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數據中心空調系統節能改造
文章作者:中測信通 發布時間:2019-07-03 09:02 點擊: 次

  1 機房環境簡介

  R區機房面積約為264平方米(22m×12m),層高4.4m,架空地闆高度為0.8m,機房内安裝了69套機櫃,分成7列,組成4個冷通道;配置10台機房精密空調,單台制冷量約為78kW(送回風溫差為10℃時)。采用冷通道地闆送風,開孔率約50%。

  2 機房環境問題分析

  (1)R區機房整體環境溫度偏低

  由于年久失修和運維不善,R區冷通道并未現完全的冷熱隔離,冷風可以輕易洩露至熱通道。冷通道平均溫度為19℃,熱通道平均溫度25℃,冷熱通道溫差在6℃左右。

  (2)冷熱資源分布不均,存在局部熱點

  雖然熱通道平均溫度隻有25℃,但是部分區域如D列熱通道會出現熱點,溫度超過35℃左右。而對于低功耗3、4号冷通道,冷量超過需求,機房内冷熱資源分布不均造成浪費。圖1給出了機櫃頂部溫度圖3D模拟圖。

  (3)總供給遠大于需求

  通過使用CFD軟件對4個冷通道所需要的風量和冷量與實際的風量和冷量進行對比,發現空調所提供的風量和冷量遠遠大于設備所需,具體數值比較請見表1。

  通過數據分析,我們得出結論:現有機房總供冷富餘,局部分布不均,存在改造優化的空間。可以通過一些改造和運維措施優化氣流組織,實現節能降耗。

  3 項目改造

  根據機房整體評估和分析,提出以下改造方案:首先,對機房冷空氣輸送各環節涉及到的硬件通道做封閉,即冷通道封閉;其次,通過逐步調整機房空調運行模式,實現氣流組織優化,擴大冷熱通道溫差,實現冷氣資源的充分利用,提高空調運行效率,達到節能減排的目的。改造施工以機房環境安全運行為前提,采用循序漸進,即時觀測,逐步改進的方式進行,在改造施工過程中及時記錄相關的機房環境參數的變化情況。

  (1)冷通道封閉

  冷通道封閉工程的主要目标是确保冷通道的封閉性,主要工作包括四項:①安裝盲闆;②安裝防火布;③安裝底闆;④維修更換頂闆。具體的改造措施如表2所示。

  (2)機房氣流組織調試

  冷通道封閉改造施工結束後,冷通道内風量和冷量供應明顯增大,冷熱交換效率顯著提高,冷熱通道溫差逐步加大,機房氣流組織調試、空調運行模式調節的條件已經初步具備。通過CFD軟件模拟,并經過實踐驗證得出了兩套可行的空調運行模式。制定了秋冬和春夏不同季節下空調運行模式的輪換方案以及不同空調運行模式下空調機組設備的輪換方案。

  ①空調運行模式季節輪換方案

  通過實際調試觀測,經過CFD軟件模拟和分析,我們發現:空調“7+3”運行模式可以滿足上海地區春夏季節下R區機房的環境需求;空調“6+4”運行模式可以滿足秋冬季節下R區機房的環境需求。不同季節下空調運行模式輪換方案如表3所示。

  通過理論模拟與實際測量發現:RK01與RK02,RK04與RK05,RK09與RK10可以形成互補工作機組,機組可以輪換工作;RK03、RK06、RK07、RK08無互補機組,實行24小時工作模式,制定了以周為單位進行輪換的機制。若四台無互補機組的空調遇到檢修,則将其相鄰兩台空調機組打開。具體如表3所示。

  4 改造效果

  R區機房改造施工以及空調運行模式設定完成後,機房環境、空調運行工況和空調能耗有了很大的改觀。項目改造效果顯著,主要體現在機房環境冷熱資源分布更趨合理,空調運行效率明顯提高,空調能耗大幅下降等幾個方面。本節将從機房環境、空調效率和機房設備能耗等三個方面對改造效果進行詳細分析。

  (1)機房環境效果分析

  為了更加直觀地觀察項目改造前後的效果,本項目采用CFD軟件對機房環境進行模拟和分析。該軟件通過對機房空調運行工況、氣流組織、冷熱分布等參數進行模拟,繪制出平面和3D模拟圖,作為分析和解決機房環境問題的依據。模拟過程主要步驟是:建立物理模型、生成計算網格;根據測量的機房環境參數(空調、冷通道、溫度等)設定邊界條件;數值求解,輸出數據參數和可視化報告等。本報告中所引用的模拟圖表均來源于該軟件。

  ①溫度分布對比

  項目改造前後,分别對機房環境溫度進行了觀測和記錄。從圖2和圖3可以看出機房内環境溫度和氣流組織方式明顯改變。改造前,機房整體環境溫度較低,冷熱通道溫差相距較小,冷熱通道混風嚴重,存在局部熱點。改造後,機房整體環境溫度明顯上升,冷熱通道邊界清晰,溫差顯著擴大,機房内冷熱資源分布相對合理。

  ②風量分布對比

  通過将地闆出風口處的風速參數輸入到CFD軟件中,模拟出冷通道内風量供需比分布圖。改造前的能耗較大的2個冷通道(1号和2号冷通道),風量供應較低;而對于低功耗的3号和4号冷通道,風量供應較大。R區機房10台空調全開的額定最大送風風量為242,000CMH,實際模拟和分析所需風量僅為102,279CMH,供應風量遠大于實際所需風量。

  改造後,完全滿足高功耗的1号冷通道風量供應;2号冷通道風量供應整體充足,雖然部分區域風量略有不足,但不影響冷通道整體風量供應;低功耗的3号冷通道供應充足;4号冷通道風量供應略有富裕,通過調節檢測地闆的出口,可調節風量供給。

  通過對比改造前後冷通道内風量供需比模拟圖,可清楚發現改造後冷通道風量供給充足并且更加均勻,也更加合理。

  (2)空調運行效率分析

  通過将空調運行參數(包括送風溫度,回風溫度,風速等)輸入到CFD軟件中,通過軟件模拟和分析可以計算出空調運行效率,進而對比改造前後空調運行效率的變化。

  在空調“6+4”運行模式下,空調總制冷量與改造前幾乎不變,完全可以滿足機房的制冷需求;空調送回風溫度差由6.7℃變為10.3℃,有了明顯擴大;單台空調制冷功率由49.5kW升為82.5kW,空調制冷效率大大提高。

  (3)機房能耗效果分析

  ①改造一年内節能

  本節将對項目改造前後近兩年相同月份的空調能耗進行對比分析。我們設定上海地區每年的天氣都一樣,由此,比較了2018年度與2017年度同期的空調能耗,得出表4所示的數據。我們用2018年度的空調能耗減去2017年度的空調能耗,負值則表示2018年度低于2017年度的能耗值,正值則表示高于,表中單位為kWh。與此同時,我們監測在此期間IT設施的功耗運行平穩(見表5)。

 

  

 

  5 結束語

  從表4和表5可以明顯看出:

  ①2017年7月至2018年11月期間IT設備能耗非常平穩,IT設備能耗波動對空調設備能耗的影響微乎其微;

  ②2018年3~7月份改造效果最為明顯,每個月都能節省2萬kWh以上的能耗;

  ③(3)2018年8~10月,能耗節約量逐漸下降直至10月份基本持平,這主要因為改造項目是2017年8~10月實施的;

  ④(4)2018年2~7月的6個月時間裡同比2017年累積節能超過13萬kWh,全年累計節節省能耗約30萬kWh。


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