机房扩容节能改造方案.docx

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机房扩容节能改造方案

XX省社保中心机房扩容节能改造方案

美国CPI公司上海办事处

2011年6月

一．机房现存的问题

•我们于2011年6月1日下午对XX省社保数据中心进行了实地勘察。

该数据中心于2008年建设完成。

虽然已是3年的旧机房，但是该机房具有高可靠性，高效和高易用性的现代数据中心。

在管理上也具有着比一般机房优秀的管理制度和管理系统。

该机房目前配有机房备有２台空调机，冷量为90.8kw每台。

为一主一备配置

•机房共有网络机柜5台，服务器机柜12台。

机房配有2台UPS，额定负载为120KVA，目前机房总密度为ＵＰＳ额定负载的４８％。

机房总密度为120KVAx0.9x0.9x48%=46KW。

该机房的扩容改造目标为目前的密度的一倍，即90kw左右。

我们在实地勘察中在技术上发现了如下的问题：

1.机房未按照冷热通道布局排列。

该机房机柜前部对后部方式排列。

这不符合国际国内的数据中心设计标准

2.机房空调机送风温度约为15度。

造成能源大大的浪费。

3.机柜列中有缝隙，机柜后部的设备热回风通过机柜列中的缝隙向冷通道扩散

4.机柜为使用盲板

5.地板过线孔没有密闭以及部分通风地板防止位置不正确，造成空调机冷送风的浪费现象

6.机房面积过于浪费，每平方米功率密度小

7.网络机房缺乏必要的理线设施，对今后缆线管理，增加和变更缆线时造成困难

二．CPI节能技术以及在该项目中的应用

2.1网络机房的改造

针对网络机房的高密度布线的需求，我们可以采用目前国际上最常用的开放式机架配合垂直理线架这种方式。

开放式机架系统为标准19”宽双立柱结构，比起传统的机柜占地面积更小。

在两边配有手指型垂直理线架用于管理布线缆线。

该开放式机构便于缆线的安装，管理和移动等等。

该方案已经成为国内外大型数据中心的网络布线的标准。

高密度铜缆布线

颜色管理

垂直理线架细节

机房效果

2.2CPI被动型数据中心散热技术简介

CPI被动冷却™解决方案将提供卓越的设备冷却性能，同时降低数据中心的冷却能源成本。

CPI的TeraFrame™系列机柜的被动冷却技术将有助于降低数据中心的运行成本，实现空调机制冷效率最大化，同时将对环境的影响降到最低，使得CPI被动冷却解决方案成为了一种简单高效的选择。

