1、數據中心機房提高裝機容量和降低空調能耗的研究 中國電信上海公司 彭 偉 杜 秋 鐘志鯤 丁 濤簡述 數據中心占地面積大，能耗大，運營商往往迫于市場壓力就大手大腳，不計成本。其實數據中心挖潛的余地很大，在有限的機房里使裝機容量最大化和使空調能耗最小化就是重要的研究方向。一、一、 提高機房裝機容量的研究1、機房最佳布局的推算為了進行一般的討論，我們設定機架及其內部設備都是前后兩面可維護，這樣建立的模型即可滿足所有設備在機房布局時的通用性。設：D為機架寬度，H為機架深度， A為一排機架的架數，B為機架排數，P為走道寬度，N為機架總數，L為機房長度，Z為機房寬度。此時則有： N=A*B (1) 圖1

2、一般機房機架排列圖圖1表示這種尺寸設備的等效布局圖。對于給定的機房，機架的總數N和過道寬度P一般是常數。數值P應根據過道標準來選擇，它不應小于對應設備（服務器）維護的尺寸。這樣房間寬度Z=(A*D+2P)，而長度 L=B*(H+P)+P。其乘積就是房間的面積，即：S=L*Z= B*(H+P)+P *(A*D+2P) (2)在不同的機房中，由于A和B不是常數，而且其決定于機架尺寸和房間的大小（空調安裝空間和所占面積除外），所以房間的面積S是數值A和B的比例函數：如果按B對方程（3）進行微分并使其等于0，則函數S可達到最小：由此可推出：如果將所得的方程代人方程(2)并對它進行換算，則可以獲得安裝N

3、臺設備所需的最小面積：我們也可以將方程(7)化算成(8)，這一公式表明：當機架尺寸和過道大小給定時，某區域的機架數量N與機房最小面積的關系符合：從上述方程可以得出，用于IDC的機房房間尺寸，其最佳的長度L應是其寬度Z的2倍，而且它們的比例與設備的尺寸、數量和其過道的大小無關。結合目前通用的機房專用空調的送風特性在最大風量和標準余壓下，其最佳的送風距離一般不超過1516m，考慮空調機組的厚度1m和2P的過道，可推算出機房最佳的寬度約為18m，最佳的長度則為36m。由此我們可推算出最佳的機房單元應為：18m*36m=648m2。其配套的UPS等電力系統區域約為機房區域的1/2，故IDC機房的最佳建

4、設單元面積約為1000m2。我們可以通過如下的數據實例證明上述結論的正確性：假設IDC區域總面積約為650m2、H=1m、D=0.6m、P=1.2m、空調厚度為1m的條件下，在不同的長和寬的條件下其可容機架的數量為：（1） 當S=18m*36m=648m2：A=25、B=16、N=400；（2） 當S=26m*26m=676m2：A=34、B=11、N=374；（3） 當S=14m*46m=644m2：A=17、B=20、N=340；2、排機架數A與排數B的最佳比例q 的研究在機房中，設定q=A/B。為方便研究機房的容積率，我們把設備所占面積設為Ss，房間總面積設為Sz，其比值設定為k，即：k

5、=Ss/Sz。現在我們研究q、k對S最佳的影響與關系：對上式，我們將A和B以其最佳值代入，從而可得K最大：對于目前常規的IDC機房來說，其機架尺寸基本確定，即：D=0.6m、H=1.0m，P=1.11.2m。則有：Sz=（A*D+2P）*B*(H+P)+PSz =(0.6A+2.2)*(2.1B+1.1) (11)；根據所引用的q=A/B的關系和已知A*B=N的關系可得出：將A與B代入(11)式中可得：Sz =0.6*(N*q)1/2+2.2*2.1*(N/q) 1/2+1.1 (12)；如果把給定值D、H和P代入（10）式中來探討相關的方案，我們選擇從1500個機架在不同布局方式下的Sz與q

6、的數據表（表1），可得其曲線圖解關系式（圖2），從曲線圖可以看出，q的最佳值同設備臺數N與面積Sz無關。圖2：機架數N與最佳占地面積m2及對應q的關系曲線表1：機架數N與最佳占地面積m2及對應q的關系數據表機架數105080100150200250300350400450500500S最佳(m2)q=1/3062 173 239 280 378 470 558 645 729 812 893 974 974 q=125 89 133 162 232 302 371 439 507 574 641 708 708 q=2047 148 212 252 350 443 534 622 710 79

