淺談電腦機房空調氣流設計與節能設備 (上) 出至電機技師雙月刊第149期- 和品公司著 | 2012-06-19 |




和品通訊工程有限公司 專案副理 洪啟翔






淺談電腦機房空調氣流設計與節能設備 (上)








1.前言







  近年國際間環保意識抬頭,致使世界各國紛紛積極的開始重視綠色、環保、節能等議題,於1997 年的京都議定書更被喻為人類有史以來最複雜牽扯層面最廣的協定書,這當中亦隱含了溫室氣體減量之責任應該被提升到全球各國都需最高重視等級,也是任何與溫室氣體減量有關的產業所必須重視的課題。




  IT產業目前是台灣的重要產業,不管是直接、間接研發或製造在全世界是很有競爭力的產業,因此對於綠色節能減碳議題,台灣的IT產業必須重視並志向實行的。根據國內的能源大用戶各類建築電力消費量(EUI)統計分析,其中以電信機房、網路機房為前兩名,平均單位面積年度耗電量比第三名的百貨公司足足超過2 倍以上,由此可見,綠色機房之節能減碳技術推廣不僅有助於我國IT產業在全球競爭力提昇,並對於我國之溫室氣體減量的迫切改善實有重要幫助。




  隨著科技的演進與資訊系統的發展,電腦主機體積越來越小,但是運算能量卻越來越強,設備的密度也越來越高。這對電腦機房所帶來的衝擊,也使環境的殺傷力越來越高、機房場地的需求也越來越嚴苛。或許,在相關數據(如溫濕度)的要求上差異不大,但是單位密度越高,要滿足相同要求的挑戰也更高。以機櫃為基礎單位舉例來說,大型主機階段,一台大型主機可能是一個到數個機櫃,而一般機架型x86伺服器的體積,也從10~12U演變到6U、2U、1U,甚至是近來的刀鋒(Blade Server),與多主機板(MultiMotherboard Server)類型的伺服器。以19吋42U標準機櫃而言,所需容納的伺服器也從個位數,演變到十餘台、二十餘台,甚至四十餘台,如果以刀鋒或多主機板伺服器計算,甚至得容納到80餘台。而相對可觀的是電力與空調的需求增長,由早期單櫃2KW,演變到3KW、5KW、7.5KW、10KW甚至20~30KW,造成空調需要提供更高的能量將機櫃所產生的熱能交換掉,所以電腦機房最耗能的設備的就是空調設備,耗電量大約佔55%,其次是透過不斷系統(UPS )供電的電腦、網路設備,耗電量大約佔35%,照明及其它機器設備,耗電量大約佔10%。因此,著重改善空調的效率必能大幅降低整個機房的用電量。許多空調原有的設計觀念與思維已無法一體適用,國內電腦機房的設計部分仍延續早期室內空調的觀念,將一般辦公之中央空調供風系統概念引入電腦機房使用, 然而,資訊設備為高顯熱特性,與一般供應人體與設備並用的辦公室條件有所不同,遂機房管理者使用中央空調主機搭配加熱器以滿足電腦機房乾球溫度與相對濕度需求,另使用恆溫恆濕箱型冷氣機者也不在少數,但總體而言,仍以室內平均溫度作為空調控制的準則,國內各類電腦機房也依此種標準渡過了資訊設備的穩定成長期,但愈來愈多的國內外專家學者、電腦機房設計者以及電腦機房使用者發現,電腦機房的平均溫度高低似乎不能完全代表在電腦機櫃(Rack) 內部的主機或資訊設備的散熱情況,供應較低溫的冷空氣可能因為室內氣流循環狀況不佳而產生冷空氣短循環,冷空氣無法進入系統的高溫發熱源,設備無法有效散熱造成設備溫度持續上揚,電腦主機或資訊設備過熱而當機的風險依然存在,於是使用者遂調低空調出風溫度,惡性循環導致雙向能源的損耗,因此探討如何增加電腦機櫃的氣流冷熱交換效率,即成了近年來電腦機房節能研究的重點項目。




  衡量一個電腦機房是否節能,就是藉由PUE值。PUE值的計算是以「電腦機房的總用電量」除以「資訊中心內資訊設備的總用電量」。PUE值越低,代表機房越節能,花費越少能源在非資訊設備上。所謂非資訊設備包括了空調、電力(UPS)、照明等。如何降低PUE值,是目前電腦機房設計上努力的重點。以Google為例,在2006年其主要電腦機房的PUE值便已降低到驚人的1.21,Microsoft於2009年新建的電腦機房,其PUE值亦僅1.22,Yahoo 2010年完成的電腦機房則更低到1.08,如此數值實在令人難以想像。值的欣慰的,在國內目前一般的電腦機房其PUE值大多仍超過2以上,甚至部份企業機房超高在3以上,在國內新的機房設計上,以中華電信為例,則希望將新設計的機房PUE值控制在1.5以下。斯國內企業漸趨重視及改善PUE值的決心及魄力上,極值嘉許。




 






