数据中心电力电池室局部热点的优化改造

王 青，张建雪

（中国移动通信集团内蒙古有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

目前，随着数据中心设备安装的功率和密度的不断增加，机房带载量上升，空调设备存在布局不合理、送风方式不当等问题，导致电力电池室存在不同程度气流组织不合理，局部过热现象，尤其是安装高压直流、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）设备的电力电池室，高压直流、UPS设备故障率升高，同时空调能耗也比较高。数据中心电力电池室局部过热已经成为当下突出的问题，电力电池室内原有的空调系统已经不能满足现阶段的使用需求。

1 电力电池室制冷现状和存在问题

目前，大型水冷数据中心电力电池室的空调基本采用冷冻水型精密空调，按照N+1设置，空调采用风帽上送风的方式，将空调冷风吹至空调正前方，机组自回风，摆放在电力电池室同侧的两面。

由于冷冻水型空调摆放位置不均匀（仅靠近房间一侧），空调远侧区域的气流组织较差，导致房间冷热分隔明显，室内热点现象明显，就近空调附件的温度基本上保持在20～25 ℃，离空调较远的环境温度达31 ℃以上，部分高压设备、UPS设备壳体温度达45 ℃以上，内部模块及电容温度达50～70 ℃，此现象夏季尤为明显。

1.1 电力电池室制冷现状

以中国移动呼和浩特数据中心为例，一期建成投产3栋机房楼，每栋机房楼有6间电力电池室，空调均采用风帽上送风形式。电力电池室空调分布如图1所示，现场空调配置和工艺负荷情况见表1，空调设备参数见表2[1]。

表1 电力电池室空调配置和工艺负荷情况表

表2 空调设备参数

图1 电力电池室空调分布情况

由以上可知，目前数据中心电力电池室现有空调提供的冷却能力远大于设备制冷需求。但是由于空调摆放在机房两侧，存在局部气流死角，没有形成很好的气流组织，机房仍存在局部过热现象。目前电力电池室通过开启所有空调解决这一问题，这不仅导致空调运行能耗高，而且无法解决房间的局部过热，增加了电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值，同时还限制房间的安装率。

1.2 电力电池室制冷存在的问题

现机房电力电池室精密空调全部运行，设定空调出风温度为20 ℃，设定湿度为50%，阀门开启度为100%，风机运行最大频率为100%，实际空调运行的出风温度、回风温湿度见表3。

机房电力电池室平面分布如图2所示，高压直流设备、UPS设备机柜间的通道由左至右依次为列R1～R7，表4为电力电池室实际测量设备列R1～R7的环境温度值。

表4 电力电池室实际机柜进风温度表（单位：℃）

图2 电力电池室平面分布

总体上，电力电池室现有空调提供的冷却能力远大于设备制冷需求。但从实际的测量结果可以看出，电力电池室整体环境温度较高，存在几处局部过热点，且电力电池室高压直流设备、UPS设备机柜的列间温度较高。

按照 ASHRAE（美国采暖、制冷和空调工程师协会）的机房设计规范，1类机房设备进风温度推荐值为 20～25 ℃，最高不能超过 32 ℃。机房设备进风口温度超过25 ℃，设备运行温度过高会导致设备寿命缩短、故障及性能恶化等。送风气流不足或温度过高，不能有效带走设备热量都会产生热死点。

1.3 电力电池室局部热点原因分析

1.3.1 上送风空调的局限性

电力电池室的精密空调为上送风，送风距离较短，冷量到达的区域较小，气流衰退的速度较快。在没有障碍物的情况下，上送风空调一般的送风距离在5～8m。空调的冷空气不能有效地到达设备的终端区域[2]。因此，设备的某些终端区域的温度过高。

1.3.2 设备布局不合理

电力电池室现有空调末端均布置在机房两侧，没有形成“面对面、背靠背”相互隔离的冷热通道，使前设备的热量进入后设备的进气口侧，造成设备局部过热。同时，导致冷热空气混合，严重浪费冷量[3]。

2 整体改造方案

为了解决电力电池室局部过热现象，通常是通过增加空调来解决，但数据中心因安装条件限制，部分区域无法安装空调设备。同时增加空调也会增加设备成本，后期需要对空调进行维护，增加空调用电，同时占用机房空间面积。为此，本文提出了采用送风管道的精确送风方案。

精确送风方式就是空调通过可控风道将制冷风量送至通信设备，空调送出的冷量和风量与通信设备的热量交换，降低空调无效部分的制冷功率。解决局部热点问题，达到节能降耗的效果。精确送风工作原理如图3所示。

图3 精确送风工作原理

精确送风方式的核心是气流组织的优化，在收集设备排出的热量和为高压直流、UPS设备提供冷量的过程中，尽量消除或减小机房内冷热气流的混合，从而有效降低高压直流、UPS设备的温度，达到节能的目的。精确送风优点如下文所示。

