封闭通道后数据中心的 PUE 分析文｜艾默生网络能源有限公司西安设计中心傅烈虎 艾默生网络能源有限公司丁麒钢【摘 要】封闭通道是解决数据中心中高热密度机柜冷却问题的有效办法封闭冷通道后室内风机送 风量可减少 30%，室内风机可省电约 2/3，封闭热通道后室内风机送风量可减少 12.5％，室内风机 可省电约 1/3 ； 封闭冷通道后制冷系统的能耗在数据中心整体能耗中所占比例由 38％减为 35.4%， 封闭热通道后制冷系统的能耗在数据中心整体能耗中所占比例由 38％减低为 36.7% ； 数据中心封闭 冷通道比封闭热通道节能 2％，比不封闭通道节能 4％一个典型的数据中心的 PUE 计算实例表明： 封闭冷通道后数据中心的 PUE 值降低 0.04，封闭热通道后数据中心的 PUE 值降低 0.02关键词】封闭通道 能耗 PUE2000 年前后开始，由于数据中心路径的示意图CFD 仿真研究表明，由路径1 送出来的气流只有 70％通过路径 2 进入了 机柜，余下 30％的气流直接由旁路回到了空 调的回风口（忽略机房内环境空气和机柜背 面的回风环流进入机柜的情形这个问题涉 及冷、热气流的混合，并且风量很小，故此 处不予讨论。
）从电子设备发热量快速增加，不断有人提出数据中心高热密度问题，越来越多的 解决方案也被提出来封闭通道就是其中解 决中高热密度机柜散热问题的有效办法对 于封闭通道对解决数据中心热点问题各种优 缺点的论述已有相关的研究成果，但对于封 闭通道带来的数据中心 PUE（电源使用效率） 的变化却少有人提及随着互联网技术的发 展，数据中心的规模越来越大，发热量也越 来越大，节能的紧迫性也越来越强烈本文 将从封闭通道带来的室内风机送风量的减少 出发，沿着能耗这条主线，阐述封闭通道后 室内风机电功耗的变化、数据中心能耗分布 的变化，并以一个典型数据中心为例，计算 其封闭通道情形下的 PUE，为封闭通道对数 据中心能耗的影响给出定量的结论53214为了和不封闭通道时的情形在同等状态 下进行比较，并使比较具有实际意义，必须 有一个前提条件 ：假定封闭通道后实现的 是和没有封闭通道时一样的冷却效果姑 1 封闭通道后室内风机送风量与电功耗 的变化 1.1 封闭冷通道后室内风机风量的变化图 1 为机房空调和机柜之间的送、回风821Intelligent Building & City Information 2010No.165图 1 送、回风路径示意图Our Eyes 本期关注且将衡量这个冷却效果的指标称之为冷却 性能系数。
指定不封闭通道时的机房冷却性能系数为1（最大也只能为 1） ，则在没有封闭通道时， 机柜的进风量为 70％， 机房冷却性能系数为 1 那 么，封闭冷通道后机柜的进风量为 100％，机房冷却性能系数必将大于 1，因此 要使封闭冷通道后的机房冷却性能系数也为1，室内风机的送风量必须减小，减小量应为 没有封闭通道时的旁流损失量，即 30％最 终，在封闭冷通道的情况下，室内风机的送 风量为没有封闭通道时的 70％时，即可达到 与其相同的冷却效果表 2 对数平均温差表Φ=c·ρ·Q·∆tm在冷量一定的情况下，风量和温差成反 比，即 ：Q2/Φ1=∆tm1/∆tm2则 封 闭 热 通 道 后 由 于 回 风 温 度 的 增 加， 热交换的对数平均温差也相应地增加，在冷 量一定的情况下风机的送风有所减少，相对 没有封闭通道时风量减少的幅度为 ：1 － 13.38/15.29 ＝ 1 － 0.875 ＝ 0.125 即封闭热通道时，要达到和没有封闭通道时相应的冷却效果，风机的送风量应减少 为原来的 87.5％1.2 封闭热通道后室内风机风量的变化机柜内设备的发热量是一定的，所以其 所需冷量是一定的，为比较封闭热通道后室 内风机送风量的变化，特作如下假设 ：（1） 假 定 机 柜 的 平 均 进 风 温 度 为 16 ℃， 没有封闭通道或者封闭冷通道时机柜的平均 出风温度为 26℃，封闭热通道时机柜的平均 出风温度为 31℃，如表 1 所示。
