某數據中心機房空調系統測試分析及優化措施

景 淼，何 健，董 青（聯通數字科技有限公司，北京 100085）

0 前言

近年來5G、人工智能、物聯網等新興技術快速發展，我國數據中心的數量和規模不斷增長［1-2］。數據中心內服務器等設備全年均處于不間斷運行狀態，這些設備對環境的溫濕度有較為嚴格的要求［3］。為保證服務器的安全穩定運行，機房內一般存在送風溫度過低或者送風量過大的情況［4］。根據《數據中心設計規范》（GB50174-2017）［5］，數據中心冷通道或機柜進風區域的溫度為18～27 ℃，相對濕度不宜大于60%，機柜送回風溫差為8～15 ℃。但由于某些存儲設備的特殊性，如磁帶機等，部分機房的溫濕度要求較《數據中心設計規范》更為嚴格。本文以某數據中心機房為例，通過對數據中心機房內空調系統運行時的溫度、濕度、風量進行測試，對其測試方法及測試結果進行分析，根據測試結果提出優化改進措施。

1 項目概況

某數據中心機房面積約為152 m2，層高為5.4 m，單機柜功耗為2.5 kW，IT 總功耗為130 kW。氣流組織為活動地板下送風上回風，冷通道封閉方式。被測機房室內設計參數具體如表1所示。

表1 數據機房室內設計參數

機房內安裝顯冷量150 kW 的冷凍水下送風型機房專用空調2 臺，1 用1 備配置，冷凍水、供回水溫度分別為16 ℃、22 ℃。機房內配置下送風型恒濕機2 臺，1用1備配置。

恒濕機采用濕膜加濕、冷凍除濕的方式。其中，濕膜加濕屬于等焓加濕，空氣加濕前后的焓值不變，加濕后的空氣溫度降低，含濕量增加，相對濕度增大，加濕工況時恒濕機送風溫度低于進風溫度。冷凍除濕利用低溫冷凝的原理除去空氣中的水分［6］，通過風機將機房內潮濕空氣吸進機組，通過蒸發器除濕后形成干燥空氣，干燥空氣經過冷凝器升溫最終排至機房內。文獻［7］針對冷凍除濕機的原理進行分析，發現恒濕機冷凍除濕時出風溫度要略高于進風溫度。綜上，恒濕機除濕時對于機房內溫度影響較大。

恒濕機加、除濕量計算如下：

其中，W為加（除）濕量（kg/h）；ρ為空氣密度（kg/m3）；V為房間體積（m3）；n為換氣次數；d1為加濕前（除濕后）空氣的含濕量（g/kg）；d2為加濕后（除濕前）空氣的含濕量（g/kg）。被測機房位于建筑中心位置，新風從走道取風，走道內安裝多聯機空調系統。被測機房室內設計參數取23 ℃、45%，換氣次數為1 次/h；走道冬季室內計算參數為16 ℃，夏季室內計算參數為26 ℃，走道內相對濕度均按照極端情況取值。按照公式（1）計算得出加濕量為7.8 kg/h，除濕量為13.3 kg/h。

空調送風量計算如下：

其中，G為空調送風量（m3/h）；Q為顯冷量（kW）；ρ為空氣密度（kg/m3）；??為回風焓值（kJ/kg）；?s為送風焓值（kJ/kg）；C為空氣定壓比熱容（kJ/kg·℃）；?t為送回風溫差（℃）。按照式（2）計算得出本項目單臺空調送風量為40 500 m3/h。

2 測試方法

2.1 溫濕度測試方法

文獻［8］針對冷通道內不同高度的溫度進行測量，發現隨著垂直高度的增加，機柜進風側溫度升高。本項目為避免測點高度對溫濕度的影響，將測點布置在冷通道距地面以上1.0 m，距機柜進風側0.6 m 處［9］，測點布置如圖1 所示。溫濕度測試采用溫濕度傳感器，傳感器安裝高度距架空地板2.4 m，探頭距架空地板1.0 m。溫濕度傳感器信號由動環實時采集。

圖1 機房測點布置

2.2 風量測試方法

數據中心機房常用測量通風地板風量的工具有葉輪風速儀、熱敏風速儀、矩陣式風速儀和風量罩4種。對風量測試方法的分析如表2所示。

表2 風量測試方法分析

本項目采用準確性最高的矩陣式風速儀作為測量工具（見圖2）。

圖2 矩陣式風速儀探頭

3 測試結果分析及優化措施

3.1 溫濕度分析及優化措施

3.1.1 除濕風速對濕度影響

恒濕機除濕時可以調節風速，當風速降低時，機組總風量降低。根據式（1），相同除濕量下，風量降低時含濕量的差值增加，使得恒濕機送風含濕量值降低，送風溫度相同時相對濕度更低。從圖3 和圖4 中可以明顯看出，恒濕機低風速工況各測點的濕度明顯低于高風速工況。

圖3 A列對應通道內3個測點濕度

圖4 B、C列對應通道內4個測點濕度

風速降低時，進入恒濕機回風口的空氣流量會降低，而壓縮機的制冷能力是恒定的，空氣會被冷卻到更低的溫度。若流速過低，冷卻溫度很可能在0 ℃以下，導致蒸發器結冰。因此，實際項目中除濕風速不能一味地降低，需找到除濕風速與蒸發器結冰的最佳狀態點。

