机房分区温度控制与空调节能研究.doc

附件1：课题上报申请书课题名称机房分区温度控制与空调节能研究课题申报单位中国移动通信集团四川有限公司计划部课题承担部门/分公司中国移动通信集团四川有限公司计划部项目负责人姓名项目负责人联系电话和Email课题专业类别通信电源课题研究类别相关网络解决方案省内评审结果*优秀关键词索引（35个）节能减排 机房 温控 分区 降耗应用投资 0 万元（指别的省引入应用需要的投资金额）产品版权归属单位 中国移动四川公司对企业现有标准规范的符合度：符合现有企业标准规范。文章摘要： 08年1月集团公司“绿色行动计划”专题研讨会报告统计数据表明，07年全集团总耗电量为76亿度，机房耗电占15，其中通信机房空调耗电占到了34%。在现有非节能设备和越来越多的节能设备混合布放的核心机房中，如何有效降低空调耗电，是一个现实而又突出的问题。本研究提出了一种按照机房中设备适应温度范围，通过布放调整实现温控分区，从而实现设备温度要求和环境温度最佳匹配达到空调节能的目的。本研究从机房冷却效率寻求突破口，创新性地提出了核心机房温区分区降低空调耗电的方案，充分挖掘出那些温度适应范围更广、完全具备电信级高可靠性应用的通信设备的温度适应能力，提高机房空调能效比，降低了机房冷却费用。同时在机房中还采用了智能动态监控技术，通过对设备进风口温度的实时监控，更为准确地动态控制机房空调的运行状态。对四川公司某枢纽830m2、设备标称总功耗645.8KW的数据机房应用本方案的分析表明，仅简单通过将其中1/5的设备由22温度区集中至2/7的30温度区，就可节约空调耗电量82,344度/年。同时本研究还列出了具体的实现方案，并给出了沿着本研究方法进一步降低空调耗电的具体方案。通过上述简单的精细化的机房温度管理可以有效降低核心机房空调耗电，落实公司节能减排工作要求和实现绿色机房。预期效果：本研究课题选取了四川公司某枢纽830m2数据机房作为研究对象进行改造方案应用以及节能分析。通过到该机房实地分析了现状，收集了现有耗电、设备、温度情况方面的数据作为分析基础，应用本研究方案，仅简单通过将其中1/5的设备由22温度区集中至2/7的30温度区，就可节约空调耗电量82,344度/年。进一步分析，通过扩大30高温区，就可以实现4.415.3%的节能效果。在环境温度为30的情况下，仍然能保证正常工作的电信级高可靠性设备在机房所占的比例越高，则该改进方案体现的节能优势越大。而目前的发展趋势正式如此，核心机房现有大量设备都是非节能型设备，今后，随着公司节能减排力度加大，将大量采用高可靠节能设备，如华为ATAE设备的大量应用，这就为本方案的大量应用提供了依据。上述机房温控分区方案若能在核心机房中综合运用，在四川公司乃至整个集团得到大面积推广应用，借鉴其先进的机房热管理理念，以及行之有效的空调节能措施，必然能够带来非常可观的经济和社会效益。文章主体（3000字以上，可附在表格后）： 一、项目背景随着信息技术的飞速发展，通信产业在近年来也获得了良好的发展机遇，越来越多的人得益于这种发展，移动通信一方面丰富与沟通了人们的生活，但同时也面临与日俱增的能耗压力。当前全球范围内“绿色环保”理念正深入人心，国家在节能减排方面对各企业提出了具体的要求。在今年1月召开的“绿色行动计划”专题研讨会上，集团公司李跃副总裁强调，为贯彻落实集团公司总体战略，我们要认真学习领会国家对中央企业节能减排工作的要求，深刻理解企业核心价值观与责任观，转变企业发展方式，积极探索节能减排措施，全面推动“绿色行动计划”。并且指出，目前各省之间无论基站还是机房温度控制标准都不统一，如果能将温度控制到合理水平，就自然可以降低能源消耗。集团计划部董昕总经理在讲话中指出，2006年中国移动耗电量为65亿度，2007年耗电量为76亿度，相比2006年增长18%。