表 1 机柜平均进、出风温度表1.3 封闭通道后风机电功耗的变化根据泵与风机的理论，我们知道风机的 转速 n 与风量 Q 成正比，与风机功率 N 的三 次方根成正比，则风机功率 N 与风量 Q 的三 次方也成正比，即 ：Q1/Q2=n1/n23N1/N2=（n1/n2）3（2）假设空调的蒸发器内制冷剂的蒸发温度为 7℃，且蒸发器内的制冷剂在蒸发的 过程中近似不发生相变，则制冷剂与翅片外 空气的传热过程属于无相变的热交换过程 按逆流热交换型式计算蒸发器内制冷剂和空 气热交换的对数平均温差的公式为 ：N1/N2=（Q1/Q2）在冷却效果相同的前提下，空调室内风 机在封闭冷通道时的送风量是没有封闭通道 时的 70％，则其在封闭冷通道情况下的电功 耗是没有封闭通道时的 0.73，即 34.3％同理，在冷却效果相同的前提下，空调 室内风机在封闭热通道时的送风量是没有封 闭通道时 87.5％，在封闭热通道情况下的电 功耗是没有封闭通道时的 0.8753，即 67％ 因此，可以说封闭冷通道时室内风机比没 有封闭通道时省电约 2/3，而封闭热通道时室△ tmax- △ tmin△ tm=In△ tmax / △ tmin基于以上的两点假设，可以得出不封闭通 道和封闭通道时的对数平均温差， 如表 2 所示。
根据传热公式 ：222010年 第8期智能建筑与城市信息总第165期通道封闭 形式机柜平均 进风温度机柜平均 出风温度备注不封闭通道16℃26℃机柜平均进风温度均为16℃，并且进风温度均高于其工况下的露点温度封闭冷通道16℃26℃ 封闭热通道16℃31℃通道封 闭形式∆tmin∆tmax∆tm不封闭 通道16℃ -7℃ =9℃26℃ -7℃ =19℃ 13.38℃封闭冷 通道16℃ -7℃ =9℃26℃ -7℃ =19℃ 13.38℃封闭热 通道16℃ -7℃ =9℃31℃ -7℃ =24℃ 15.29℃内风机比没有封闭通道时省电 1/3， 如表 3 所示表 3 风机风量与电功耗变化配电 电源 1%5%处理器 15% 处理器 电源 14% 制冷 38%其他 15%照明 1%建筑其他 通信 3%4%存储器 4% 1.4 封闭通道后数据中心能耗分布的变化数据中心的能量金字塔（如图 2 所示） 告诉了我们数据中心节能的方向 ： 通信 /IT 设 备节能是机房节能的基础，空调设备节能是 机房节能的关键，供电系统节能是机房节能 不可或缺的主要因素其他 2%电加热器 8%加湿器 10%压缩机 48% 室外 风机 16%ATS Gen SetsUPS Systems 室内风机 16%Cooling SystemsSevers/Digital Power Supplies2 PUE 计算实例 某机房长 12m，宽 5m，内有 2 列机柜，每列 10 个 4kW 机柜。
空调配置为 1 台艾默 生 PEX 空调 P3080F，制冷量为 89.3kW，风 量 为 20160m3/h 配 置 2 台 200kVA/180kW（PF=0.9）UPS 组 成 单 机 双 母 线 解 决 方 案， 计 算 机 类 负 载 为 80kW， 两 条 母 线 上 每 台 UPS 平分负载，即每台 UPS 承担负载为 40kW，单台 UPS 的负载率为 23%许多资料表 明，大多数数据中心的能 耗分布如图 3 所 示，制冷系统的能耗占到 38％ ； 风冷系统内部各制冷部件的能耗分布 如图 4 所示，室内风机的能耗占整个制冷系 统能耗的 16％，占整个数据中心的能耗 6％通过前面对封闭通道后室内风机的电功耗 变化的分析可知 ： 封闭冷通道后数据中心能耗 的百分比由 100％降低到 96％，制冷系统的 能耗在整个数据中心能耗中所占比例由原来没 有封闭冷通道前的 38％降低到 35.4％，封闭 热通道后数据中心能耗的百分比由 100％降低 到 98％，制冷系统的能耗在整个数据中心能 耗中所占比例由封闭热通道前的 38％降低到36.7％数据中心封闭冷通道比封闭热通道节 能 2％，比不封闭通道节能 4％。