2. 電腦機房機櫃擺放位置觀念







  電腦機房的設計與建置是諸多專業融合後的成果,符合專業的設計規範是成功設計的基礎。目前主要的大型電腦機房都集中在歐美地區,而歐美相關的規範也較為完整。與電腦機房有關的規範主要出自TIA/EIA(Telecommunications Industry Association),細分為TIA/EIA 568C、TIA/EIA 942、TIA/EIA 606A。另外,美國冷凍空調工程師學會(ASHRAE)對於電腦機房的空調設計也有諸多準則,ASHRAE會依據不同時期的發展與需求修正相關的建議數據。譬如以機房空調溫度來說,2008年版便與2004年版不同,2008年版已將電腦機房的建議溫度調整為攝氏18~27度;2004年版則修定為20~25度,而這改變是為因應節能設備的設計。




  談到電腦機房空調環境設定條件,須先從整體室內空調氣流情形來了解,為了使機房內的熱交換情況與電腦機櫃的物理特性達到最大的相容度,可用以下三種簡單的原則來建立觀念:




1. 機櫃的擺放位置與行列:將機櫃擺放於適當位置,使室內氣流形成冷通道與熱通道的氣流模式,冷熱通道的目的在於引入最大的冷空氣進入電腦機櫃內,同時將機櫃內的熱空氣有效的排出機櫃外形成所謂的熱通道,簡單的說機櫃前方為冷通道,機櫃後方排出設備熱空氣為熱通道,此外,可藉著緊密的機櫃排列與機櫃內部閒置空間檔板的運用來減低熱排氣再循環的機率,而每個電腦機房的環境特性不盡相同,如何找出最佳的機房配置與建立冷熱通道效果,則須仰賴每位電腦機房管理者對系統本身的了解。




2. 機櫃的氣流流動模式:早期機櫃設計前後門設計常常要因為要所謂的美觀會使用壓克力門材質,以現在空調氣流的設計觀念及設備排熱原理,實在是非常可怕的一種機櫃設計!使用其壓克力門的設備就像被放在悶燒鍋內一樣,若在設計冷熱通道空調模式中,不使用前對後(F-R)型式的機櫃是非常冒險的,特別是在發熱密度較高的區域,氣體動力流向因為沒有工具輔助導引,而變成相當複雜難以預測,並容易使設備發生當機或損壞之情形,因此,保持機房氣流循環於同一種模式是很重要的,所有的熱排氣應該匯集於相同的方向,然後使其導入熱通道之中;若不使用冷熱通道的空調模式,由機櫃所排出的熱排氣有可能由鄰近機櫃的前端再被吸入,而再排出的熱排氣也會再一次的進到其他機櫃裡面,週而復始,機櫃的散熱效果因熱排氣不斷循環而越來越差,在設置機櫃時,應使其排列形成冷熱通道模式,若機房內原本已無冷熱通道模式,一定要特別注意機櫃排放位置,避免熱氣流再次被設備吸入的問題。


3. 通道間距:通道的間距是以兩條相鄰冷通道的中心點距離來計算,而通常此兩點的距離大約是7塊高架地板寬,高架地板每塊尺寸為60公分,取這樣的間距主要有兩個原因,第一是至少會有一個完整的出風高架地板放置在機櫃的前端,第二個是在每個通道裡至少維持90公分的寬度,排列方式如圖1所示;某些電腦機房設計將機櫃的背邊對齊於地板邊緣,為了滿足通道間距7個板片的最佳距離,卻使得熱通道變成了1 2 0公分的寬度,而冷通道少於1 2 0公分,僅能放置一個出風高架地板,如此一來,冷通道的通風量與散熱能力都下降了;體積較大的機櫃或是設備密度較高的電腦機房,可以考慮用8個板片間距的設計,相反地,若是在較小的機櫃或設備密度情況下,也可將通道間距微幅調縮,但是通道至少為一塊高架地板的間距。






圖1 冷熱通間距計算







3. 電腦機房空調氣流設計



  在電腦機房的配置上若達到以上的建議概念,但還需要考慮到電腦機房內的氣流循環與問題,機房的冷熱氣流混合愈嚴重則顯示空調的能源損耗愈大,即整體電腦機房之能源使用效率愈低,而要改善電腦機房冷熱空氣的混合狀況,首要工作必須建置冷熱通道,將冷空氣與熱空氣在機房內的活動路徑盡可能的分離, 或減低混合的路徑長度;以面對背機櫃排列方式而言,當冷空氣由第一組機櫃前端進入且由機櫃後方排出時,已經進行第一次熱交換,排出的空氣溫度已較地板出風口的冷空氣高很多,此時卻與周圍較低溫空氣混合後進入下一個電腦機櫃,因此第二組電腦機櫃的入風口溫度較原來冷空氣溫度高,導致散熱效果也較差,如圖2所示,以此類推,位於最後一排的電腦機櫃散熱狀況最為不良,為預防最後一組電腦機櫃因機組過熱而跳機,故機房管理者只能再降低空調系統的出風溫度,依綠色生產力基會空調系統管理與節能手冊可知: 調降冰水出水溫度1℃必須額外消耗壓縮機耗電1.5~3%, 意謂空調混風問題可能同時造成空氣側與冰水側雙方面的能源損耗,,早期最常見的排列方式為機房的管理者沒有機房冷熱通道隔離的觀念下而要求美觀所以每排機櫃接面向門外,殊不知這是造成空調效能差及機房耗電的主要元凶;若將電腦機櫃的排列方式改變為面對面排列,使冷空氣與熱空氣有各自的行進路徑,冷空氣可直接進入電腦機櫃內進行熱交換,而前後排機櫃也較不會產生散熱不均的問題,如圖3所示,即可避免過度調低空調系統的供風溫度與主機低載運轉問題。



