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机房封闭冷热通道节能应用实用技术

 

1、统机柜排列现状和对机房节能的影响

        数据中心机房中传统机柜排列方式一般可列为如下几种:1、机柜列相向排列,后列机柜的前门对着前一列机柜的后门,即机柜列的前门向着同一个方向;2、机柜列相对排列,即两列机柜的前门对着前门或后门对着后门,每两列机柜组成一个相对排列的组合;3、机柜混合排列。

        我们知道,对于开放式机柜其前后门均为通风网孔门,前门的通道为进风通道即为冷通道,后门为排风通道即为热通道,机房精密空调送出的冷风从机柜的前门吸入,冷却设备后的热风从机柜的后门排出再回到精密空调,由此完成空调气流的循环,达到冷却耗电设备的目的。但是以上传统机柜的排列由于没有对机柜的冷热通道进行隔离,而造成冷热气流紊乱,存在着有些区域冷热气流短路现象,即由空调送出的冷气流没有去冷却设备就与热气流混合而回到空调,有的机柜前门吸入的是对面机柜后门排出的热气流,使得该机柜内设备冷却不好等等不良的气流运行现象。

        由于机房中传统机柜排列没有对冷热气流进行有效遏制措施,从而形成大量的冷热气流短路现象、机柜冷却不均现象,有的机柜过渡冷却,有的机柜散热不良甚至过热宕机,造成空调冷气流利用率低,空调耗电量增加,空调运转时间延长等现象,不利于机房安全运行,不利于机房节能减排。

 

2、封闭机柜冷热通道有利于节能减排

        对于使用开放式机柜的机房来说,采用封闭机柜冷热通道技术可以有效降低机房的耗电量。机房封闭通道技术措施主要有封闭冷通道、封闭热通道和冷热通道同时封闭三种情况。

2.1封闭冷通道

        封闭冷通道就是建立冷池。

2.1.1封闭冷通道原理

        首先,我们应采用“冷热通道”的设备布置方式合理的排列机柜,一般来说就是把每两列相邻的机柜列面对面的排列,机柜的正面对着正面,机柜的正面装有通风网孔门,是机柜内用电设备的进风面,其中间的人行通道即为冷通道。我们把冷通道封闭起来就叫做封闭冷通道,就是建立了冷池;机柜的背面也装有通风网孔门,是机柜内用电设备的排风面,机柜内耗电设备靠排风风扇把热风排到热通道。

        这里介绍两种封闭冷通道:

        第一种封闭冷通道的机房是常见的典型节能机房,机房采用下送风上回风精密空调,冷池的地面采用通风地板,两边为相对排列的机柜前门,两端开门方便人员进出,顶面为自动翻板消防天窗。平时正常运行时门和天窗均处于关闭状态。

        第二种封闭冷通道的机房采用上送风下回风精密空调,冷池的顶面采用送风管道送风,在送风管的底面设有送风风口,送风管构成冷通道的顶面,在水平送风管中部设置自动翻板消防天窗。两边为相对排列的机柜前门,两端开门方便人员进出。平时正常运行时门和天窗均处于关闭状态。

        我们把由两列面对面排列的封闭冷通道的机柜叫做双列机柜冷池节能模块,一个机房里可以有n个这样的节能模块;由单列机柜组成的封闭冷通道的机柜叫做单列机柜冷池节能模块,一般用于只有一列机柜的机房或奇数列机柜机房在配双列机柜冷池节能模块后剩下的单列机柜。

 

2.1.2封闭冷通道的气流组织

        第一种封闭冷通道的气流组织是:由精密空调送出的冷风通过地板下冷风静压箱从冷池内的通风地板送出来,冷风聚集在冷池内,只能通过机柜正面网孔门进入机柜,一般IT设备的前面设有进风口,后面设置风扇排风口,冷却设备后的热气流从机柜背部网孔门排到热通道,热通道是开放的,热通道的热气流在受空调顶部回风口负压吸引下回到空调回风口,经过空调冷却后其冷风再从下部送风口送入地板静压箱,如此完成气流循环。

 

 