2.1 不封闭通道时的 PUE数据中心总能耗 PUE=＝ 1+ 供配电因子（PLF）+ 制冷因子（CLF） IT 设备总能耗（1）供配电因子的计算 计算供电系统的损耗，即 PUE 中的供配 电因子的数学模型为 ：供配电因子＝ ATS 开关损耗＋低压配电823Intelligent Building & City Information 2010No.165图 2 数据中心能量金字塔图 4 制冷系统能耗分布图图 3 数据中心能耗分布图通道封 闭形式风机送风量风机电功耗风机省电不封闭 通道100%100%封闭冷 通道70％34.3％≈ 1/366.7％≈ 2/3封闭热 通道87.5%67％≈ 2/333％≈ 1/3Our Eyes 本期关注系统损耗＋ UPS 系统损耗＋供电电缆损耗其中 ATS 开关损耗、低压配电系统损耗、 供电电缆损耗很小，基本上是铜损与接触电 阻损 耗，统计数据表明为 1% ～ 3% 左 右， 取中间值 2% 即为 0.02，则 ：供配电因子＝ 0.02 ＋ UPS 系统损耗 查艾默生 Hipulse U 200kVA/180kW UPS效率表（表中数据为电池浮充电状态） ，负载 率 23%，约等于 25% 时，损耗率为 9.37%， 即 0.0937，则供电系统总损耗为 ：供配电因子＝ 0.02 ＋ UPS 系统损耗＝ 0.02 ＋ 0.0937 ＝ 0.114（2）制冷因子的计算机房空调耗电器件有压缩机（主要的耗 电器件） 、室内风机、室外风机、室内加湿器、 电加热器（用于过冷状态下加热） 、控制与显 示部件等，其中控制与显示部件耗电量较少， 可忽略不计，耗电部分是压缩机、室内风机、 室外风机、室内加湿器和电加热器五个部件。
艾 默 生 PEX 空 调 P3080 的 压 缩 机 电 功 率为 8.3kW（冷凝温度在 45 ℃时 ） ；室内风 机的电功率为 1.6kW，共 3 个，总功率为 4.8kW ； 室外冷凝器的风机在 45℃时的电功 率 为 2.1kW， 共 2 个， 总 功 率 为 4.2kW ；电 加热 器的电 功率为 12kW，远 红外加 湿器的 电功率为 9.6kW空调的整机电功率为前面 各个部件功率之和，共 38.9kW，则 ：制冷因子＝ 38.9kW/80kW ＝ 0.486kW 没有封闭通道时数据中心的 PUE ＝ 1 ＋0.114 ＋ 0.486 ＝ 1.6子为 0.446，供配电因子不变，则 ：PUE ＝ 1 ＋ 0.114 ＋ 0.446 ＝ 1.562.3 封闭热通道后的 PUE在封闭热通道后，室内风机电功耗为原 来没有封闭通道时的 67％，即 3.216kW，可 近似认为 3 台室内风机中只有 2 台在工作此时空调的整机功耗为 37.3kW，制冷因 子为 0.466，供配电因子不变，则 ：PUE ＝ 1 ＋ 0.114 ＋ 0.466 ＝ 1.58 三种情形下的 PUE 如图 5 所示。
PUE 1.61.591.581.571.561.551.541.61.581.56封闭冷通道封闭热通道不封闭通道3 结束语 在实现相同冷却效果的前提下，封闭通 道的方式都可依靠减少室内风机的送风量来 实现数据中心的节能1）封闭冷通道后室内风机送风量可减 少 30%，室内风机可省电约 2/3，封闭热通 道后室内风机送风量可减少 12.5％，室内风 机可省电约 1/32）封闭冷通道后制冷系统的能耗在数据 中心整体能耗中所占比例由 38％减低为 35.4%， 封闭热通道后制冷系统的能耗在数据中心整体 能耗中所占比例由 38％减低为 36.7%3）数据中心封闭冷通道比封闭热通。