圖2 面對背機櫃排列方式氣流循環



圖3 面對面機櫃排列方式氣流循環



  若電腦機房內使用的空調系統為高架地板形式的空調箱或箱型冷氣機,冷空氣由地板下送往高架地板出風板進入冷通道,熱通道上方無天花板回風通道,而是使用自然對流方式讓室內熱空氣回到空調箱的回風口,此種情況需特別注意其排放的位置,一般認為應該將箱型機置放於冷通道前後方,使其供應之冷空氣可以最接近冷通道出口,雖然冷空氣移動至機櫃的距離縮短,但熱空氣回風的路徑可能出現另一種與預期中截然不同的現象,試想將箱型機設置於冷通道兩端或是水平於機櫃排列的兩邊,熱空氣必須由熱通道跨越冷通道才可回到箱型機的回風口,在接近箱型機的區域形成嚴重的冷熱氣流混合情形,如圖4所示,解決方案可將箱型機排放於熱通道兩端才是最佳的位置,使熱回風直接由熱通道快速進入箱型機內,如圖5所示,以減少冷熱空氣混合的機率;此外,若機房的架構並非高架地板型式,則應將箱型機排放於冷通道兩側,使其冷空氣直接吹入冷通道,形成保齡球道效應(bowling alley)。







4 箱型冷氣機置放於冷通道時兩端之熱氣流移動情形






圖5 箱型冷氣機置放於熱通道兩端時之熱氣流移動情形



  一般電腦機櫃背部為熱空氣排出口,通常是整個電腦機房內溫度最高的地方,因此特別容易被注意,有些機房管理者就在那些地方增加地板出風口,希望可以直接將熱量帶走,如此一來非但無法達到最佳的機櫃內部散熱效果,反而會因混風情形而加倍消耗能源與降低空調系統的冷卻效率,正確做法應是僅在冷通道內擺放出風口高架地板,且盡可能地靠近電腦機櫃前端吸入口,熱通道不宜放置任何具有孔洞的高架地板,確實將熱通道的熱空氣與地板下的冷空氣完全隔開,若有天花板回風高架地板的設置,應將其擺放於熱通道內,冷通道不宜放置任何回風高架地板,用意除了防止冷熱空氣的混合作用之外,亦避免冷空氣短循環的情形;在高架地板下方的線路也需要規劃與整理,過多的雜亂的線路會造成冷空氣移動滯礙難行,某些地板出風口可能因此得不到足夠的冷空氣量,而雜屑與灰塵會阻塞出風板孔,對IT設備引發損害,這也是現今一些機房常見的問題,機櫃櫃與櫃之間網路線路沒經過規畫預留或是沒有規畫線路該走的線架,年久線路就會因為設備的增加則越積越多越亂,所以機房內網路線路的規畫也是機房建置前的規劃其中一項很重要的項目;若電腦機房內有已停用或待整修的電腦機櫃,先將其前端地板出風高架地板封閉或置換為無孔洞高架地板,盡量隨時排除未有使用的地板出風口,將其擺放至較高發熱機櫃的吸入端,有效利用既有的冷空氣量,亦可避免冷熱氣流混合機率;為防止電腦機房內出現地板出風型式之空調系統無法降低的局部熱點,應將高發熱機櫃分散錯開置放,使每一區域的平均發熱情形接近平衡,以利空調降溫時可達電腦機櫃的散熱需求。

  一般電腦機櫃內部空間並不會完全放滿設備,因此會留有些許的空間,若忽視這些夾縫空間的存在,則無形之間產生許多的能源消耗而不自知;當冷空氣由機櫃前端被吸入IT設備內進行熱交換,冷空氣升溫變成熱空氣,由機櫃後端準備排出,此時,熱空氣受到前方吸入端的牽引,一部分熱空氣由機櫃內的閒置空間拉回到前端再次被吸入IT設備內,形成機櫃內部熱空氣的短循環,而回流的熱空氣與前端預備進入機櫃的冷空氣混合,產生了要避免的混風問題,其改善方向為:在無設備櫃位前端加裝機櫃盲蓋板(可阻隔氣流)即可得到改善,作用在於使空氣經過機櫃的唯一通道只剩下IT設備本體,排出之熱空氣不會受到機櫃前端的吸引,縱然熱空氣由機櫃閒置空間回流也因有機櫃盲蓋板的隔離而無法回到機櫃前端,如此一來,熱空氣短循環或機櫃內部混風問題即迎刃而解。