文|艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 王前方 張海濤
隨著技術(shù)的發(fā)展,人們之間的信息交流也逐漸豐富,社會對信息的需求和交流在迅速的增加,社交、微博、云計算也迅速成為熱門詞匯,從而也帶動了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。數(shù)據(jù)中心是信息存儲、交互、處理的地方,是容納計算機設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備的物理空間,為了保證大發(fā)熱量的電子設(shè)備的可靠運行,機房空調(diào)系統(tǒng)必不可少。近年來數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的擴大,能耗的不斷增加,其能耗也越來越受關(guān)注。根據(jù)能源研究所的統(tǒng)計,2009年中國數(shù)據(jù)中心能耗高達364億千瓦時,美國在2010年數(shù)據(jù)中心的能耗高達1000億千瓦時,預(yù)計到2011年中國的數(shù)據(jù)中心總能耗將超過500億千瓦時。據(jù)EYP報告,數(shù)據(jù)中心能耗中的37%被空調(diào)系統(tǒng)消耗,此時PUE(能源利用效率)的制冷因子為0.74。數(shù)據(jù)中心能耗分布,如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布
無論從減少對能源的消耗,還是降低數(shù)據(jù)中心的運行成本獲取商業(yè)價值的角度,都需要降低數(shù)據(jù)中心的能耗,空調(diào)就是重要的一環(huán)。而且隨著近幾年來數(shù)據(jù)中心空調(diào)方案的發(fā)展,能采用的節(jié)能措施也越來也多。
數(shù)據(jù)中心空調(diào)內(nèi)主要是大發(fā)熱量的電子設(shè)備,有它本身的特殊要求。如恒溫恒濕控制、大風(fēng)量小焓差、高顯熱比、高可靠性、有冗余備份、全年制冷運行等。圖2詳細描述了數(shù)據(jù)中心的熱量來源和影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的多種因素。
從熱量來源來看,主要是設(shè)備發(fā)熱量和室外傳熱量。要減少室外傳遞的熱量可以從提高數(shù)據(jù)中心環(huán)境設(shè)定溫度、提高建筑結(jié)構(gòu)隔熱能力、加強機房密封性能、減少太陽輻射熱量等方面進行。
在數(shù)據(jù)中心熱負(fù)荷確定后,要降低空調(diào)系統(tǒng)能耗,就需要從空調(diào)應(yīng)用方案和空調(diào)制冷方式入手??照{(diào)應(yīng)用方案的節(jié)能措施主要包括采用高能效空調(diào)機組、選擇最優(yōu)空調(diào)送風(fēng)方案、機柜采用冷熱通道布局、采用高熱密度設(shè)計、選擇變?nèi)萘靠照{(diào)設(shè)備、應(yīng)用智能群控技術(shù)、加強日常維護等。其中任何一項都有值得深入研究的內(nèi)容。
空調(diào)制冷方式近年來逐漸受到廣泛關(guān)注,主要就是采用自然冷卻方案(Free Cooling)。數(shù)據(jù)中心需要全年制冷,室外溫度低于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部溫度時,仍然需要空調(diào)提供冷量,如果把室外自然界的低溫冷源直接用來冷卻機房,就可以節(jié)約能源消耗,這類方案稱為自然冷卻方案。
圖2
