滕世興

中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院

0 引言

隨著數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功率密度的不斷提高，解決機(jī)房散熱問題受到各界強(qiáng)烈關(guān)注。IT/電信相關(guān)的碳排放已經(jīng)成為最大的溫室氣體排放源之一，且排放勢(shì)頭隨著計(jì)算，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信技術(shù)需求的增長(zhǎng)快速上升。即使大力提高數(shù)據(jù)中心的能效，到 2020年，全球IT相關(guān)碳排放也將達(dá)到15.4億噸。杭州是全國(guó)5個(gè)云計(jì)算服務(wù)創(chuàng)新發(fā)展試點(diǎn)示范城市之一，在云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展上走在前列。預(yù)計(jì)到2017年，杭州將培育2至 3家國(guó)際知名百億級(jí)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)龍頭企業(yè)，打造200家中小型云計(jì)算和大數(shù)據(jù)服務(wù)企業(yè)。所以研究影響杭州地區(qū)數(shù)據(jù)中心能耗最直接、最關(guān)鍵的冷源方案設(shè)置，顯得尤為重要。

1 杭州地區(qū)空氣質(zhì)量分析

AQ（I Air Quality Index，空氣質(zhì)量指數(shù)）是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù)，主要污染物為細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六項(xiàng)。從圖1可以看出，杭州地區(qū)全年 AQI低于100（優(yōu)、良）的天數(shù)約70%。

圖1 杭州AQI日分布情況圖

SO2會(huì)腐蝕電路板和連接件，是服務(wù)器敏感污染物，SO2的濃度＜10 ppb，即 28 ug/m3適合數(shù)據(jù)中心服務(wù)器運(yùn)行[1]。通過分析杭州地區(qū) SO2日變化趨勢(shì)（圖2），杭州地區(qū)全年10%超出參考值。

圖2 杭州SO2日變化趨勢(shì)圖

通過AQI、SO2分析，杭州地區(qū)室外新風(fēng)全年不滿足率接近30%，不適合采用全新風(fēng)空調(diào)制冷方案。

2 杭州地區(qū)全年溫度分布分析

對(duì)應(yīng)15/21 ℃冷凍水制冷系統(tǒng)，制冷單元采用三種運(yùn)行模式：機(jī)械制冷模式（15.5 ℃＜濕球溫度）。部分自然冷卻模式（8 ℃＜濕球溫度＜15.5 ℃）。自然冷卻模式（濕球溫度＜8 ℃）。從圖3可以看出，杭州地區(qū)每個(gè)制冷模式區(qū)間內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，模式切換頻率低，運(yùn)行相對(duì)安全。杭州全年自然冷卻、部分自然冷卻比例達(dá)到40%（圖4），適合采用水冷自然冷卻形式。

圖3 杭州地區(qū)全年逐時(shí)濕球溫度對(duì)應(yīng)三種制冷模式時(shí)間分布圖

圖4 杭州地區(qū)三種制冷模式時(shí)間分布比例圖

3 杭州地區(qū)不同冷凍水溫度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

以杭州地區(qū)某1萬m2數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目為例，進(jìn)行不同冷凍水溫度自然冷卻時(shí)間、冷源（包括冷機(jī)、水泵、冷卻塔）耗電對(duì)比（表1）。本項(xiàng)目機(jī)柜容量6 kW/臺(tái)，機(jī)柜數(shù)量1000臺(tái)，電費(fèi)按照1元/kWh計(jì)算。

表1 杭州地區(qū)某數(shù)據(jù)中心不同冷凍水溫度對(duì)比

冷凍水溫度每提高1℃，冷水機(jī)組的制冷量將提高3%～4%。本項(xiàng)目冷凍水供回水溫度15/21 ℃較12/18 ℃制冷系統(tǒng)冷源部分年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用115萬，年節(jié)省10%左右。17/23℃較15/21℃制冷系統(tǒng)冷源部分年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用67萬，年節(jié)省6%左右。因此提高冷凍水溫度是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的關(guān)鍵。

4 數(shù)據(jù)中心常用冷源方案

4.1 水冷冷凍水機(jī)組+自然冷卻系統(tǒng)

本方案組成設(shè)備包含：水冷冷水機(jī)組、板式換熱器、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加藥裝置、蓄冷水罐、末端空調(diào)機(jī)組等組成（圖5）。