总体上，我们的耗电主要是基站耗电、通信机房耗电；在基站耗电中，占的比重最大的是主设备，其次是空调耗电；在通信机房耗电中，比重最大的依次是机房设备耗电52%，空调耗电34%。核心机房的空调耗能占用相当大的比例，同时，今后随着机房IT设备扩容持续增加，机房制冷能耗相应还会有大幅提高。如何采取有效措施实施创新，降低核心机房空调耗电，是我们所面临的一个现实而又突出的问题。持续增长的机房空调能耗及数据机房OPEX已经表明，以前粗放式机房热管理无法满足现代先进电信运营商的要求。传统通信机房的环境控制温度并没有考虑到通信设备的温度适应范围，机房的气流组织设计也不尽科学，导致机房设定温度一味地降低而没有充分挖掘出那些温度适应范围更广、完全具备电信级高可靠性应用的通信设备的节能潜力，同时机房无完整的冷热通道导致了气流短路和热风回流现象严重，机房散热经济性大打折扣。机房热管理就是一个亟待解决的突破口，本项研究课题通过对机房热管理技术现状分析及优化改进，通过一个简单的机房温控分区、设备挪动的方案，来解决目前数据机房制冷效率不高、设备性能发挥不足的问题，可以有效地大幅降低空调耗电，落实公司节能减排工作要求，带来非常可观的经济和社会效益。二、详细技术内容对于通信核心机房存在的设备温度潜力未得到发挥等问题，本课题有针对性地提出了以下几点对策：1、 充分考虑通信设备温度适应范围，创新性地提出了机房温区匹配设计理念。该技术的核心就是针对机房所有设备的温度适应范围来对机房进行温度分区，例如具有普通环境规格的小型机，可将其统一布置在环境控制温度为25的低温区，而对于可支撑更高环境温度的设备，则可以进一步地挖掘其节能潜力，将其统一布置在环境控制温度为35的高温区。在不影响设备可靠性的前提下提升该温区的环境温度所起到的降低空调能耗效果是最为快速和显著的，也是非常简单和容易实现的。温区匹配需要将不同温区的循环气流进行简单的物理隔离，这在技术上、实现上是完全可行的。2、传统的机房环境监控策略仅仅关注空调回风温度，而忽略了我们最为关注的通信设备进风温度和出风温度，设备进出风温度才是保证设备能够无故障长期运行的关键参数之一。通过对各个温区内机柜的进、出风温度的实时监控，并将进、出风温度参数闭环反馈至该温区内的机房空调进行智能运行管理当机柜进风温度低于该温区环境控制温度下限值时，发出停止部分空调压缩机运转的指令，当机柜进风温度高于该温区环境控制温度上限值时，发出恢复空调压缩机运转的指令；当机柜进出风口温差大于设定上限时，变频调节空调风机，增大空调的送风量，反之，机柜进出风口温差小于设定下限时，变频调节空调风机，减小空调的送风量。通过上述动态管理手段可以达到降低空调运行能耗的目的既保障了温区内设备的可靠运行，同时避免了机房空调制冷能力的过度冗余导致的能耗损失。3、扩大高温区的机房总功耗比例，则温控分区所产生的节能效果将更为显著。在新建机房中如果能够完全采用耐高温具备电信级高可靠性应用的通信设备，则可以直接提升机房的整体环境温度，更大幅度地降低机房制冷能耗。4、针对机柜内部或机柜间的热风回流现象，通过在温区内部设置相互独立的冷热通道，防止机柜间进出风的相互串扰，同时在机柜内各功能设备间的间隙处布置防回流盲板，防止同一机柜内各子设备进出风的相互串扰，通过上述措施可以保证温区内机柜进风温度的一致性，提高该温区的冷却效率。三、应用案例分析1、四川公司某枢纽数据机房情况该机房尺寸为38.4m21.6m4.0m(长宽高)，总面积830m2，通信设备布置为17列，设备标称功耗总计645.8kW，机房共配置了7个空调机组，制冷功耗为215kW。该机房采用了空调下送风方式，架空地板净高300mm，机房环境温度为22。机房冷却能耗数据可参见表1。