        第二种封闭冷通道的气流组织是:由精密空调送出的冷风通过空调顶部的冷风静压箱从水平送风管道底部的送风口送入冷池,冷风聚集在冷池内,只能通过机柜正面网孔门进入机柜,一般IT设备的前面设有进风口,后面设置风扇排风口,冷却设备后的热气流从机柜背部网孔门排到热通道,热通道是开放的,热通道的热气流在受空调下部回风口负压吸引下回到空调回风口,经过空调冷却后其冷风再从上部送风口送入空调顶部的冷风静压箱,如此完成气流循环。

冷池起到汇聚冷气作用,能防止冷气无效发散而损失,能有效防止冷热气流短路,使空调送出的冷风只有通过机柜内发热设备交换热量后才能从热通道回到空调,使得机房内冷热气流有序循环,使整个机房气流、能量流流动通畅。

 

2.1.3封闭冷通道的节能效果

        采用封闭冷通道技术措施的机房能大大提高精密空调制冷效率,有效降低PUE值。除此以外,由于精密空调耗电量和机械磨损的下降,精密空调自身发热量也下降,从而延长了精密空调的使用寿命;由于机柜内IT设备能够更均匀更有效地散热,从而提高了IT设备的使用寿命,使系统运行的更加安全可靠。

2.1.4封闭冷通道的应用

        封闭冷通道一般应用于采用机房精密空调制冷的的低密机柜机房;也可应用于以低密机柜为主设有部分中密或高密机柜的机房,这种机房在采用机房精密空调制冷的同时适当增加行间精密空调叠加制冷或其他增强局部冷风量的技术措施。

2.2封闭热通道

        封闭热通道就是建立热池。

2.2.1封闭热通道原理

        首先,我们应采用“冷热通道”的设备布置方式合理的排列机柜,一般来说就是把每两列相邻的机柜列背对背的排列,即机柜的背面对着背面,机柜的背面装有通风网孔门,是机柜内用电设备的热风排风面,其中间的人行通道即为热通道。我们把热通道封闭起来就叫做封闭热通道,就是建立了热池;机柜的正面也装有通风网孔门,是机柜内用电设备的进风面,机柜内耗电设备靠排风风扇把热风排到热通道。

        这里介绍两种封闭热通道:

        第一种封闭热通道是常见的典型节能机房,机房采用行间精密空调,行间精密空调穿插在机柜列中排列,送风方式是前面平行送风,后面平行回风,两边为相对排列的机柜后门,两端开门方便人员进出,顶面为自动翻板消防天窗。平时正常运行时门和天窗均处于关闭状态。

        第二种封闭热通道的机房采用下送风上回风机房精密空调,冷通道的地面采用通风地板,热池两边为相对排列的机柜后门,其两端开门方便人员进出,顶面采用回风管道回风,在回风管的底面设有回风风口,回风管构成热通道的顶面,在水平回风管中部设置自动翻板消防天窗。平时正常运行时门和天窗均处于关闭状态。

        我们把由两列背对背排列的封闭热通道的机柜叫做双列机柜热池节能模块,一个机房里可以有n个这样的节能模块;由单列机柜组成的封闭热通道的机柜叫做单列机柜热池节能模块,一般用于只有一列机柜的机房或奇数列机柜机房在配双列机柜热池节能模块后剩下的单列机柜。

2.2.2封闭热通道的气流组织

        第一种封闭热通道的气流组织是:由行间精密空调前部把冷风送到开放的冷通道,冷风平行进入机柜前门,冷却设备后的热气流从机柜背部网孔门排出到封闭热通道,热空气聚集在热池内,只能通过行间精密空调背部的回风口回到行间精密空调,经过行间精密空调冷却后其冷风再从空调前部送风口送出,如此完成气流循环。

 

        第二种封闭热通道的气流组织是:由机房精密空调送出的冷风通过地板下冷风静压箱从开放的冷通道的通风地板送出来,冷风通过机柜正面网孔门进入机柜,冷却设备后的热气流从机柜背部网孔门排到热通道,热通道是封闭的,热气流通过热通道顶部的回风管底面回风风口进入回风管道,在受空调上部回风口负压吸引下回到机房精密空调回风口,经过空调冷却后其冷风再从空调下部送风口送入地板静压箱,如此完成气流循环。

        热池起到汇聚热气流作用,能防止热气流无序发散到机房空间而提高冷通道冷气流的温度,能有效防止冷热气流短路,使空调送出的冷风通过机柜内发热设备交换热量后只能从封闭热通道顶部的回风管才能回到机房精密空调,使得机房内冷热气流有序循环,使整个机房气流、能量流流动通畅。

