如何應用綠色空調解決方案建置節能環保的資料中心

在企業既有的辦公空間改建機房，對機房設計工程師而言是一項艱鉅的任務。空間大小、樓層高度、對外窗戶有無，都會產生極大的影響。耗費機房幾乎一半電源的空調系統，是影響機房是否節能的關鍵因素。本個案研究將說明，在企業辦公大樓改建綠色機房時，所使用的空調系統解決對策。

背景

台達電子的台北總部原有兩個機房，分處兩棟辦公大樓。本機房改建專案計畫將兩者合而為一，達到資源集中化和系統整合，主要目的在於高可靠度、環保、及模組化設計下的超高擴充性。

台達電子是一家在世界各地都有銷售據點、生產設備及研發中心的跨國企業，需要擁有高度「電腦化」的系統以有效處理全球業務。為保護企業資源規劃（ERP）、電子郵件伺服器、網頁伺服器、及其他各種應用程式伺服器等各種重要系統及 IT 應用，機房基礎設施的可靠度是最高優先的考慮因素。

此外，可能更重要的是，台達電子決心基於「Smarter, Greener, Together（共創智能綠生活）」的理念，建置一個年平均電源使用效率（PUE）低於 1.43 的新機房，以符合Green Grid聯盟所定義機房效率的黃金級標準。

概述

新機房佔地約230平方米，分為冷通道封閉區A／B及熱通道封閉區C／D，共有63只機櫃，計畫在5年內達到240-280kW 的IT設備容量。另有獨立房間儲放兩套UPS及多組電池櫃。顯示台達資料中心基礎設施管理系統 （InfraSuite Manager）、IT設備使用率、及即時視訊監控的2x3 LCD 面板電視牆，可充分目視並管理機房設備。

 

空調系統

有諸多因素使得原有的兩個機房每年耗費大量能源。PUE 2.01 代表每 1kW 的 IT 設備功率消耗，需要等量的非 IT 功率消耗來冷卻。為大幅提高能效達成 PUE 1.43 以下的目標，台達採取下列六大對策：

問題 影響 對策 1. 缺乏冷／熱通道封閉 由於冷熱混風，必須設定較低的溫度 冷／熱通道封閉 2. 傳統的氣冷式空調 冷卻效率偏低 高效率水冷系統 3. 缺乏可變氣流量及可變水流量系統 即使在低負載也使用高風扇轉速 變頻HVAC 4. 缺少自然冷卻 春、秋或冬季無法使用外部冷空 使用自然冷卻Free Cooling (氣側及水水側皆有) 5. 未與大樓空調系統同步 未使用大樓空調系統獲得較佳能效 機房與大樓空調系統智慧同步 6. 機房及冷卻水溫度偏低 電力需求提高 提高溫度

1. 冷／熱通道封閉及 RowCool 應用
冷／熱通道封閉可避免冷熱空氣混合，提高冷卻效率，搭配貼近熱源的台達RowCool，可以有效移除熱點，避免IT設備過熱導致當機。

2. 水冷式空調系統
相較於傳統氣冷式空調系統，水冷式系統可節能三成，以 40RT（冷凍噸）的系統為例，能耗可從 1.25kW/RT 降到0.89kW/RT。

系統 冷氣 水冷 能耗 1.25kW/RT 0.89kW/RT (-30%)

3. 變頻 HVAC系統
RowCool 系統的連續可調式風扇轉速，及水量控制有助於大幅節能，風扇速度降低一成，估計可節能27%。RowCool 系統中直流風扇及室外機組皆採用變頻技術。冷卻水塔的風扇採用可變氣流量控制，冰水主機和冷凝水泵浦則採用可變水流量控制。