（1）冷量按需分配。经过精确送风改造后，直接送风可以确保热量输出大的设备得到有效冷却，减少热量输出小的机柜的送风量，防止能源浪费。

（2）防止冷热混合。精准送风，能合理控制柜内的气流，防止柜内排出的热风短路，有效避免冷热空气混合损失。

（3）降低空调设备空间占比。在无新增空调末端的情况下，不仅降低机房实际空调空间比例，降低了设备上方通道和空间的温度要求，同时确保了设备的正常运行。

3 精确送风改造实施

本项目对风帽上送风空调系统进行改造，首先应对空调出风风压进行核实确认，精确送风改造空调机外余压约为200 Pa。改造前由原空调生产厂家对现有空调机组出风风压进行核对调整，以满足风管送风要求。此外，也可以对空调机组室内风机进行更换，达到风管送风要求。

3.1 精确送风系统

精确送风系统改造具体实施方法为改空调机组送风风帽为静压箱，并把所有空调机组静压箱并接贯通，在静压箱上引主送风管至各机柜列间，在机柜正面上方加装二次静压箱（空调主风管送风至二次静压箱），通过二次静压箱上设置的可调节风口（每个机柜上方）将空调冷风直接送入机柜进风区域，进而对机柜内的设备直接进行冷却。精确送风示意如图4所示。

图4 精确送风示意

3.2 系统的布置

针对现有数据中心电力电池室存在的局部过热现象，通过精确送风改造，合理布置机房的配风，将冷空气有效地输送到设备区域，使冷量均匀分布，降低电力电池室的能耗。

为了更好地减少拆卸原吊架的工作量，更均匀地分配风量，考虑采用二次静压箱形式的精确送风[4]。

空调原有的送风方式为风帽上送风，改为静压箱送风，来自空调的冷风进入静压箱，然后通过干送风管、送风支管、二次静压箱等部件传送到各个机架前。静压箱送风方式示意如图5所示。

图5 静压箱送风方式示意

3.3 风管的设计

（1）风管设计的基本任务：确定风管形状、选择风管的尺寸，计算风管的压力损失。

（2） 风管压力损失= 沿程损失+局部损失。

（3） 风管有圆形风管与矩形风管。

圆形风管强度大、耗材少，但加工工艺复杂、占空间大、不易布置得美观，常用于暗装[5]。

矩形风管易布置，部件尺寸较小、易加工矩形风管宽高比宜小于6，最大不应超过10[6]。

（4）矩形风管的弯管部分应尽量使用较大的曲率半径（风管中心线处的曲率半径）。常用的曲率半径为R=1.5 b。

（5）通过矩形风管的风量计算公式为

式中：a、b分别为风管断面净宽和净高；v为风速，m/s。

（6）通风系统风管压力损失计算公式为

式中：Pm为单位长度风管的摩擦压力损失，Pa/m；L为到最远送风口的送风管总长度加上到最远回风口的回风管的总长度；K为局部压力损失与摩擦压力损失的比值，弯头三通少时取K=1.0～2.0，弯头三通多的场合取K=3.0～5.0[7]。

改造后的电力电池室如图6所示。

图6 改造后的电力电池室

3.4 性能要求

（1）送风量要求：精确送风能精确控制每个机柜的送风量，送风量需满足单个机柜的最大功耗要求。

（2）静压箱风速要求：为保证送风效果，静压箱前面送风口的风速应该控制在2～3 m/s。

（3）风道风速的要求：为了保证送风效果，主风道送风风速应该控制在9 m/s以内。

（4）送风口要求：应在0～12 m/s风速范围内进行0%～100%开度调节。

（5）防火调节阀要求：应具备手自动开启/关闭，可在0～12 m/s风速范围内0°～90°无级调节。

4 效果分析

中国移动呼和浩特数据中心电力电池室自2021年7月实施精确送风改造后，解决了局部热点问题，下面从改善环境、节约能耗2个方面进行分析。

4.1 改善环境

通过精确送风改造后，电力电池室整体平均环境温度下降3 ℃，无局部热点，高压直流设备、UPS设备温度较改造前得到明显改善，电力电池室环境温度保持在24.5 ℃，完全满足设备最佳工作环境的温度需求。

4.2 节约能耗

中国移动呼和浩特数据中心机房某电力电池室实施精准送风改造后，实现了电力电池室“先冷设备后冷环境”，电力电池室空调整体设定出风温度提高了4 ℃，风机运行最大频率降为50%，改造后电力电池室空调运行参数如表5所示。

表5 改造后空调运行参数设定表

电力电池室精确送风改造后进行参数调整，风机运行功率减半，每月电力电池室空调电量节省近9 137.25 kW·h，节约能耗约40%，改造前后空调每月耗电量对比如图7。

图7 改造前后空调耗电量对比图

5 结 论

绿色节能是数据中心运营和维护的目标。电力电池室经过精确送风改造后，气流分布合理高效，冷风直接输送至高压直流设备、UPS设备内，直接冷却室内设备，从而提高冷量利用率，达到节能降耗的效果。同时，在数据中心机房的建设过程中，绿色节能环保的新设计不仅可以避免资源浪费，还可以提高机房的制冷效果，使设备运行在高效稳定的环境中。

建议从设计源头规划设计机房的节能，建设节能、高效、绿色的数据中心，本方案对类似机房的优化改造也具有积极的指导作用。