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IDC 机房空调系统优化配置方式的研究报告

中国联通北京市分公司 张光生 费铁流 佟军

随着信息技术的高速发展以及全球化业务的迅速开展，大型数

据中心（IDC）机房的建设与需求越来越多。高密度计算机 /服务器

的不断推出，同时也是在向空调制冷技术提出挑战。 IDC 机房通常

布满各类需要提供高温度、湿度环境 要求且稳定的电信设备 ，IDC

机房所需要的“供电电源功率密度”高达 1.0kW/m2，电源和制冷的成

本在 IT 业投资中所占比例越来越高，甚至占到了 1/3。目前中国联

通北京市分公司的 IDC 机房，普遍存在：高密度服务器设备导致的

空调系统供冷能力不断增加、机房环境标准不科学导致空调机配置

数量严重超过实际需要、机架排列及送风方式不合理导致的空调机

供冷能力浪费、空调室外机安装不当导致机组制冷效率低下。

本项目依据空调工程理论、计算流体力学与传热学理论，采用

计算流体动力学的方法，对 IDC 机房空调系统的优化设计方法进行

了认真分析与研究，基于 CFD 系统数学模拟计算的结果，对 IDC

机房环境标准、机架排列模式、空调系统送风方式、空调室外机安

装等内容提出优化指导建议。

根据本项目的结论与建议，中国联通北京市分公司现有 IDC 机

房进行优化改造后，可有效减少空调设备的运行。目前 IDC 机房空

调按照 5 用 1 备的规模配置，而因机房环境标准及空调机组运行效

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率的影响，备用空调也全年运行。优化改造后可减少约 1/6 的空调

设备运行；同时，因执行科学的机房环境标准及改善室外机运行环

境，可提高空调机运行效率。根据北京市全年气象资料，5 月～9 月

约有 120 天为高温天气，其中约 1/3 时间大气温度超过 30℃，改善

空调室外机运行环境可使空调机组运行效率恢复到额定工况，折合

减少压缩机及冷凝器运行时间约 450 小时，减少耗能可达 5％以上。

以中国联通北京市分公司土城信息港一个 IDC 机房为例，共安

装空调机组 96 台，实施优化改造后可减少 16 台空调机运行，因此

平均每月减少风机运行耗电约 5.76 万度；室外机运行环境的改善可

每年减少压缩机及冷凝器累计运行时间约 450 小时，平均月节电约

4.44 万度，合计节电约 10 万度，按 0.7 元/度计算，合电费 7 万元。

土城信息港 IDC 机房空调机总耗电量平均每月约 95 万度，综合节

能率可达 10％以上。若今后新建的 IDC 机房按照本项目建议进行设

计，节能降耗的效果十分可观。

一、技术标准与关键因素

高等级的 IDC 机房通常需要严格控制室内空气环境（露点、温

度以及相对湿度）。为此，中国国家标准《电子计算机机房设计规范》

及其修订版、数据中心电信基础国际标准《TIA/EIA-942 数据中心标

准》均对设计和建造大 /小型数据中心提供了规范和指南，美国空调

专业 ASHRAE 设计标准也对数据中心机房提出了明确的环境标准。

IDC 机房空调系统的设计，必须考虑以下因素：数据设备和服

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务器的热功率、数据设备和服务器的排热风量、机架冷却（通风）