4. 自然冷卻Free Cooling（空氣側及水側）
台灣台北市的天候狀況下，一年裡有46%的時間可採用自然冷卻。溫度低於25℃時，空氣側自然冷卻自動啟動，將外部冷空氣導入機房，並將 RowCool機組、泵浦、冷卻水塔及冰水機組關機。溫度低於15℃時，水側熱交換器及冷卻水塔自然冷卻系統啟動，機房冰水機組則關機降低能耗。

5. 機房與大樓冰水主機智慧同步
台達台北總部大樓獲認證為「鑽石級綠建築」，能耗較一般辦公大樓低58%。大樓本身配備兩套冰水主機系統：

容量 效率 冷卻範圍 作業時段 大樓冰水機組 高 高 辦公區 日間 機房冰水機組 低 低 機房區 夜間

「機房冰水主機」日間關機，使用大樓高效率冰水主機。夜間「機房冰水主機」開機，為機房提供冷氣。機房空調系統與大樓空調系統智慧同步，將節能效果發揮到極致。

6. 最佳機房溫度設定
按國際標準的建議值，機房溫度變化範圍在18~27℃及20~25℃之間。機房溫度一般雖然設定在符合建議範圍的18~20℃之間，但仍有改善空間。

 

國際標準 溫度範圍理想值 TIA-942 20 ~ 25 ℃ ASHRAE TC 9.9 18 ~ 27 ℃ NBES 18 ~ 27 ℃

粗略估計，機房溫度每升高一度可帶來2~3%的節能。依此規則，如把冷通道的溫度從18~20℃ 提高到 25℃，機房可節能10~14%。此外，RowCool的入水溫度也可提高進一步節能，通常的做法是將冰水入水溫度設定在7℃，如果提高到 13℃，機房可節能20%。

除空調系統外，台達的資料中心整體基礎設施解決方案還應用到高效率電源系統、模組化機櫃及資料中心環境管理系統，使整個資料中心各方面都達到「綠化」標準。

 

電源系統

機房對可靠度、效率及擴充性的要求，對電源系統是極大的挑戰。新機房所採用的台達Modulon DPH 系列 UPS，是新世代、全模組化、可熱插拔、AC-AC 效率達96% 的高性能UPS，其熱插拔電源模組可支援機房從中長期的無縫升級。

台達的 PDC 及 PDU 也採用模組化設計，例如，其輸出斷路器可熱插拔、兩組配電盤各可擴充達 42 組斷路器。PDC 及 PDU具備優異的電源保護及監控能力，其彈性及擴充性可配合實際的配電需求。

 

機櫃及配件

氣流管理對於配備中高功率密度機櫃的機房極為重要。台達的新機房長期規劃機櫃功率密度可達10~15kVA。模組化機櫃的開孔率達70%以上，可滿足高密度IT機房的需求。機櫃具有高承載力，靜態承重達1420kg或動態承重達1000kg，不佔太多寶貴的機房空間。

 

環境管理系統

台達資料中心管理系統（DCIM）系統的 InfraSuite Manager，整合各種設施及 IT 設備於單一平台。環境監測器(EnviroProbe)搭配中央監測站(EnviroStation)可以對能源、電力系統、空調、環境、保全、資產、伺服器監控等各種裝置，進行無縫、即時及完整的管理。PUE歷史紀錄可協助 IT 管理人員，分析及瞭解機房電源使用的效率。

 

效益

這座採用多種綠色空調、電源、機櫃解決方案的新機房，可望達成下列效益：

• PUE最佳化：PUE 值從 2.01 改善到 1.44（2014 年 7 到 10 月），估計可達成黃金級機房的目標。在冬季氣候下，PUE 將因自然冷卻而進一步提高。 
  
• 節能：總能耗降低 3 成。

• 節省空間：機房總空間從 170+130=300平方米減少23%到230平方米。

台達關鍵基礎架構事業部（MCIS）再度證明，兼具擴充性、模組化、標準化及易於維修的InfraSuite 資料中心基礎設施解決方案，是建構高可靠度及高能效機房的最佳選擇。