如何選擇數(shù)據(jù)中心空調(diào)自然冷卻方案

文｜艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 王前方 張海濤

1 必須關(guān)注數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗

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(huì)對(duì)信息的需求和交流在迅速的增加，社交、微博、云計(jì)算也迅速成為熱門(mén)詞匯，從而也帶動(dòng)了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。數(shù)據(jù)中心是信息存儲(chǔ)、交互、處理的地方，是容納計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)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(yùn)行，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)必不可少。近年來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，能耗的不斷增加，其能耗也越來(lái)越受關(guān)注。根據(jù)能源研究所的統(tǒng)計(jì)，2009年中國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)364億千瓦時(shí)，美國(guó)在2010年數(shù)據(jù)中心的能耗高達(dá)1000億千瓦時(shí)，預(yù)計(jì)到2011年中國(guó)的數(shù)據(jù)中心總能耗將超過(guò)500億千瓦時(shí)。據(jù)EYP報(bào)告，數(shù)據(jù)中心能耗中的37%被空調(diào)系統(tǒng)消耗，此時(shí)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(wú)論從減少對(duì)能源的消耗，還是降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本獲取商業(yè)價(jià)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(lái)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(lái)也多。

2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施

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(yùn)行等。圖2詳細(xì)描述了數(shù)據(jù)中心的熱量來(lái)源和影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的多種因素。

從熱量來(lái)源來(lái)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(qiáng)機(jī)房密封性能、減少太陽(yáng)輻射熱量等方面進(jìn)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。空調(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(jī)組、選擇最優(yōu)空調(diào)送風(fēng)方案、機(jī)柜采用冷熱通道布局、采用高熱密度設(shè)計(jì)、選擇變?nèi)萘靠照{(diào)設(shè)備、應(yīng)用智能群控技術(shù)、加強(qiáng)日常維護(hù)等。其中任何一項(xiàng)都有值得深入研究的內(nèi)容。

空調(diào)制冷方式近年來(lái)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(shí)，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(lái)冷卻機(jī)房，就可以節(jié)約能源消耗，這類(lèi)方案稱為自然冷卻方案。

圖2

3 數(shù)據(jù)中心自然冷卻方案

自然冷卻方案由于利用自然界的低溫冷源，降低機(jī)械制冷的運(yùn)行時(shí)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(jī)械制冷的效率和利用率，做到最優(yōu)時(shí)，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(shí)，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(shí)間越長(zhǎng)越有利于自然冷卻方案的實(shí)施。所以在大部分情況下，自然冷卻方案并不能單獨(dú)應(yīng)用，而需要和機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合采用，在條件達(dá)到時(shí)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(lèi)：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(cè)量數(shù)據(jù)中心內(nèi)外的空氣狀態(tài)，若使用外部空氣進(jìn)行制冷的條件合適，節(jié)能系統(tǒng)把外部空氣引入以對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行完全或部分冷卻，減少或消除對(duì)空調(diào)機(jī)械制冷的運(yùn)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(lèi)系統(tǒng)包含換熱器盤(pán)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(shí)，系統(tǒng)中的低溫液體通過(guò)換熱器盤(pán)管冷卻數(shù)據(jù)中心，從而減少空調(diào)/壓縮機(jī)的工作量，下面將分別介紹。

3.1 直接新風(fēng)自然冷卻方案

在室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，直接引入室外新風(fēng)冷卻機(jī)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(diǎn)一直受到大家的關(guān)注，也產(chǎn)生了巨大的爭(zhēng)議。其優(yōu)勢(shì)是初始投資低，實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單，而且節(jié)能效率非常高。但其缺點(diǎn)也同樣突出，新風(fēng)引入機(jī)房?jī)?nèi)會(huì)污染機(jī)房，主要包括灰塵、濕度、二氧化硫等化學(xué)成分，會(huì)威脅到設(shè)備的安全運(yùn)行，造成總成本上升。改進(jìn)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(guò)化學(xué)過(guò)濾、濕度等手段處理，達(dá)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(huì)提高濕度控制和化學(xué)過(guò)濾等方面的成本，在很多地區(qū)都會(huì)得不償失，所以需要認(rèn)真核算投資回報(bào)率。目前在國(guó)內(nèi)僅僅有幾個(gè)數(shù)據(jù)中心在進(jìn)行相關(guān)的嘗試和試點(diǎn)。如果想進(jìn)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。

3.2 間接新風(fēng)自然冷卻方案

為避免傳統(tǒng)的直接新風(fēng)自然冷卻的缺點(diǎn)，可以采用間接新風(fēng)自然冷卻方案。這類(lèi)方案采用一個(gè)空氣—空氣換熱器，使室外低溫空氣的冷量通過(guò)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(jìn)入機(jī)房?jī)?nèi)而造成污染等問(wèn)題。但此方案也有比較明顯的缺點(diǎn)，由于空氣—空氣換熱效率的問(wèn)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(jiàn)。

