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導入智慧節能設備 使空調能耗完美降落

  • DIGITIMES企劃

採用機櫃式空調,可望就近製冷,縮短冷空氣流動路徑,使電腦機房內不再需要多餘的空調供應。來源:Baltneta

機房節能之關鍵議題,重點就在於設法降低空調系統的能耗,部置冷熱通道確實是箇中入門功課,若欲再求精進,則需採用一些訴諸智慧節能的先進設備,以期促使PUE繼續完美降落。

曾有業者提到,不論藉由用戶端同仁自行集思廣益,抑或委由外部專家提供專業諮詢,因而建立冷熱通道,避免混風現象導致熱點產生,相關舉措其實只能算是前導,真正的重點,應該擺在冷卻系統的硬體建置。

由此看來,企業主或機房管理者意欲抑制空調系統能耗,即便已做好冷熱通道的分離或封閉,仍需審慎檢視機房之空調系統架構與所有組成元件,從中找尋可以改善的空間,必要時斥資將低效率設備予以汰換,也是在所難免之事。

綜觀空調系統架構  尋求節能改善空間

首先,就讓我們重新審視機房的空調系統架構暨組成元件,大致涵蓋哪些主要內容。其一是製冷系統,其扮演著機房冷卻的軸心角色,提供機房所需之冷源,重要性不言可喻,其產品型態則包括了水冷式冰水主機、直膨式壓縮機、氣冷式冰水主機,以及熱交換器。

其二是散熱系統,負責將製冷系統所吸收之機房熱量,排放至機房以外的環境,其產品類型含括開放式冷卻水塔、密閉乾式冷卻器、複合式散熱設備,以及冷凝器。

其三是送風系統,旨在將被製冷系統所冷卻的空氣,協助配送到IT設備以進行冷卻,相關產品類型包括了電腦機房空調箱(CRAH)、直膨式電腦機房空調機(CRAC),以及液體冷卻單元。其四則是外氣系統,負責處理機房新鮮外氣的補充,藉以建立正壓環境,並調節外氣進入機房的溫濕度條件,以及維持空氣品質;其產品類型包含冰水冷卻冷媒系統,或是直膨式冷媒系統。

前述所有內容,每一項都具備節能的改善空間,此處茲將其間較重要的部分予以羅列。從壓縮機開始說起,不論是直膨式製冷系統、抑或冰水主機,都需要仰賴壓縮機善加控制製冷系統蒸發器的運轉壓力,提供系統源源不絕的冷媒循環量,以產生製冷功能;而壓縮機需要隨時進行容量調節,始可匹配蒸發器負載,以有效避免機房溫度過高或過低,因此在傳統實務上,多會針對壓縮機實施起停控制,殊不知礙於系統負載甚難達到理想狀態,導致壓縮機起停頻率偏高,對系統壽命與穩定性是一大傷害,為解決此問題,只好設定較高或較低的蒸發壓力,以減緩其起停頻率。

然而蒸發壓力過高將導致冰水溫度、空間溫度走高,恐難以達到機房所需冷卻效果,反之,若是蒸發壓力過低,也會導致壓縮機效率下滑,形成高能耗狀態。值此時刻,企業不妨考慮採用變頻式壓縮機,藉由變頻器來適當控制壓縮機的排氣容量,使之得以精準匹配蒸發器負載,如此一來,壓縮機即不會頻率起停,而冰水溫度也不致過低,創造更佳節能效果。

談完了壓縮機,接著一併看送風機及水泵,只因這些裝置24小時全年運轉,耗能相當大,都有採取節能措施的必要性。在送風機部分,首先必須避免纜線阻礙高架地板的送風通道,其次應儘可能提高熱交換器的進出口溫差,以期減少送風量、降低風機耗能,再者則是選用高效率風扇與馬達,最終亦可考慮採行可變風量系統(VAV),以利用變頻馬達控制、或直流變頻馬達來驅動風機。