圖5 水冷冷凍水機(jī)組+自然冷卻系統(tǒng)圖

整個(gè)系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)組成，系統(tǒng)分三種工作模式：制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻。目前國(guó)內(nèi)主流大型數(shù)據(jù)中心主要采用該制冷方式。

4.2 風(fēng)冷冷凍水機(jī)組+自然冷卻系統(tǒng)

本方案組成設(shè)備包含：風(fēng)冷冷水機(jī)組、干冷器、板式換熱器、乙二醇泵、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加藥裝置、蓄冷水罐、末端空調(diào)機(jī)組等（圖6）。

圖6 風(fēng)冷冷凍水機(jī)組+自然冷卻系統(tǒng)圖

整個(gè)系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)和乙二醇水溶液系統(tǒng)組成，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自然冷卻、完全自然冷卻。帶自然冷卻功能的風(fēng)冷一體機(jī)，可以根據(jù)室外溫度自動(dòng)切換各種模式，適用于小型或者無法建設(shè)冷凍站的數(shù)據(jù)中心。

4.3 自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組+自然冷卻

自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)屬于分散式空調(diào)系統(tǒng)，是一套配置有壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)和乙二醇自然冷卻系統(tǒng)的一體機(jī)（圖7）。通過室外干式冷卻器（或冷卻塔）的強(qiáng)制冷卻，以乙二醇溶液為載冷劑，通過循環(huán)水泵將室外低溫免費(fèi)冷源間接帶入機(jī)房，對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行冷卻。夏季時(shí)，轉(zhuǎn)入常規(guī)水冷蒸發(fā)式壓縮機(jī)制冷。適用于極小型或者無法提供冷凍水的數(shù)據(jù)中心。

圖7 自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組+自然冷卻系統(tǒng)圖

5 方案比較

表2為初投資及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析。表中，PUE=所有設(shè)備的電耗/IT設(shè)備的電耗（kW/kW），W UE=制冷蒸發(fā)總耗水量/IT 設(shè)備的耗電（L/kWh）。不同的設(shè)備品牌價(jià)格對(duì)初投資影響較大，P UE、W UE 隨運(yùn)維的水平、機(jī) 柜的實(shí)際負(fù)載率變化較大。

表2 初投資及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析

表3為其他方面對(duì)比分析。

表3 其他方面對(duì)比分析

6 數(shù)據(jù)中心冷水機(jī)組變頻的節(jié)能性

表4為杭州地區(qū) 750RT冷機(jī)（制冷量 2637 kW）變頻、定頻全年能耗對(duì)比分析（電費(fèi)按照 1元/kWh 計(jì)算）。從表4中可以看出，單臺(tái)750RT變頻機(jī)組比單臺(tái)定頻機(jī)組全年節(jié)約電費(fèi) 26%，全年節(jié)約電費(fèi) 42 萬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1臺(tái)變頻器的費(fèi)用，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表4 杭州地區(qū)冷機(jī)變頻、定頻全年能耗對(duì)比分析

7 數(shù)據(jù)中心冷源設(shè)置相關(guān)規(guī)范要求

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)數(shù)據(jù)中心冷源部分對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的配置要求如表5[2]。

表5 《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》冷源部分要求

表6 《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》冷源部分要求

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA942-2014Infrastructure《Telecommunications Standard for Data Centers》（數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)數(shù)據(jù)中心冷源部分對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的配置要求如表6[3]。

UPTIME INSTITUE，L LC（美國(guó)）Date Center Site Infrastructure Tier Standard:Topology?！稊?shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：拓 撲設(shè)計(jì)》對(duì)數(shù)據(jù)中心冷源部分對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的配置要求如表7[4]。

表7 《數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：拓?fù)湓O(shè)計(jì)》冷源部分要求

8 結(jié)論

通過以上比較可以看出，在杭州地區(qū)水冷冷水機(jī)組（變頻）+自然冷卻系統(tǒng)方案，不論從初投資、運(yùn)行能耗，還是技術(shù)成熟度，都有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。特別是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) A 級(jí)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) T3、T4 級(jí)別數(shù)據(jù)中心所要求的連續(xù)制冷方面，在水資源充足的杭州地區(qū)是首選方案。在缺水干旱地區(qū)，市政給水量不足的地區(qū)，可以采用風(fēng)冷冷水機(jī)組+自然冷卻系統(tǒng)方案。極小型或者無法提供冷凍水的數(shù)據(jù)中心，建議采用自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組+自然冷卻方案。