表1 机房现状（机房无温度分区）序号设备类型设备功耗/kW环境温度空调能耗/kW机房制冷能耗合计/kW1高可靠性设备(可支撑40度正常运转)138.8(21%)2230.722152常规设备(可支撑30度正常运转)507.7(79%)2230.75该机房采用了空调下送风方式，由于机柜同一朝向布置，存在机柜热风级联的问题机柜热出风未能及时回到空调回风口而直接进入了下一列机柜的入风口，以及冷气流短路现象地板出口处部分冷风未经过机柜就回到空调回风口，导致了机房气流组织不合理，冷却效率低下。可参见图1。热风级联气流短路图1机房空调下送风方式示意图图2为该数据机房的平面布置图，机房环境温度为22，图3为其流场示意图。图2机房平面布置261516 图3 机房原始流场示意图下表为机房内功耗大于2000W的设备数据统计：设备厂家设备型号设备数量设备功耗(W)设备总功耗(W)设备上限温度（.）HP864013800380032HP864013800380032思科450612800280045思科450612800280045HPRP741022015403035HPRP741022015403035SUNV89013200320035SUNV89013200320035SUNE490013200320035SUNE490013200320035SUNV89013200320035SUNV89013200320035华为TecalT8223(ATAE)2030006000040HPRX864013800380032HPRX864013800380032HPRX864013800380032HPRX864013800380032上述设备中，耐温上限从30到60不等，而机房环境温度统一设置为22，没有发挥电信级高可靠性设备的节能潜力。该机房空调型号为依米康EDA1102D，实际单台额定制冷能力为105.2kW，则机房总制冷能力为105.27=736.4kw。设备总功耗为645.80.6=387.5kw（设备最大功耗与典型功耗的比例为0.6），机房制冷能力利用率为53，远远低于空调利用率平均值83。2、方案应用及效果机房空调的能效比COP制冷量/消耗功率，它是表征机房空调节能水平的重要指标。下图为该机房选用的空调的性能参数，通过数据分析可知提升机房环境温度，则空调的制冷量及其能效比会相应增加。图4 机房空调性能和室内温度关系曲线（空调数据由sunrise公司提供）电信级高可靠性设备耐温上限可达到4060度，考虑到设计余量及空调的回风温度承受范围，可将高温区的机房环境控制温度由22提升至30，假设机房所有设备的散热量不变，由上述数据可以计算出，空调功耗将比原来下降了（1/3.22-1/3.79）3.2215.2%即温度提升后单台空调实际运行功耗只有30.7(1-15.2%)26kW在该机房中，大约79的设备工作温度上限在30以下，有21的设备工作温度上限可以支持到40以上，可以看出，不能采用将机房环境温度整体提升来实现节能。应用温控分区方案，简单加入一个高低温区隔板并调整空调设定温度，示意图如下：35261516高低温区隔板高温区低温区图5 分布式温区匹配示意图图6 机房高低温区分布比例示意图当设备配置固定不变，仅对设备布局进行调整，建立独立的温度分区，将耐高温高可靠性设备布置在高温区，将其他设备布置在低温区。根据设备统计数据，高可靠性设备在该机房中总功耗为138.8 kW，所占功耗比例21，可布置在30高温区，根据该区域设备总功耗计算需要配置两台额定制冷量为105.2kW的机房空调。常规设备在该机房中总功耗为507.7kW，所占功耗比例79，可布置在22低温区，根据该区域设备总功耗计算需要配置五台额定制冷量为105.2kW机房空调。通过分区，可以节约空调耗电量82,344度/年。参见表2。