此外，除濕量受除濕工況的風機風量影響較大，恒濕機廠家在設計產品時也會根據除濕工況的風機風量和所配置的壓縮機制冷量進行計算［7］，但除濕時所能達到的含濕量未必是設計計算時的含濕量。因此，在設計選型時建議注明需要處理到的送風狀態點，防止設計人員和廠家對于除濕量理解的不一致。

3.1.2 回風相對濕度對濕度影響

為增加下送風恒濕機的除濕效果，實際工程中常將恒濕機前的架空地板更換為地板送風口。將恒濕機前架空地板更換為地板送風口后，各測點在溫度不變的情況下相對濕度降低。這是因為架空地板下方為空調送風靜壓箱，空氣溫度較低，相對濕度較高，在恒濕機前增加地板送風口，可以增加恒濕機回風口的相對濕度，提高除濕效果。

3.1.3 切機工況對溫濕度影響

機組熱備穩態運行時，空調和恒濕機均在部分負荷下運行。若一臺空調或恒濕機發生故障，機組切機過程中機房內溫濕度會產生波動。當機組熱備運行切機至空調1#、恒濕機1#時，1 h 內機房溫濕度變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 切機至空調1#、恒濕機1#時1 h內機房溫度變化

圖6 切機至空調1#、恒濕機1#時1 h內機房濕度變化

由圖5、圖6可知，測點1的溫度波動為1.9 ℃/h，濕度波動為3.9%/h；測點2 的溫度波動為1.2 ℃/h，濕度波動為2.7%/h；測點3 的溫度波動為1.0 ℃/h，濕度波動為5.2%/h；測點4 的溫度波動為2.6 ℃/h，濕度波動為2.7%/h；測點5 的溫度波動為2.0 ℃/h，濕度波動為2.2%/h；測點6 的溫度波動為1.9 ℃/h，濕度波動為2.2%/h；測點7 的溫度波動為2.2 ℃/h，濕度波動為3.3%/h。這是由于恒濕機安裝在機房熱區，恒濕機進風為機房熱區的回風，與空調送風溫度約相差11 ℃，而恒濕機除濕時的送風溫度略高于其進風溫度，使得恒濕機除濕時的送風溫度與機房空調送風溫度溫差更大。兩股氣流互相摻混，對溫度和濕度均造成較大的波動，不能滿足該機房的室內設計參數。

3.1.4 優化措施

如圖1 所示，恒濕機1#與空調1#的送風氣流相互垂直，空調的送風速度遠大于恒濕機的送風速度，恒濕機風速降低時其送風氣流受到空調送風氣流的阻擋，導致恒濕機出現壓力報警。此外，由于恒濕機和空調均為地板下送風，恒濕機送風溫度高于其進風溫度（即機房內熱區的回風溫度），并且遠高于空調的送風溫度，導致切機工況時機房內的溫濕度變化超過機房室內設計參數要求。為保證恒濕機的除濕效果及避免氣流波動引起的溫濕度超標，本項目將恒濕機支架抬高500 mm，保證恒濕機出風口位于架空地板上方，如圖7所示。改造后，恒濕機送風氣流不再受空調送風的影響，可以調整除濕工況的送風風速。此外，本項目也將末端空調的送風溫度傳感器由空調機組下方調整至冷通道中心位置，通過送風溫度控制保證冷通道內各測點溫度滿足機房室內設計參數。

圖7 改造前后恒濕機安裝示意

改造后機組熱備運行切機至空調1#、恒濕機1#時，1 h內機房溫濕度變化情況如圖8和圖9所示。

圖8 改造后切機至空調1#、恒濕機1#時1 h內機房溫度變化

圖9 改造后切機至空調1#、恒濕機1#時1 h內機房濕度變化

如表3所示，改造后機組熱備狀態切機到空調1#、恒濕機1#運行時，1 h 內機房的溫度波動均在2 ℃/h，濕度波動均在5%/h以內，完全滿足該機房的室內設計參數。

表3 改造前、后切機到空調1#、恒濕機1#時的溫濕度變化

3.2 風量分析及優化措施

本項目機房內共有104 塊通風地板，優化前各列機柜前地板送風口的風量如表4所示。

表4 優化前各列機柜風量

根據式（2），理論上單機柜風量為675 m3/h。根據表4的數據，地板風口存在送風不均的問題，本項目通過調節地板風口的開度，平衡冷通道內各地板風口的送風量。若冷通道內地板風口風量差別較為懸殊，也可增加智能通風地板。智能通風地板可根據溫度傳感器的數值自動調整風量，也可手動設置參數。

4 結束語

數據中心機房內溫濕度及風量對于服務器的安全穩定運行影響極大，本文通過對某機房的環境測試進行分析，得出如下結論。

a）在恒濕機選型時，室外環境參數需選取最不利參數。除濕工況選型時建議同時注明除濕量、回風狀態點溫濕度以及需要處理到的送風狀態點溫濕度。除濕風速、回風相對濕度等都會對除濕效果產生影響。對于采用地板下送風且對機房內溫濕度變化率要求較高的機房，建議恒濕機采用上送風方式，避免恒濕機送風氣流與空調送風氣流相互摻混，造成較大的溫濕度波動。

b）空調選型時需根據送回風溫差計算出風量。風量測量建議選用矩陣風速儀，測量結果最為準確。對于送風不均的問題，可采用調節地板送風口或增加智能通風地板等方式解決。