冷热分布等参数进行模拟,绘制出平面和3D模拟图,作为分析和解决机房环境问题的依据。模拟过程主要步骤是:建立物理模型、生成计算网格;根据测量的机房环境参数(空调、冷通道、温度等)设定边界条件;数值求解,输出数据参数和可视化报告等。本报告中所引用的模拟图表均来源于该软件。
　　
　　①温度分布对比
　　
　　项目改造前后,分别对机房环境温度进行了观测和记录。从图2和图3可以看出机房内环境温度和气流组织方式明显改变。改造前,机房整体环境温度较低,冷热通道温差相距较小,冷热通道混风严重,存在局部热点。改造后,机房整体环境温度明显上升,冷热通道边界清晰,温差显著扩大,机房内冷热资源分布相对合理。
　　
　

　②风量分布对比
　　
　　通过将地板出风口处的风速参数输入到CFD软件中,模拟出冷通道内风量供需比分布图。改造前的能耗较大的2个冷通道(1号和2号冷通道),风量供应较低;而对于低功耗的3号和4号冷通道,风量供应较大。R区机房10台空调全开的额定最大送风风量为242,000CMH,实际模拟和分析所需风量仅为102,279CMH,供应风量远大于实际所需风量。
　　
　　改造后,完全满足高功耗的1号冷通道风量供应;2号冷通道风量供应整体充足,虽然部分区域风量略有不足,但不影响冷通道整体风量供应;低功耗的3号冷通道供应充足;4号冷通道风量供应略有富裕,通过调节检测地板的出口,可调节风量供给。
　　
　　通过对比改造前后冷通道内风量供需比模拟图,可清楚发现改造后冷通道风量供给充足并且更加均匀,也更加合理。
　　
　　(2)空调运行效率分析
　　
　　通过将空调运行参数(包括送风温度,回风温度,风速等)输入到CFD软件中,通过软件模拟和分析可以计算出空调运行效率,进而对比改造前后空调运行效率的变化。
　　
　　在空调“6+4”运行模式下,空调总制冷量与改造前几乎不变,完全可以满足机房的制冷需求;空调送回风温度差由6.7℃变为10.3℃,有了明显扩大;单台空调制冷功率由49.5kW升为82.5kW,空调制冷效率大大提高。
　　
　　(3)机房能耗效果分析
　　
　　①改造一年内节能
　　
　　本节将对项目改造前后近两年相同月份的空调能耗进行对比分析。我们设定上海地区每年的天气都一样,由此,比较了2018年度与2017年度同期的空调能耗,得出表4所示的数据。我们用2018年度的空调能耗减去2017年度的空调能耗,负值则表示2018年度低于2017年度的能耗值,正值则表示高于,表中单位为kWh。与此同时,我们监测在此期间IT设施的功耗运行平稳(见表5)。
　　
　　

5 结束语

从表4和表5可以明显看出:
　　
　　①2017年7月至2018年11月期间IT设备能耗非常平稳,IT设备能耗波动对空调设备能耗的影响微乎其微;
　　
　　②2018年3～7月份改造效果最为明显,每个月都能节省2万kWh以上的能耗;
　　
　　③(3)2018年8～10月,能耗节约量逐渐下降直至10月份基本持平,这主要因为改造项目是2017年8～10月实施的;
　　
　　④(4)2018年2～7月的6个月时间里同比2017年累积节能超过13万kWh,全年累计节节省能耗约30万kWh。
　　
　　作者简介
　　
　　高福义,2013年复旦大学物理系毕业,2013至今在国家计算机网络与信息安全管理中心上海分中心从事数据中心建设和运维管理工作。
　　
　　编辑：Harris