全面可配置的机柜设计将允许根据数据中心的需求变化选择最适合的可选项目和配件。

空气挡板套件、卡入式填充板、高流动性的79%多孔金属门和门密封套件旨在确保使冷空气流经机柜中的设备并且同时防止热空气返回到设备的进气端。

对于高密度应用，CPI的垂直排风管系统提供了史无前例的制冷性能，支持32kW或更大功率。

该系统包括垂直排风管、气流分流器、实心后门和后门密封套件。

在同时使用空气挡板和填充板密封所有开放空间时，冷空气将进入机柜并流经设备，然后通过垂直排风管将空气排入吊顶中。

该系统将把热废气与数据中心隔离开来，从而为所有设备提供了一致的冷空气进气温度。

2.3服务器机房改造

在本次机房改造项目中，我们提议使用被动型垂直排风管机柜。

该机柜包括包括如下附件：

∙机柜系统：

600mmx1200mmx42U，机柜前后门通风率为79%，所有缆线出入孔附有毛刷状封闭装置以防止机柜热空气的泄露

∙机柜顶部带有垂直排风管连接至天花板

∙盲板。

由于密闭未安装设备的空U位置已防止热空气从该位置回流

∙机柜前部空气挡板。

普通及柜设备安装角规和侧门之间没有任何隔离措施，可能在热密度高的时候造成机柜局部过热问题，如下图：

∙机柜配有PDU安装支架和

CPI在本次项目改造中，充分考虑到这点，在机柜前部加装了内部空气挡板来隔离热回风，起到的效果比使用盲板更彻底。

下图为安装后的示意图：

∙手指状垂直理线架

成功案例-美国某数据中心

三．节能改造经济效益分析

按照XX社保的扩容的需求，扩容后的密度为目前的密度一倍左右即为90Kw左右。

经预估该机房将需要服务器机柜19台，每台机柜密度为4Kw,服务器机柜总热密度为76Kw，散热所需的风量为20,363CMH。

IBM机柜为2台，每机柜热密度为5KW，总热密度为10KW，散热所需的风量为2679CMH。

存储机柜为2台，每机柜热密度为1KW，总热密度为2KW。

散热所需风量也536CMH。

按目前的机房空调配置，空调机的制冷量为90.8KW,小于预估扩容88KW的热密度，完全可满足机房散热的需求。

但是该空调机的送风风量为23578CMH，小于机房散热的需求。

不能满足散热需求。

经计算机模拟机房气流分析报告显示，该机房存在过热的问题，即目前的空调系统不能满足扩容的需求。

下图为机房气流组织模拟的机柜进风温度图。

图中可看出部分机柜的进风温度高于TIA-942的设备进风温度25度的标准。

在88KW的扩容目标下，我们采用CPI被动式数据中心散热解决方案–垂直排风管系统机柜。

在机房空调系统不做任何的改造的前提下，我们通过CFD发现该机房无过热的问题。

CPI垂直排风管机柜完全，物理的，彻底的隔离的机房冷热空气的混合。

所有热空气被排入天花吊顶中。

虽然，空调的送风风量不能满足机房散热的需求，我们需在天花上开有通风孔，将一部分天花上的热空气回送入机房，但是由于机房充满了冷空气，一小部分的热空气经会造成机房沿天花部分的温度略微高。

但是机柜的进风温度完全满足25度的标准。

下图为CPI垂直排风管机柜的CFD模拟图。

下图为热空气被隔离至天花上的气流流向图。

经对比这两种方案，我们得出如下结论：

∙普通冷热通道布局数据中心由于冷热空气相混合并空调机送风风量不够，造成热点。

∙普通冷热通道布局数据中心，空调冷送风温度约为11.8度

∙使用垂直排风管机柜，有一定的热回风从天花板上泄露至房间，当由于房内充满冷送风，机柜无局部过热问题

∙使用垂直海风管机柜，可将空调冷送风温度提高至23度

由于88kw的普通冷热通道有热点，我们只能将其热密度降低，并建立一个可工作的机房环境，并由此基础上作出我们经济效益的分析

我们将机房预估扩容目标从88KW降低到66ＫＷ，即作出如下调整：

∙服务器机柜19台，按每机柜密度从原来的4KW降低到3KW,总密度为57kw,散热所需风量为15,272CMH

∙IBM机柜2台，按每机柜密度5kw,总密度为10kw，散热所需风量为2,679CMH

∙存储机柜2台，按每机柜1kw,总密度为2kw，散热所需风量为536CMH

∙机房散热风量需求为18,487CMH，空调机的实际送回风风量为21,560CMH

但是，经CFD模拟我们还是发现机房垂直过热的问题。

主要原因为机房垂直冷热空气相混合的问题。

下图为扩容至66KW时的机柜进风温度图。

在此基础上我们只能在此降低机房扩容的目标为59.5KW，即为如下更改：

∙服务器机柜19台，按每机柜密度从原来的3KW降低到2.5KW,总密度为47.5kw,散热所需风量为12，727CMH

∙IBM机柜2台，按每机柜密度5kw,总密度为10kw，散热所需风量为2,679CMH

∙存储机柜2台，按每机柜1kw,总密度为2kw，散热所需风量为536CMH

∙机房散热风量需求为15,942CMH，空调机的实际送风风量为21,560CMH

我们发现机房仍然略微存在过热的问题，勉强符合TIA-942的规定。

如下为机柜进风温度图。

在此可行的扩容目标下，我们在扩容至69.5KW时作出普通冷热通道和CPI垂直排风管机柜之间机房空调能耗对比。

该对比包括如下内容：

∙机房空调（空气处理单元）用电分析:

冷热通道布局与烟囱机柜布局对比

∙水冷机组用电分析:

冷热通道布局与烟囱机柜布局对比

∙投资回报

由于社保不能提供海洛斯空调无法提供具体空调系统的能耗值，我们由于无法得知海洛斯空调具体参数，我们使用目前市场上能效最低的STULZ系列空调来计算。

我们选取STULZ1100CWE来测算，送风风量为22，000CMH

下图为STULZ空调机官方技术参数：

STULZ该空调配有一个风机，每小时耗电约为5.2KW。

普通冷热通道机房布局的空调机风机能耗计算方式为：

∙机房散热风量需求为15,942CMH，空调机的实际送风风量为21,560CMH

∙空调机运行在满负荷状态下，空调机耗电量为5.2Kw

∙一年耗电量：

5.2x24x365=45,552Kw

∙按每度电1.50人民币计算,一年总耗电量为：

人民币68,328.00

CPI垂直排风管系统机柜布局的空调机风机能耗计算方式为：

∙机房散热风量需求为15,942CMH，由于机房无冷热空气相混合，空调机只需送风风量为16,000CMH即可满足机房冷却的需求。

∙空调机的额定送风风量为21,560CMH，16,000/21,560=74%

∙空调机运行在74%负荷状态下，空调机耗电量为:

5.2Kwx0.74x0.74x0.74=2.1kw*（见附录风机理论简介）

∙一年耗电量：

2.1x24x365=18,396Kw

∙按每度电1.50人民币计算,一年总耗电量为：

人民币27,594.00

由于该空调机为水冷空调。

相比于普通冷热通道机房，CPI垂直排风管机柜将空调机冷送风温度从13度提升至23度。

普通了冷热通道机房由于机房内部冷热空气相混合，空调机需送13°C以避免机房内部局部过热现象。

该机房空调机的设定值为回风温度23°C.在这种情况下，冷水机组须将冷冻水降温至7.5°C

冷水机组的能耗计算如下：

当制冷机组需将冷冻水温度降至7.5°C时，移除每吨热量需耗电620watts*（见附录冷水机组能耗表）

∙机房总热密度:

59.5KW=17Ton

∙冷水机组总能耗:

17x0.62x24Hx365D=92,330KW

∙每年耗电费用:

:

RMB1.5x92,330KW=RMB138,495.00

使用烟囱机柜时，机房内无冷热空气混合。

我们可将空调的设定从回风温度改到送风温度。

设备的进风温度即为空调的送风温度。

在本设计中，空调的送风温度恒定在23°C，以此得出冷冻水温度为18.5°C即可。

冷水机组能耗计算如下：

当制冷机组需将冷冻水温度降至18.5°C时，移除每吨热量需耗电380watts*（见附录冷水机组能耗表）

∙机房总热密度:

59.5KW=17Ton

∙冷水机组总能耗:

17x0.38x24Hx365D=56,590KW

∙每年耗电费用:

RMB1.5x56,590KW=RMB84,885.00

我们将这两种能耗相加并对比：

标准冷热通道布局

机房空调机每年电费:

RMB68,328.00

冷水机组每年电费:

RMB138,495.00

总费用:

RMB206,823.00

烟囱机柜布局

机房空调机每年电费:

RMB27,594.00

冷水机组每年电费:

RMB84,885.00

总费用:

RMB112,479

我们得出在机房扩容至69.5KW时，我们每年至少节省空调系统人民币94,344。

该计算是为机房建设完全基于TIA-942数据中心最佳实践标准的，实践情况中的机房建设将远远低于该标准。

所以该能耗差值将会远远大于理论计算值。

经济效益分析结论如下：

∙现有机房的条件下，扩容至原有基础的一倍时，只能增加空调机才能完成（需新增加2台已达到空调系统3+1的冗余标准。

当垂直排风管机柜系统，不需增加新的空调机。

∙使用CPI机柜可提升热密度，每机柜的热密度可达32KW，可减少机柜采购数量以此节省机柜购买成本。

并随着机柜数量的减少，机房的面积可以不用现在的机房那么大，由此大大节约的机房面积所带来的经济效益。

∙垂直排风管机通过少送风量和提高冷送风温度，在机房扩容至60Kw时，每年节省电费至少为9万5千人民币

∙如扩容至100Kw左右，普通冷热通道机房需：

•购买2台空调机

•空调电费需增加40万左右

附录

1.风机理论

Law1c.Powerisproportionaltothecubeofshaftspeed

风机的功耗与风机转速成立方关系。

在本计算方式中，由于CPI垂直排风管机柜系统所需的风量较小。

空调风机的转速较低，约为该风机满负载运转的74%。

我们按照风机理论，在计算能耗中我们乘以0.74的立方。

Law2c.Powerisproportionaltothecubeofimpellerdiameter:

风机的功耗与风机直径成立方关系

2.冷水机组能耗表

下图为ASHRAE数据中心设计和运维手册第6册：

数据中心能耗效率最佳实践标准中用于计算水冷机组能耗的标准。

从横坐标为冷冻水管水温（华氏温度），纵坐标为在该温度下的能耗（每移除1吨冷量时，冷水机组所用的能耗）

从上图可看出：

每移除1Ton热量，冷水机组能耗

•当冷冻水温所需温度为7.5°C时，该冷水机组耗电为620Watts

•当冷冻水水温所需温度为18.5°C时，该冷水机组耗电为380Watts