自然冷卻方案由于利用自然界的低溫冷源,降低機械制冷的運行時間,所以節(jié)能的潛力非常大。從空調(diào)應(yīng)用方案方面采用節(jié)能措施,主要是提高機械制冷的效率和利用率,做到最優(yōu)時,PUE的制冷因子可低至0.35~0.4,而采用自然冷卻,如果條件允許時,最低PUE制冷因子可以小于0.05。但采用自然冷卻也有諸多限制,其中最重要的是要受數(shù)據(jù)中心所在地的氣候條件限制,溫度越低,低溫時間越長越有利于自然冷卻方案的實施。所以在大部分情況下,自然冷卻方案并不能單獨應(yīng)用,而需要和機房空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合采用,在條件達到時采用自然冷卻方案。
自然冷卻方案有多種方式,主要分為兩大類:空氣節(jié)能自然冷卻系統(tǒng)和液體節(jié)能自然冷卻系統(tǒng)??諝夤?jié)能自然冷卻系統(tǒng)是向數(shù)據(jù)中心內(nèi)引入適當(dāng)量的冷空氣以滿足制冷需要。系統(tǒng)上的傳感器測量數(shù)據(jù)中心內(nèi)外的空氣狀態(tài),若使用外部空氣進行制冷的條件合適,節(jié)能系統(tǒng)把外部空氣引入以對數(shù)據(jù)中心進行完全或部分冷卻,減少或消除對空調(diào)機械制冷的運行需求。液體節(jié)能系統(tǒng)一般集成在基于制冷劑、冷凍水或乙二醇的制冷系統(tǒng)中。此類系統(tǒng)包含換熱器盤管、泵循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔或干冷器以滿足制冷需求。節(jié)能自然冷卻系統(tǒng)工作時,系統(tǒng)中的低溫液體通過換熱器盤管冷卻數(shù)據(jù)中心,從而減少空調(diào)/壓縮機的工作量,下面將分別介紹。
在室外溫度低于室內(nèi)溫度時,直接引入室外新風(fēng)冷卻機房是最容易想到的自然冷卻方案。直接新風(fēng)自然冷卻方案由于其鮮明的優(yōu)缺點一直受到大家的關(guān)注,也產(chǎn)生了巨大的爭議。其優(yōu)勢是初始投資低,實現(xiàn)方案簡單,而且節(jié)能效率非常高。但其缺點也同樣突出,新風(fēng)引入機房內(nèi)會污染機房,主要包括灰塵、濕度、二氧化硫等化學(xué)成分,會威脅到設(shè)備的安全運行,造成總成本上升。改進的新風(fēng)直接自然冷卻方案可以將符合溫度條件的室外冷空氣通過化學(xué)過濾、濕度等手段處理,達到數(shù)據(jù)中心空氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的冷空氣,然后送入數(shù)據(jù)中心,但這種方案會提高濕度控制和化學(xué)過濾等方面的成本,在很多地區(qū)都會得不償失,所以需要認(rèn)真核算投資回報率。目前在國內(nèi)僅僅有幾個數(shù)據(jù)中心在進行相關(guān)的嘗試和試點。如果想進一步提高直接新風(fēng)冷卻的效率,可以在新風(fēng)冷卻的基礎(chǔ)上增加噴淋段,采用蒸發(fā)冷卻的原理降低空氣溫度。
為避免傳統(tǒng)的直接新風(fēng)自然冷卻的缺點,可以采用間接新風(fēng)自然冷卻方案。這類方案采用一個空氣—空氣換熱器,使室外低溫空氣的冷量通過換熱器傳遞給室內(nèi)高溫空氣,室內(nèi)外空氣完全隔離,避免因外部新風(fēng)進入機房內(nèi)而造成污染等問題。但此方案也有比較明顯的缺點,由于空氣—空氣換熱效率的問題,換熱設(shè)備尺寸非常大,占用巨大的空間,而且節(jié)能效率也大受影響,所以在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用也較為少見。