至於水泵部分,首先是慎選高效率機種,其次是分析冰水主機的進出口溫差,惟溫差較大雖有助於降低水泵耗電,但可能反而導致冰水主機效率下滑,應於致力求取最佳平衡,再者是選用高效率馬達,最後則是採用一次變流量或二次側變流量系統,繼而運用變頻馬達來控制水泵的送水量。

機櫃式空調  有助撙節機房運行成本

緊接著,開始談論機房內部的空調系統。一般所謂的機房級空調設備,多屬於下送風空調,較佳的配置設計方式,大多認定為利用高架地板出風、天花板回風,其運作原理是,機房內空調設備CRAC送出低溫空氣到高架地板下方的氣室,再藉由多孔出風地板調整均勻出風量,同時天花板被設計成回風室,CRAC回風直接利用風管延伸至天花板內作吸引。

與此同時,在機櫃出風側上方天花板適度開挖回風口,使機櫃冷卻後的熱空氣上升氣流,得以被直接吸引回天花板內,減少冷熱空氣混風現象,有效將熱空氣導回電腦機房內空調設備CRAC內冷卻再循環,其特色是較能掌控熱空氣氣流,回風效率較自然回風的模式為高。

然綜觀前述冷卻模式,縱然較「高架地板出風+自然回風」、「天花板下出風+自然回風」等型態為佳,然在設計時若未能通盤考量機櫃型式、擺設方式、空調設備出口的型式、出風口佈置方式等參數,未必能使出風口與房間的空氣進行有效混合,如此一來,仍可能造成風壓降、溫度梯度、風量不足、冷熱混風、短迴圈等不利現象,且不排除有機櫃將自己或鄰近的熱氣吸入之虞,徒增耗電之餘,亦使IT設備無法獲得預期的冷卻效果。

在此前提下,開始有業者朝向其他的產品設計型式發展,推出了有別於傳統下送風空調的創新設備。首先是背板式(Rear Door heat Exchanger;RDHx)機櫃冷卻系統,其是在每一機櫃後板裝設一台水冷式熱交換器,標榜不使用風扇故可大幅減少所需之能源冷卻量,而其冷源由個別冷卻分配器(CDU)經區域冰水系統輸送供應冰水而來。

至於另一種更受矚目的新型態冷卻模式,即是業界所稱的機櫃式空調、或列間空調。其主要是為了應付未來用電密度高的機櫃冷卻而設計,標榜可就近製冷,縮短冷空氣流動路徑,據以讓電腦機房內不再需要多餘的空調供應,另標榜水平式送風,使冷空氣能平均輸送至伺服器,可藉此改善傳統上吹或下吹式空調造成的冷熱不均狀況,譬如同一機櫃上熱下冷,或同一排機櫃前冷後熱的不良景象。

更特別的是,機櫃式空調系統亦可伴隨IT設備負載的高低變化,動態調整其風扇轉速,減少離峰期間的電力損耗,輔以三通控制閥組設計,使冷卻系統可進行變流量控制,以協助企業大幅節省機房空調運行成本。

此外,姑且不論是否改採背板式機櫃冷卻系統、抑或機櫃式空調系統,縱使是看似傳統的機型,現今市場上也有若干新品,因為注入了許多攸關智慧節能的創新元素,同樣有助於企業降低機房空調相關之能耗。譬如複合式熱泵系統,係為一種可吸收大自然熱能並加以利用、從而產生熱水的高效能冷媒系統產品,同時提供冰水或冷空氣再回收利用。

在合理規劃運作下,加熱性能係數COP(Coefficient of Performance;COP)都可高於3、甚至可大於5,其能取代傳統電力、瓦斯、柴油熱水鍋爐加熱系統,為用戶節省可觀的能源及運轉費用,幅度高達50%以上。

值得一提的是高能效IPLV並聯多聯式冰水機冷媒系統。此類機種較業界慣用的高效率滿液式冰水機,體積更小、也具備更高效率,同時使用渦卷式壓縮機,亦比傳統螺旋式壓縮機的保養成本更為低廉、運轉效率也更高,既能節省電力亦有助於降低日後維運支出,可謂甚具賣點。