7、6 881 966 966 在實際中，如果利用B最佳和A最佳的公式并以通用式求出q最佳，而該值并不決定于所安裝的設備數量N，而取決于設備的尺寸和通道的大小。另外，在IDC機房中根據目前19標準服務器的實際安裝需求，我們通常將機架寬度H設定為標準值D=0.6m，而根據不同服務器需求的維護面積和通風量的差異，一般選H=1.01.1m，而為保障機架的方便進出，選走道寬度PH+0.1m，由此可得出如下曲線圖3，它證明了隨著P值的增大，所需的機房最小面積也隨之明顯增大。圖3：過道尺寸P不同時機房最小面積與機架數量N之間的關系曲線 因此，在工程中走道P值要合理，不能隨意放寬，機房機架成排設置和擴容， 這樣

8、所占用的走道最少，而且專用空調無論上下送風對著走道方向輸送冷風，氣流組織可達到最佳狀態。3、最大填充系數k的研究根據式（9）、（10）所示，我們現研究填充系數K的變化規律。此處取常規參數H=0.6m、D=1.0m、P則分別取1.1m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m等不同數值見下表（表2），對應的K最大值的變化規律曲線見圖4。圖4：當P為不同時，其機架數量與Kmax值的特性曲線表2 不同走道寬度下的K值機架數N102030405060708090100Kmax P=1.10.230.280.300.320.330.340.350.360.360.37Kmax P=1.20.21

9、0.260.280.300.310.320.330.330.340.35Kmax P=1.40.180.220.250.260.270.280.290.300.300.31Kmax P=1.60.160.190.220.230.240.250.260.270.270.28Kmax P=1.80.140.170.190.210.220.230.230.240.250.25Kmax P=2.00.120.150.170.190.200.210.210.220.220.23機架數N150200250300350400450500550600Kmax P=1.10.380.390.400.410.41

10、0.420.420.420.420.43Kmax P=1.20.360.370.380.390.390.390.400.400.400.40Kmax P=1.40.320.330.340.350.350.360.360.360.360.37Kmax P=1.60.290.300.310.320.320.320.330.330.330.33Kmax P=1.80.270.280.280.290.290.300.300.300.300.31Kmax P=2.00.240.250.260.260.270.270.280.280.280.28從圖4曲線特性可知，在N=1，K最小和N，K最大條件下，所有

11、方案的K最大是按直線規律改變的，并具有一個與某些機架的數量相適應的急劇上升段。圖4中P=1.1m、1.2m的方案時最合理，其合理性隨著P的增大而變差，特別是在機架面積填充系數較小的情況下。4、 結論：(1) 新建機房時，選擇長度是寬度2倍的房間，做IDC可達到最佳布局的房間形式，考慮維護需求長36m和寬18m的房間是建設IDC機房的最佳單元；其配套的UPS等電力系統區域約為機房區域的1/2，故IDC機房的最佳建設單元面積約為1000m2。(2) 沿垂直房間長邊方向成排布置機架，是最合理的；空調向架間走道方向組織冷風通道是最佳路由。(3) 每行機架數與行數的最佳比例只決定于機架尺寸(D和H)和過

12、道大小P值。最小占地面積和最佳比例式分別遵守公式（8）和(13)；(4) 當房間的尺寸不合適時，必須按下式進行面積的最佳計算，即：S=(A*D+2P)B(H+P)+P，此時所需的面積可以大于最小值。二、 降低機房空調能耗的研究在實際應用中，滿足每個機架所需的空調風量和冷量是我們研究的目標。下面我們先來研究機房的氣流結構，機架的氣流分布及其特性，從中找到降低機房空調能耗的對策：1、地板下氣流分布時風口的定性分析對于采用架空地板的下送風系統來說，任何一個有風口的地板斷面，其能量在地板起點（空調出風口）和終點（地板出風處）的平衡方程為：Pn=P0+(/2g)*(v12-vn2)-P (14)式中：P

13、n、P0地板的終點和起點的靜壓；V1、Vn氣流在地板空間中不同段斷面上的速度；、g 氣流的比重和重力加速度；P由于氣體動力阻力，壓力在地板長度1、2、3n段上的總消耗；我們將方程（16）演變為下式：Pn=(P1-P) +(/2g)*(v12-vn2) (15)方程（15）表明了，加在地板終端斷面上的靜壓：一方面由于速度的降低（即，動能變成勢能）而增大，另一方面又因部分氣流能量消耗在克服阻力上而減小。因此，氣流在地板下整個長度上的分布決定于靜壓的改變，即靜壓因氣流流速(/2g)*(v12-vn2)的降低而引起增高，同時還包含阻力P的大小變化。分析上述數值的比例關系可知，決定氣流分布的有三種可能情