目前風(fēng)冷機房空調(diào)的應(yīng)用仍然占據(jù)了主流地位,在風(fēng)冷機房空調(diào)機組上實現(xiàn)自然冷卻方案將會給行業(yè)帶來很好的節(jié)能效果。在室外低溫時采用制冷劑泵代替壓縮機循環(huán)制冷劑,在室外機吸收室外冷量,在室內(nèi)換熱器釋放冷量冷卻機房,可以實現(xiàn)自然冷卻,泵的功耗僅僅是壓縮機的十分之一到幾十分之一,節(jié)能效果非常顯著。由于循環(huán)的制冷劑在室內(nèi)外換熱器會有蒸發(fā)和冷凝過程,所以所需的流量小于水,泵的功率小,效率較高。方案原理如圖3所示。
以前受制于各種技術(shù)因素,在風(fēng)冷機房空調(diào)上采用自然冷卻的方案均沒有成熟的產(chǎn)品,但近幾年已經(jīng)有廠家推出了相關(guān)的產(chǎn)品,其應(yīng)用領(lǐng)域可以覆蓋到秦嶺以北的廣大北方區(qū)域。如果能隔離機房冷熱氣流,使回風(fēng)溫度升高,甚至能在長江流域推廣使用。
此方案的優(yōu)勢是可以在采用風(fēng)冷機房空調(diào)的任何大小和種類的機房中使用,應(yīng)用面極廣,較好的利用原有風(fēng)冷機房空調(diào)的設(shè)備,共用了風(fēng)機、散熱器等部件,既可在新建機房中使用,也可為老機房進行改造,其節(jié)能率較高。艾默生公司在內(nèi)蒙古某機房掛電表實測,在室外0℃時,制冷運行工況節(jié)能率達到40%。
圖3
目前越來越多的冷水系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心,在冷水系統(tǒng)上如何高效安全地應(yīng)用自然冷卻是近年來人們所關(guān)注的熱點。數(shù)據(jù)中心冷水系統(tǒng)分為風(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。風(fēng)冷型的自然冷卻方案一般集成在冷水機組上,由廠家直接提供帶自然冷卻功能的風(fēng)冷冷水機組。原理如圖4所示。
圖4
水冷系統(tǒng)的自然冷卻一般是在冷卻水和冷水回路之間增加換熱器,如圖5所示。在室外溫度較低時,部分開啟冷水機組或者關(guān)閉冷水機組,直接用低溫冷卻水作為冷源來冷卻冷水。水冷系統(tǒng)的自然冷卻方案一般由設(shè)計單位設(shè)計,可以有多種設(shè)計方案和控制邏輯,并由相關(guān)的廠商提供相應(yīng)的設(shè)備。在北方寒冷地區(qū)采用自然冷卻時,需要注意冷卻水系統(tǒng)的防凍問題,或者選擇采用防凍劑。
圖5
冷水自然冷卻一般應(yīng)用于中大型數(shù)據(jù)中心,可以根據(jù)具體情況選擇不同的自然冷卻方案,但需要充分考慮切換時的邏輯設(shè)計,并考慮出現(xiàn)意外時的應(yīng)急方案,避免風(fēng)險。
如果機房采用乙二醇機房空調(diào)系統(tǒng),就可以采用乙二醇自然冷卻方案。乙二醇機房空調(diào)室外采用干冷器散熱,冷卻液為乙二醇的水溶液,在冷凝器中與制冷劑交換熱量。如果在室內(nèi)機組上增加節(jié)能換熱盤管可實現(xiàn)自然冷卻,如圖6所示。當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)合適溫度時,可以直接把經(jīng)過室外冷卻的乙二醇溶液導(dǎo)入節(jié)能換熱盤管,直接冷卻機房,可以減少壓縮機的運行時間,降低能耗。
此方案的優(yōu)勢在于室內(nèi)外機組的距離基本不受限制,但節(jié)能效率低于風(fēng)冷機房空調(diào)自然冷卻與冷水系統(tǒng)自然冷卻方案,而且必須是在用乙二醇冷卻的機組上進行,應(yīng)用的范圍較窄。
選擇自然冷卻方案時,需要考慮多種因素。如方案的可行性、投資回報率、可靠性、可維護性等。
圖6
