3、解决方案
　　
　　从上述分析可知，江浦数据机房局部过热的根本原因是冷量未能精确分配、气流组织不合理。针对以上两个原因，我们的解决方案主要解决以下两个难题：
　　
　　1、如何针对各个区域合理分配冷量？在设备发热高的区域配更多的制冷量，设备发热小的区域分配较少的制冷量，最好能够做到定量分配。
　　
　　2、如何隔离服务器设备的散热气流？最好能将冷气流和热气流完全隔离，互不影响。
　　
　　经过多方探讨和研究，我们找到了一个能够很好解决上述两个难题的方案――“冷通道全封闭变风量送风方案”。该方案具体如下：
　　
　　首先我们设计一个送风器，安装在每个设备机柜的正面网孔门，由于江浦数据机房的所有机柜都是全通风的网孔门，因此可以非常方便地直接安装在网孔门上，送风器采用喷塑钢板定制成型，上端为DG200的圆形管，通过螺旋软管连接主风管，安装送风器后，机柜前门可以照常开关。空调冷风通过软管直接通过送风器送到每个机柜，可以完全隔离前排机柜热气流的影响。
　　
　　除了安装送风器，我们在每排机柜顶部的主风管上给每个设备机柜开设直径200mm的圆形送风口，每个送风口安装风阀，可以调节每个机柜的送风量。这样做到按照每个机柜的发热量，精确分配精密空调的制冷量。这样整个变风量机柜送风器三个部分组成：
　　
　　――送风器：宽390mm，厚160mm，高1700mm
　　
　　――软管：Φ200mm
　　
　　――手动/电动控制阀：Φ200mm
　　
　　变风量送风器安装示意如下图。

　　根据江浦数据机房设备机柜的发热情况，目前最大的机柜负载是3.8KVA，设备发热量=3.8KVA*0.92*80%=2.8KW。
　　
　　按照设备厂家的要求和国外设计参考，我们设计送风器风量按照800m3/h，最大风速约7m/s。
　　
　　下面我们需要计算变风量送风器的压力损失，来核算目前的精密空调是否能够满足要求。
　　
　　空气在风管内流动时的压力损失有两种形式：摩擦压力损失和局部压力损失。
　　
　　变风量机柜送风器，在送风过程中将经过以下几个部件，其各个部件的摩擦压力损失和局部压力损失分别为：
　　
　　圆形风管单位长度摩擦压力损失计算公式为：Pa/m
　　
　　管件（如三通、变头等）的局部压力损失计算公式为：Pa
　　
　　①送风支管及送风水平延长管沿程损失
　　
　　查《简明通风设计手册》圆形风管沿程摩擦压力损失线算图，得出直径200mm，设计流速为7m/s的压力损失为：3.3Pa×1.5m＝5Pa
　　
　　②铝箔升缩软管沿程损失
　　
　　查《简明通风设计手册》铝箔伸缩软管摩擦压力损失线算图，得出直径200mm，设计流速为7/s的压力损失为：5.8Pa×1.2m＝6.96Pa
　　
　　③90度弯头局部压力损失
　　
　　将有关数值代入上述公式得：6.9Pa
　　
　　④静压箱分支管局部压力损失
　　
　　将有关数值代入上述公式得：46Pa
　　
　　总压力损失为Z总＝5＋6.96＋6.9＋46＝65Pa
　　
　　现有的正方形散流器需要取消，为了便于现场安装，我们的方案是将现有的分支风管拆除，采用铝箔复合保温板重新制作送风管，将分支送风管设计成定静压的送风管。
　　
　　按照设备厂家的要求和参考美国暖通工程师协会的最新建议标准，我们对每个设备机柜的控制工艺设计如下：
　　
　　1、温湿度的控制
　　
　　我们采用送风控制模式，保证每个设备机柜的送风温湿度，按照TC9.9的建议，我们设定变风量送风器的出风温度（即送风温度）为20℃（干球温度），相对湿度为60%，每1KW设备的送风量为200m3/h。
　　
　　机柜的排风温度计算：
　　
　　查焓湿图，可以得到其含湿量d=8.83g/kg，焓h＝42.62Kj/kg。
　　
　　因为计算机房的潜热量小，设备的冷却过程可看作是等湿加热过程，每200m3/h，通过计算，可得到其出风焓值h＝57.74KJ/kg。
　　
　　查焓湿图，含湿量量d=8.83g/Kg，焓值h＝57.74Kj/Kg时的温度为：34.74℃。