方式、空调系统的气流组织方式以及选用标准、机架排列型式以及

通道空间的分配、环境保障的评价方式及标准。

一直以来，国内 IDC 机房环境评价均按照机房平均温度 23±2

℃标准执行，因此空调送风温度应达到 18℃甚至更低。事实上 23

℃的环境标准是指服务器设备进风口温度，而非机房平均温度。表

一为空调暖通专业权威标准 2007 版数据，按照科学的标准执行，空

调机设计温度应可适当提高，如果设计温度提高 2℃，如图 1 所示，

空调机制冷量可提高 4.5kW。完全相同的通信设备和空调机组，因

执行机房环境标准不同，即可减少空调机制冷耗电 5.6％。

表 1 美国 ASHRAE 设计标准（2007 年）

1 级、2 级 NEBS 类别

允许值 建议值 允许值 建议值

温度 15—32℃（1 级）

10—35℃（2 级） 20—25℃ 5—40℃ 18—27℃

温度变化

率 5K/h

30K/h

90K/h

湿度

20—80%

17℃最大露点（1 级）

21℃最大露点（2 级）

40—55% 5—85%

28℃最大露点 c 最高 55%

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设计温度对空调总制冷量的影响

80.3

84.8

78

79

80

81

82

83

84

85

86

22 24

温度

制冷

量

图 1 空调机组回风温度与制冷量的关系

二、 IDC 机房 CFD 模拟分析

借用现代计算机技术，通过计算流体动力学的数值模拟方法

（CFD 模拟），对不同空体方式下的机房内气流速度、压力、以及

温度分布进行模拟分析，可为 IDC 机房空调系统的优化设计提供参

考依据。

2.1. 计算结果

2.1.1. 冷热分区机架布置方式

如图 2 所示，采用冷、热分区的排列方式，可使进入服务器的

低温气流与从服务器排出的高温气流严格分开，避免冷热气流混合

或短路，将低温冷空气不受任何干扰的直接送入服务器的进风口，

提高空调能量利用率。

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图 2 冷热分区机架布置方式

2.1.2. 管道上送风、单侧下回风

管道上送风方式如图 3 所示。

冷/热分区时，冷通道内的温度分布比较均匀且温度也较低，大

约在 20-22℃左右；热通道内的温度分布比较均匀且温度达 35℃以

上；空调机侧回风区域的平均温度约为 30℃左右，与空调机对面侧

区域的温度 24-26℃左右。（如图 4 左所示）

冷/热不分区时，由于前一列机架服务器的排风与后一列机架服

务器的进风共用一个通道，冷热空气掺混比较严重，服务器的进风

温度比冷/热分区时要高 2℃左右。（如图 4 右所示）

图 3 管道上送风、单侧下回风方式

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冷热分区 冷热不分区

图 4 冷热分区与冷热不分区比较

2.1.3. 地板下送风、单侧上回风

地板下送风方式如图 5 所示。

冷/热分区时，冷通道区域内的温度分布均匀，高度方向温度梯

度小，几乎接近地板出风口的温度 18℃左右；热通道内的温度分布

沿通道向回风口的方向递增，且靠近回风区域的温度较高。整个区

域温度分布比较合理。（如图 6 左所示）

冷/热不分区时，由于服务器背面的排风温度比较高，与空调送

风口的低温送风掺混严重，直接导致服务器进风侧的温度明显高于

冷/热分区的。（如图 6 右所示）

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图 5 地板下送风方式

冷热分区 冷热不分区

图 6 冷热分区与冷热不分区比较

2.1.4. 结论

冷/热分区工况时的空调区域温度场分布相对更为合理，利于服

务器的散热。冷/热分区工况优于冷/热不分区，如图 2 所示；另外，

比较同是冷/热分区工况下的不同气流组织方式各有特点，地板下送

风方式更有利于冷空气送达机架列间。

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三、空调机选用及运行

风冷式空调制冷机分两类：风冷式冷风机组和风冷式冷水机组。

风冷式冷水机组相对风冷式冷风机组制冷效率低，不适于 IDC 机房。

3.1. 室内机组

空调室内机组的回风温度从 22℃提高到 24℃时，空调机组的总

制冷量可增加约 5.6％（如图 1）。因此，提高空调机组的回风温度，

可以提高空调机组的制冷能力。

3.2. 室外机组

室外环境温度越高、或室外空调机组周围的环境温度越高，越

不利于室外机组排热。以某型机组为例，当室外环境温度由 35℃升

高至 45℃时，室外机组的排热能力降低一半。（如图 7 所示）为了

提高室外机组的排热能力，确保机组之间足够的安装空间，是保证

冷却空气有足够进风空间的前提条件。

图 7 室外环境温度对机组冷凝器排热量的影响

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四、 其他节能措施

IDC 机房全年都需要空调制 冷，空调耗能非常大，结合采用与

之相适应的节能新技术，充分利用可再生能源，能实现 IDC 机房空

调系统的全年节能运行。

4.1. 冬季充分利用室外冷空气作冷源

北京地区室外空气温度除了 4 月中旬～9 月中旬，其它大部分

时间的室外温度都低于 15℃，相当于目前 IDC 机房的空调送风温度。

充分利用这种天然能源，其节能效果是非常可观的。

图 8 北京地区室外空气干球温度全年逐时变化规律

4.2. 采用水冷式空调制冷机

IDC 机房通常采用风冷式的空调机组，受室外气象条件的影响

很大，室外温度越高，制冷效率下降越快。

水冷式空调制冷机组制冷效率高、处理冷量大，受室外气象条

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件的影响小于风冷式空调制冷机，更适合于高发热密度的大、中型

IDC 机房。

五、综合建议

（1） 机房环境设计标准应严格执行 ASHRAE 标准（2007）

与 TIA/EIA-942 标准（2005）给出的明确规定；

（2） 机架形式应采用前进风、后出风的开敞式机架，利于

散热；

（3） 机架布置方式应采用冷 /热分区的布置方式，热通道间

距大于冷通道间距，有利于热通道散热；

（4） 空调送风方式优先采用地板下送风方式，并确保地板

下的送风空间不能被水管道、电缆线等遮挡；

（5） 对于机房热负荷较小或采用地板送风方式受建 筑条件

限制的中、小型 IDC 机房，可考虑采用管道上送风方式，并使送风

口尽量接近机架；

（6） 对于高发热密度的大、中型 IDC 机房，优先采用水冷

式空调制冷机；

（7） 对于中、小型 IDC 机房，可考虑采用风冷式空调制冷

机，但必须保证室外机有足够的安装空间；

（8） 充分利用冬季天然冷源，有条件的 IDC 机房尽量采用

直接或间接利用室外新风制冷的节能方式。

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