自然冷卻的方案受到多重因素的影響,如數(shù)據(jù)中心地理位置、建筑結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)的冷卻方式等。特別是老的數(shù)據(jù)中心改造或者擴容,更需要詳細的考慮多種因素。
選擇自然冷卻方案首先要考慮據(jù)數(shù)據(jù)中心所在地理位置的氣候情況,能否采用自然冷卻方案?采用哪種制冷方案?一般來講,直接新風(fēng)自然冷室內(nèi)外溫差小于1℃就可以應(yīng)用,而液體節(jié)能自然冷卻一般要達到10℃以上的溫差。
建筑結(jié)構(gòu)也對自然冷卻的方案有影響,有許多自然冷卻方案占地空間較大,數(shù)據(jù)中心能否提供足夠的空間,另外空調(diào)自然冷卻系統(tǒng)對空間的占用是否會減少數(shù)據(jù)中心使用面積等因素同時需要考慮。
空調(diào)系統(tǒng)的冷卻方式對自然冷卻方案有很大的影響,自然冷卻方案要和空調(diào)系統(tǒng)配合使用,例如采用風(fēng)冷機房空調(diào)就需要選擇與之配套的自然冷卻方案,如果采用其他方案,就需要更大的投資和空間占用。
對于數(shù)據(jù)中心來講,方案的可靠性是非常重要的,因為數(shù)據(jù)中心內(nèi)有大量的發(fā)熱電子設(shè)備,如空調(diào)系統(tǒng)故障,幾分鐘內(nèi)設(shè)備就會宕機,可能會造成巨大的損失。帶自然冷卻的空調(diào)系統(tǒng)可靠性要求不能降低。例如下面的一些因素需要考慮:
◆新風(fēng)自然冷卻方案使得數(shù)據(jù)中心溫濕度范圍擴大、潔凈度下降、硫化物等濃度上升,對電子設(shè)備可靠性的影響需要重新評估,溫濕度要控制在一定的范圍內(nèi);
◆機械制冷和自然冷卻切換過程的可靠性;
◆自然冷卻系統(tǒng)如果失效,啟動機械制冷的時間要滿足要求;
◆自然冷卻系統(tǒng)是否會對空調(diào)系統(tǒng)本身的可靠性造成影響。
方案的可維護性也非常關(guān)鍵,特別是對于新風(fēng)自然冷卻方案,過濾器的更換周期、難易程度等因素要詳細評估,需要有良好的可維護性。
自然冷卻方案需要對空調(diào)系統(tǒng)增加投資,投資回報周期需要進行評估。當(dāng)一種或幾種方案確定后,需要對方案的初始投資、每年的節(jié)省費用、其他費用進行計算。節(jié)能量的計算需要根據(jù)氣象部門提供的當(dāng)?shù)囟嗄隁夂驍?shù)據(jù),根據(jù)具體方案的設(shè)計參數(shù),評估出能采用自然冷卻的時間,并逐時計算能節(jié)省的能耗,全年累加得出節(jié)能量和節(jié)省的費用。但很多時候大家會忘記其他的一些費用,如下面的情況:
◆由于采用自然冷卻使數(shù)據(jù)中心的溫濕度控制范圍擴大、潔凈度下降、硫化物等濃度上升,造成IT設(shè)備故障率升高,IT設(shè)備的成本升高;
◆設(shè)備故障率升高,提供的服務(wù)質(zhì)量下降,會造成業(yè)務(wù)損失;
◆由于可靠性的下降造成數(shù)據(jù)中心宕機,增加了風(fēng)險成本;
◆空調(diào)系統(tǒng)維護量的增加而造成的費用。
如果自然冷卻方案對這些方面造成了影響,就需要對這部分費用進行核算評估,并在計算投資回報周期時考慮。
表1根據(jù)上文描述的因素和方案給出了具體的一些方法和數(shù)據(jù),供大家選擇參考。
表1
本文通過對目前常見的數(shù)據(jù)中心自然冷卻方案進行了分析,指出其優(yōu)缺點、適應(yīng)的情況。并提出選擇數(shù)據(jù)中心自然冷卻不僅僅要考慮可行性、節(jié)能量,還要考慮可靠性、維護性。在計算投資回收周期時,不僅要考慮初始投資、節(jié)能費用,也需要計算由于自然冷卻方案造成的其他費用的支出。