　　2、设备机柜的风量分配
　　
　　我们将不同用电量的设备柜散热分为三种不同风量的供应：
　　
　　①设备柜用电量：Q1≤1KW时，分配风量为：200m3/h；
　　
　　②设备柜用电量：1KW<Q2<2KW时，分配风量为200～400m3/h；
　　
　　③设备柜用电量：2KW<Q3>3KW时，分配风量为400～800m3/h；
　　
　　根据我司在现场测试的数据，各列设备柜的总分配风量为：
　　
　　C排＝13×200＝2600m3/h
　　
　　D排＝3×200＋8×400＋1×800＝4600m3/h
　　
　　E排＝9×200＋4×400＝3400m3/h
　　
　　F排＝5×200＋2×400＝1800m3/h
　　
　　G排＝1×200＋1×400＝600m3/h
　　
　　H排＝3×200＝600m3/h
　　
　　I排＝6×200＋6×400＋1×800＝4400m3/h
　　
　　L排＝3×200＋1×800＝1400m3/h
　　
　　M排＝6×200＝1200m3/h
　　
　　N排＝1×200＋4×400＋2×800＝3400m3/h
　　
　　O排＝2×200＋3×400＝1800m3/h
　　
　　P排＝2×200＋1×400＝800m3/h
　　
　　Q排＝3×200＋4×400＝1400m3/h
　　
　　S排＝2×200＋2×400＋5×800＝5200m3/h
　　
　　总=33200m3/h
　　
　　因此，精密空调的总风量必须达到33200m3/h。这是最大风量的数据，目前实际机柜的风量可调节在70%左右。另外我们可以通过变风量自动控制系统，大大减少送风量的过剩。
　　
　　由于目前测得的精密空调送风量严重偏低，因此精密空调的送风量能否满足要求是本方案的关键之处，我们和精密空调厂家协调确认，该空调设计风量单台18000m3/h，机外余压达到250Pa，可以通过改变风机皮带轮的方式进行调整，调整后的机外余压能满足变风量送风器的要求，同时风量也能在机外余压200帕的情况下达到单台10000m3/h以上。
　　
　　为了保证每个机柜的风量可以根据设备的发热量随时调整，我们采用变风量自动控制系统方案。
　　
　　采用室内温度变送器一个，安装在机柜后门采集柜内回风温度。控制器采用一个比例积分控制器，通过温度变送器采集的AI信号，控制输出AO至风阀驱动器，调节送风管风阀的开启度（设定值T，机柜内温度大于T，增大风阀开启度，小于T时减小风阀开启度），从而达到控制机柜内送风量的大小，使机柜内温度处于较小波动范围。一个温度变送器对应一个比例积分控制器输出对应风阀驱动器，构成独立控制回路。
　　
　　控制流程图如下：

　　另外，由于每个机柜的风量调节，造成送风管风压变化，为了保持机柜风量调节的精度必须保证主风管的静压保持在恒定值，也就是变风量控制中的定静压控制。
　　
　　首先我们对精密空调的风机进行改造，增加变频器，变频器由DDC控制器直接控制，另外我们采用8个空气微差压传感器分别采集8个送风风管内与管外的压差信号，送至DDC控制器。经PID计算对应输出AO至8台变频器（每台空调2台风机），控制4台精密空调的风机转速，保证送风管内压值恒定。每台精密空调两个风机的转速要保持一致。
　　
　　控制流程图如下：

　　冷通道封闭变风量送风方案，是专门针对江浦数据机房设计的一个合理解决机房过热问题的方案，一方面解决了冷热气流隔离的难题，另一方面做到了制冷量智能分配，彻底解决过热问题。我们对本方案做了计算机流体力学模拟分析(CFD)，下面是分析的结果：
　　
　　1、机柜送风器的安装模型：

　　2、计算机模拟结果，离地面0.35米处机房的温度分布情况：

　　3、计算机模拟结果，，离地1米处机房温度分布情况：

　　4、计算机模拟结果，离地1.8米处机房温度分布情况：

　　改造后，机柜内部环境将完全满足设备运行要求，机房外部环境温度在局部会由于设备发热量的不同出现温度过高，但是不会影响机柜内服务器设备的运行。
　　
　　4、效益分析
　　
　　在实施了“冷通道全封闭变风量送风方案”后，送风量和制冷量都可以按照机柜的实际需要分配，局部过热和制冷量过剩的矛盾将得到彻底解决，机房可以继续安装设备，机房空调的能耗将大大降低。
　　
　　4．1、减少数据机房建设总成本：
　　
　　按照目前江浦数据机房的情况，精密空调的总制冷量208KW可以得到充分利用，在考虑可照明发热4KW和建筑发热9.6KW的情况下，可以支持的设备发热将达到208KW-4KW-9.6KW=194KW，比目前的96KW超过一倍多。也就是意味着，可以将目前的容量扩充一倍，相当于新建一个机房。从江浦数据机房机柜空间的角度核算，目前绝大部分的机柜安装了不到20U的设备，江浦数据机房的机柜可安装容量为35U，另外还有70个机柜的空位，因此设备安装容量扩大一倍完全没有问题。按照目前机房建设的成本，类似江浦数据机房这样一个400平米规模的机房可节省建设总费用至少在600万元以上。
　　
　　4．2、节省精密空调运行能耗：
　　
　　在实施“冷通道全封闭变风量送风方案”后，由于合理分配送分量和制冷量，必然会节省精密空调的运行能耗。在目前不增加装机的情况下，制冷量会有冗余，冗余的制冷量估算如下:
　　
　　冗余制冷量=208KW-110KW=92KW。
　　
　　由于在改造前精密空调是全负荷运行的，因此制冷系统处于100%运行状态，改造后由于制冷量需求减少可以降低精密空调制冷系统的能耗约44%。查阅江浦数据机房精密空调设备参数，制冷系统的功率包括压缩机和冷凝器的功耗约60KW，初步估算每年可以节省的电费按照1元/度计算：
　　
　　节省电费=365天*24小时/天*60KW*44%*1元/KWH=约23万元/年。
　　
　　数据机房过热改造和节能降耗研究与实践（Ⅰ）

    责任编辑：kelly