14、況：第一種情況：(/2g)*(v12-vn2) =P (16)式(16)的特點是靜壓梯度（因氣流流速的降低）與因空氣動力阻力造成的總損耗相等。即：靜壓是恒定的且完全消耗在克服阻力上。因而，空氣在地板整個長度上的分布也是一個常數（如圖5，實線1）；第二種情況：(/2g)*(v12-vn2)P (17)式(17)表明的特點是靜壓因氣流流速的降低而引起的增值超過了因空氣動力阻力造成的總損耗。因而，靜壓和空氣的分布在地板終端前增大（如圖5，實線2）。由于他們的比例關系，地板的幾何尺寸和阻力大小，在地板的起點可能形成負壓，它導致空氣不是經過地板起點的風口排出，而是吸入（如圖5，虛線2）。這樣，當地板長度

15、較短和氣流分布阻力較小時，位于氣流流程上的前若干個機柜將得不到冷卻；第三種情況：(/2g)*(v12-vn2)P (18)式(18)表明的特點是：因氣流流速的降低而引起的靜壓增值小于因空氣動力阻力而造成的總損耗。此種情況中，在地板整個長度上的靜壓降低到某最小值之后，在地板終端處又增大（如圖5，曲線3）。造成這些變化的原因是，由于長地板終端處的氣流速度的急劇降低而使阻力減小，從而導致靜壓的某些恢復，在地板的起點產生與此相反的現象。這一方案只有在地板很長和氣體阻力很大時才有可能實現。在實踐中，這些數值的不正確，將可能使最后一些機柜的靜壓恢復不夠和冷量不足。圖5：壓力在整個地板長度上靜壓的可能變化曲

16、線（1氣流在活動地板上的均勻分布；2、3決定于風道終端靜壓的增大和減小而定的氣流在活動地板整個長度上的分布；）從上述分析可知，對于氣體動力的計算，在于確定通過各臺機架的風口的幾何尺寸和地板開口尺寸，以保證提高（或恢復）每個風口處的靜壓，滿足設備分配所需的冷風量。在對任何一種情況進行計算時，送入整個機房地板空間的風量、通過機架底部或旁邊風口的風量、氣流分布的固定截面尺寸和機柜的空氣動力阻力都是給定的。2、機架的氣流組織氣流組織對數據機房是非常重要的，能合理組織氣流，不僅能利用空調將環境控制在最佳狀態，還能使空調處在最合理的運行工況，對節能也很有益處。(1)、約束氣流和自由氣流空氣的流動有2種基本

17、形式，一種是約束流，即在有限空間內被強制按照人為規定的路徑流動，例如風管內的氣流，機架內的風道；另一種是自由氣流，例如上送風系統中的射流。在計算中心機房中，約束流的計算方便，氣流利用率高（不容易形成呆滯區），在冷卻設備時應首先考慮此種方式。自由氣流在對環境冷卻中可以應用，由于其有較好的彌漫性，對控制環境溫、濕度有很好的作用。約束流計算：主要是計算氣流需求量G和通流截面積S。 G = Q/h （19）其中：Q為設備熱量（kw）；h為冷卻空氣的焓差（kJ/kg） S = G/v （20） 其中：G為空氣需求量（m3/h）；v為控制風速（m/s）(2)、同程氣流和異程氣流圖6 同程氣流和異程氣流的區

18、別 同程系統是指每股氣流流經的距離都基本相等，異程系統是指氣流流經的距離不同。對于同程氣流，由于流過的距離相同，所以阻力基本平衡，這樣可以保證每股氣流的均勻分布。異程系統由于各股氣流的阻力不同，如： 同一機架內有刀片服務器和其它各類服務器，所以氣流分布也是混亂的。其分布特點非常象電路，阻力大的氣流小，阻力小的氣流多，即氣流也喜歡選擇阻力小的通路。(3)、氣流短路和送風擴散氣流短路主要是存在短路路徑，例如空調出風口和回風口太近且無物理阻隔，就會造成空調機氣流短路，又如在機架中，進風的前腔和排風的后腔的水平空間中沒有隔板，也會造成冷氣不經過服務器而直接短路到排風。氣流短路還可能發生在前后沒有良好隔