2.2.3封闭热通道的节能效果

        采用封闭热通道技术措施的机房能大大提高精密空调制冷效率,有效降低PUE值。除此以外,由于精密空调耗电量和机械磨损的下降,机柜内IT设备能够更均匀更有效地散热,从而延长了设备的使用寿命,使系统运行得更加安全可靠。

2.2.4封闭热通道的应用

        封闭热通道一般应用于采用行间精密空调制冷的的高密机柜机房;也可应用于以低密机柜为主设有部分中密或高密机柜的机房,这种机房在采用机房精密空调制冷的同时适当增加行间精密空调叠加制冷或其他增强局部冷风量的技术措施。

2.3同时封闭冷通道和热通道

        同时封闭冷通道和热通道的机房一般采用行间精密空调制冷,这种双通道封闭式机房模块独立性强,对内部配置强电暖通消防等支持设备要求高,对室内安装场所大环境的条件要求可以比单独封闭冷通道和单独封闭热通道的情况要低,由于实际使用少,这里不进行详细讨论。

 

3、典型封闭冷热通道的结构和形式

3.1封闭冷热通道的一般结构

       这里以常用典型的双列机柜冷池节能模块机房为例进行结构分析,其主要组成部分如下图示意:

 

        常用典型的双列机柜冷池节能模块机房主要由机柜列、通道门、门框、门头隔断、通风风口地板、柜顶金属板隔断和型钢支架、通道顶面玻璃窗和窗框、桥架等设备和部件组成,机柜的数量每列一般不超过18台,其中包括一台电源列头柜和一台网络列头柜,双列机柜面对面对称排列;两列机柜之间的维护通道为冷通道,冷通道地面铺设通风风口地板,每台机柜前面铺设一块600mmX600mm的风口地板,冷通道的宽度为1.2m;冷通道的两端为通道门,冷通道门一般采用金属框架防火玻璃门结构,门上装有门禁电子锁管理控制人员的进入,门可以为自动开关门,也可以为手动开关门,可以为单开门,也可以为双开门,可以为推拉门,也可以为平开门,消防联动时门禁电子锁自动打开,满足人员逃生要求;门的上方设有门头隔断,门头隔断由金属板隔断和型钢支架构成,门头隔断能挡住模块机房顶部的天窗和桥架电缆等部件,有利于模块机房整齐美观;可以在门头隔断上或在推拉门的门套上的合适高度设置监控屏幕,提高模块机房的智能监控能力;冷通道的顶面为自动翻板消防天窗,天窗采用金属框架防火玻璃窗,每台机柜间距之间设置一个天窗,天窗支撑在窗框上,窗框上设有门磁或电动开关窗机构,使天窗具有与消防联动自动打开、满足消防气体能快速进入冷池的功能,天窗可以根据机房净高度条件设置成单开窗或双开窗,单开窗天窗与双开窗天窗比较其冷通道的高度要高一些,这是由于单开窗在开启时由关闭时的水平位置翻转到垂直位置时所占空间高度较大,天窗的玻璃应透光性好,以有利于冷通道外机房上方的照明灯光射入冷池内;装设门磁机构的天窗消防联动时能自动打开,但要手动关闭,装设电动开关窗机构的天窗既能自动打开也能电动关闭。为确保天窗打开时窗扇垂直翻转后其底边与地面之间有足够的安全高度,在天窗的两边机柜列的顶部与天窗列窗框之间设置金属板隔断,以提高天窗的架设高度,满足人员维保空间高度要求和提供人性化舒适空间。

        冷池的门和天窗采用防火玻璃是为了最好地满足消防要求,如采用双层保温式中空防火玻璃和采用保温式金属板隔断则更有利于节能,但增加了投资成本。通常冷池的颜色与机柜颜色一致。

        在冷池的天窗下部两边金属隔断上可平行设置两排冷池应急智能照明灯光,人进入冷池时自动打开,离开时自动关闭,既能在正常时补充冷池照度,又能作为应急照明使用。在冷池的顶面适当位置窗框上还可设有冷池温湿度模块、烟感模块、摄像头等,以提高冷池模块机房智能化水平。

 

3.2封闭冷热通道的一般形式

        针对机房内遏制冷热气流的封闭通道模块机房一般有三种典型形式:

3.2.1、第一种形式为双列机柜冷池(或热池)节能模块

        两列机柜相对排列布置,中间为封闭冷通道或封闭热通道,两边为开放式热通道或开放式冷通道,封闭通道的两端为金属框防火玻璃门,顶部为满足消防联动功能自动翻板的金属框防火玻璃消防天窗。

3.2.2第二种形式为单列机柜冷池(或热池)玻璃隔断式节能模块

        一列机柜布置,封闭冷通道或封闭热通道的两侧的一边是机柜列,另一边采用金属框防火玻璃隔断,通道两端为金属框防火玻璃门,顶部为满足消防联动功能自动翻板的金属框防火玻璃消防天窗。这种形式由于封闭通道的一边采用了玻璃隔断封闭,所以通透性好,外形美观,方便运维人员工作。

3.2.3第三种形式为单列机柜冷池(或热池)靠墙封闭式节能模块

一列机柜布置,封闭冷通道或封闭热通道的两侧的一边是机柜,另一边靠墙封闭,通道两端为金属框防火玻璃门,顶部为满足消防联动功能自动翻板的金属框防火玻璃消防天窗。这种形式由于封闭通道的一边靠墙封闭,所以能节省投资。

下图为封闭冷通道或封闭热通道节能模块机房的布置效果图:左图为单列机柜冷池(或热池)靠墙封闭式节能模块,中图为双列机柜冷池(或热池)节能模块;右图为单列机柜冷池(或热池)玻璃隔断式节能模块。

 

4、封闭冷热通道的特点

4.1模块化

        对于机柜冷池或热池节能模块从整体上看,不论是双列机柜冷池(或热池)节能模块还是单列机柜冷池(或热池)节能模块,都具有典型的模块化特性,在一个机房空间里,可以根据需求放置N个模块,也可以分期投入。

        从机柜冷池或热池节能模块内部组成上看,一个机柜冷池或热池节能模块除了两个门以外,消防天窗和两边柜顶封闭隔断都是以机柜宽度为单元的模块化部件,是与机柜配套安装的,可以随着机柜数量需求的增减而同步增减。另外,封闭通道的各个部件也是以模块化标准而定制的,有利于现场安装。

4.2智能化

        机柜冷池或热池节能模块封闭通道的顶部天窗能够在接受消防联动信号时迅速打开,使得机房消防灭火气体能够及时进入冷通道或热通道灭火;封闭通道的两个门的门禁锁在接受消防联动信号时能迅速开启,以便人员逃生;封闭通道的顶部装有温湿度传感器、消防烟感、摄像头、智能照明传感器等,温湿度传感器能实时检测封闭通道内的温湿度状况,消防烟感在检测到封闭通道内烟雾火灾时能及时把信号上传消防控制模块启动消防报警和消防联动,摄像头能够实时检测封闭通道内的物体图像或红外图像,智能照明传感器能智能控制封闭通道内的照明。另外机柜冷池或热池节能模块还保留了机柜内部的动环智能监控功能。

4.3安全性

        封闭通道的门、顶部天窗和玻璃隔断材质均为钢结构或铝合金结构和防火钢化玻璃组成,柜顶隔断为钢结构或铝合金结构组成,不易燃不助燃,符合消防要求;封闭通道的门设有门禁锁,能有效管理和控制人员的进入;封闭通道内的照明灯能在事故断电时点亮,为工作人员事故处理提供应急照明;还有消防天窗和门禁锁与消防联动等功能,都有力提高了机柜冷池或热池节能模块的安全性。

4.4稳定性

        机柜冷池或热池节能模块的封闭组件是根据现场机柜布置精心测量定制,与机柜紧密结合,稳定性高,使用寿命长。

4.5快速实施性

        机柜冷池或热池节能模块的封闭组件一般采用量体定制,实施模块化设计、标准化生产,现场模块化组装,施工快捷,特别有利于运行中机房的节能改造。

4.6有利于机房节能减排

        根据浩德科技试验机房检测,封闭冷通道比传统机房可节能达8%。封闭热通道比传统机房可节能达10%。

 

作者简介:吕纯强,浩德科技副总工,高级工程师,中国计算机用户协会机房设备应用分会专家委员会委员。本文发表于《机房技术与管理》。

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