表2 优化方案一（根据现状耐高温设备占21）序号设备类型设备功耗/kW环境温度空调能耗kW机房制冷能耗合计/kW空调年节能/度空调节能效率1高可靠性设备(可支撑40度正常运转)138.8(21%)30262205.582,3444.4%2常规设备(可支撑30度正常运转)507.7(79%)2230.75若高可靠性设备所占比例增加到50时，节约空调耗电量进一步降低，节约空调耗电量144,102度/年。参见表3。表3 优化方案二（假设耐高温设备占到50）序号设备类型设备功耗/kW环境温度空调能耗kW机房制冷能耗合计/kW空调年节能/度空调节能效率1高可靠性设备(可支撑40度正常运转)322.9(50%)30263.5198.5144,1027.7%2常规设备(可支撑30度正常运转)322.9(50%)2230.73.5当机房中全部布置耐高温设备时，空调冷却效率达到最佳，节约空调耗电量288,204度/年。参见表4。这里，4060度为高可靠性设备耐温上限，考虑到设计余量及空调的回风温度承受能力，可将机房环境控制温度由22提升至30。表4 优化方案三（假设机房内全部是耐高温设备）序号设备类型设备功耗/kW环境温度空调能耗/kW机房制冷能耗合计/kW空调年节能/度空调节能效率1高可靠性设备(可支撑40度正常运转)645.8(100%)30267182288,20415.3%2常规设备(可支撑30度正常运转)0(0%)220按照上述分析，由下图可以看出，随着高温区在机房中所占比例的逐渐增加，温控分区的节能效果非常明显。图7 机房制冷能耗计年省电量变化曲线四、主要技术创新点1. 温区匹配 充分考虑通信设备温度适应范围，创新性地提出了机房温区匹配思路，减少空调无效制冷，显著降低机房空调耗电。2. 机房智能动态监控 改变了传统只是采集空调回风温度作为动作参考点的监控策略，通过对设备进、出风口温度的实时监控，可实现更为准确地动态控制机房空调的运行状态，减少空调无效制冷，降低空调耗电。3. 设备温度能力利用 充分挖掘了耐高温电信级高可靠性通信设备的温度适应能力，该能力将通过本方案转变为节能潜力和利用。该方案无需额外投资，只需移动设备，简单易行、便于推广。4. 核心机房空调节能的进一步探索 本专项研究将设备温度适应能力作为着力点，通过机房气流改善进一步降低无效制冷耗电。提出了直接在机柜进风口设置温度监控并闭环反馈至空调的方法精确控制，并提出了防回流盲板防止同一机柜内各子设备进出风的相互串扰的措施进一步降低能耗。五、效益分析1、经济效益本研究报告中分析的四川公司某枢纽830m2、设备标称总功耗645.8KW的数据机房，应用本方案的分析表明，仅简单通过将其中1/5的设备由22温度区集中至2/7的30温度区，就可节约空调耗电量82,344度/年。2007年全集团耗电76亿度，机房耗电占15，即11.4亿度，其中空调耗电又占34，即3.876亿度，即使按照该数据机房节能4.4的比例，每年可节约用电1705万度。按照集团内平均每度电0.8元计算，每年可节约用电成本1364万元。2、社会效益(1)倡导和实践了绿色环保理念。(2)推进了国家“节能减排”的方针政策的落实。按照节电率4.4计算，每年可节约用电1705万度，相当于每年可减少二氧化碳排放1.19万吨，节约5700吨标准煤能耗，相当于2973辆轿车行驶一年的排放。(3)带动产业链持续开展“节能减排”行动。六、演进路标在机房热管理技术中，分布式温区智能管理技术是其中的一个创新点，为了使整个机房的冷却效率进一步地提高，还可以将其与机房气流组织优化技术综合运用，包括在温区内部优化机柜与送风地板的布局，并在热通道上布置热风收集管（如图8），或者设置独立封闭的冷通道（如图9），杜绝机柜间的热风回流现象，优化了机房气流组织形式。采用以上各种机房热管理技术所产生的预期节能效果可参看图10。 热风收集