19、絕的服務器排風和進風口。短路的氣流是有害的，沒有按照規定的路徑帶走熱量，只是空循環。另外，在實踐中，我們對送風擴散做過測試，選擇前面板開孔的機架，測量進風速度、排風速度和機架內參考點溫度，然后將面板封閉，在其他工況完全的情況下，數據有明顯差異。實驗條件前風口風速后風口風速參考點溫度面板封閉情況下3.5-4m/s面板開孔情況下上表說明，在面板開孔情況下，由于送風無效擴散到環境中，沒有用于冷卻服務器，相當于冷風短路，冷卻效果下降。(4)、機架內風阻力計算和布局 機架內布局一般是前部設進風腔體，后部設排風腔體。由于服務器的深度一般為5070cm，機架深度一般為110cm，所以前腔體建議深度為1520

20、cm，后腔體深度為30cm以上。以前腔體的通風截面為20cm*60cm，可視為風管，則通風面積為0.12m2，以2.2kw的機架負荷，需要的風量可以通過公式（19）計算，大約為1800m3/h，折合0.5 m3/s，即風速4.2m/s，查比摩阻數據得單位長度摩擦阻力為2Pa/m，以2.2m長度計算，沿程阻力為4.4Pa，流經服務器本應有局部阻力，但由于其內部風扇存在，可以認為風阻為0 Pa。如果風量增加，機架內的阻力將會大幅增加，如風速達到8m/s時，沿程阻力將上升到9.9 Pa，此時能耗上升。 由于前腔體的壓力大于環境，所以要求前面板必須封閉，以防止氣流從孔洞逃到環境中，而不是流經服務器。前

21、腔體的壓力也大于后腔體，所以不安裝服務器的U位上也應安裝假面板，以防止氣流直接從前腔體流到后腔體。 對于后腔體，有2種處理方法：一是后面板開孔，使服務器排出的熱氣很容易排放到走廊里（熱通道）。二是后面板完全封閉，在機架頂部開排風口并安裝頂風扇，風扇的風量應大于機架的計算風量，經驗為計算風量的1.5倍左右。(5)、機架內氣流分布結構及熱交換的計算一般情況下，一臺常規的服務器設備在自身風機作用下，吸入足量的空調冷風，排除含有設備所散的熱能，其溫差約為11。IDC機房平均下進風溫度約18、濕度在標準內，忽略相關影響因素的情況下，其設備的出風溫度約為29，為此，合理的設計風口位置及其尺寸、氣流量和氣流

22、壓力，來保證機房氣流能夠在各個區域內均勻足量分布，這便是我們機房氣流組織設計的目標。現以機架為對象，研究其熱交換參數需求，設定各參數如下：Q：機架容積為1.32m3；C：空氣的密度1.29kg/m3；J：空氣的比熱1.4 kJ/kg·；P:機架功耗（KW）；T1：平均機架下進風溫度18；T2：機架出風口溫度29；n：機架熱交換次數（次/h）；：熱交換系數取0.7；S架：機架截面積0.6m2；S入：每機架的有效進風口面積（m2）；：電熱轉換效率取0.8；V1：機架進風口氣流速率（m/min）；V2：機架內氣流速率（m/min，不計重力和摩擦，自架底而頂設其流速恒定）；由熱交換平衡公式：

23、n×Q×C×J×(T2- T1)×=×P×860kcal×4.2kJ/kcal；則有：n=157*P （21）由n×Q÷60=V1×S入=V2×S架可建立機架功耗P、機架進風口面積S入、進風口氣流流速V1、機架內氣流流速V2等參數關系式：S入×V1=0.6 V2 =3.46P 或 V2=5.76P （22）從（22）式可知，對于特定的機架而言，其所需的進風口面積與氣流流速的乘積僅與該機架的能耗有關，當負載恒定時，其為定值，相應關系符合曲線圖（圖7）：圖7 機架功耗P、出風口截面、氣流速率的函數曲線圖對于一個特定的下送風結構的IDC機房來說，其專用空調系統的額定冷量和風量為定值，其機外余壓（即送風速率，和機外余壓呈線性關系）與其有效出風量的乘積接近一定的反函數特性曲線（見圖8）。圖8 某專用空調風量與余壓關系一般情況下，在滿足最大風量的前提下，結合上述分析過程，我們可在保證最大風量需求的基礎上，根