3.3 風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)自然冷卻方案

目前風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的應(yīng)用仍然占據(jù)了主流地位，在風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)機(jī)組上實(shí)現(xiàn)自然冷卻方案將會(huì)給行業(yè)帶來(lái)很好的節(jié)能效果。在室外低溫時(shí)采用制冷劑泵代替壓縮機(jī)循環(huán)制冷劑，在室外機(jī)吸收室外冷量，在室內(nèi)換熱器釋放冷量冷卻機(jī)房，可以實(shí)現(xiàn)自然冷卻，泵的功耗僅僅是壓縮機(jī)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(huì)有蒸發(fā)和冷凝過(guò)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(jī)房空調(diào)上采用自然冷卻的方案均沒(méi)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(jī)房冷熱氣流，使回風(fēng)溫度升高，甚至能在長(zhǎng)江流域推廣使用。

此方案的優(yōu)勢(shì)是可以在采用風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的任何大小和種類(lèi)的機(jī)房中使用，應(yīng)用面極廣，較好的利用原有風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的設(shè)備，共用了風(fēng)機(jī)、散熱器等部件，既可在新建機(jī)房中使用，也可為老機(jī)房進(jìn)行改造，其節(jié)能率較高。艾默生公司在內(nèi)蒙古某機(jī)房掛電表實(shí)測(cè)，在室外0℃時(shí)，制冷運(yùn)行工況節(jié)能率達(dá)到40%。

圖3

3.4 冷水系統(tǒng)自然冷卻方案

目前越來(lái)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(lái)人們所關(guān)注的熱點(diǎn)。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(jī)組上，由廠家直接提供帶自然冷卻功能的風(fēng)冷冷水機(jī)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(shí)，部分開(kāi)啟冷水機(jī)組或者關(guān)閉冷水機(jī)組，直接用低溫冷卻水作為冷源來(lái)冷卻冷水。水冷系統(tǒng)的自然冷卻方案一般由設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，可以有多種設(shè)計(jì)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(shí)，需要注意冷卻水系統(tǒng)的防凍問(wèn)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(shí)的邏輯設(shè)計(jì)，并考慮出現(xiàn)意外時(shí)的應(yīng)急方案，避免風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 乙二醇自然冷卻方案

如果機(jī)房采用乙二醇機(jī)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(jī)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(jī)組上增加節(jié)能換熱盤(pán)管可實(shí)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(shí)，可以直接把經(jīng)過(guò)室外冷卻的乙二醇溶液導(dǎo)入節(jié)能換熱盤(pán)管，直接冷卻機(jī)房，可以減少壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低能耗。

此方案的優(yōu)勢(shì)在于室內(nèi)外機(jī)組的距離基本不受限制，但節(jié)能效率低于風(fēng)冷機(jī)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(jī)組上進(jìn)行，應(yīng)用的范圍較窄。

4 選擇自然冷卻方案需考慮的因素

選擇自然冷卻方案時(shí)，需要考慮多種因素。如方案的可行性、投資回報(bào)率、可靠性、可維護(hù)性等。

圖6

4.1 方案的可行性

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(kuò)容，更需要詳細(xì)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(lái)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(dá)到10℃以上的溫差。

建筑結(jié)構(gòu)也對(duì)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(duì)空間的占用是否會(huì)減少數(shù)據(jù)中心使用面積等因素同時(shí)需要考慮。

空調(diào)系統(tǒng)的冷卻方式對(duì)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(jī)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。

4.2 自然冷卻的可靠性

對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)講，方案的可靠性是非常重要的，因?yàn)閿?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(huì)宕機(jī)，可能會(huì)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(kuò)大、潔凈度下降、硫化物等濃度上升，對(duì)電子設(shè)備可靠性的影響需要重新評(píng)估，溫濕度要控制在一定的范圍內(nèi)；

◆機(jī)械制冷和自然冷卻切換過(guò)程的可靠性；

◆自然冷卻系統(tǒng)如果失效，啟動(dòng)機(jī)械制冷的時(shí)間要滿足要求；

◆自然冷卻系統(tǒng)是否會(huì)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)本身的可靠性造成影響。

4.3 自然冷卻系統(tǒng)的可維護(hù)性

方案的可維護(hù)性也非常關(guān)鍵，特別是對(duì)于新風(fēng)自然冷卻方案，過(guò)濾器的更換周期、難易程度等因素要詳細(xì)評(píng)估，需要有良好的可維護(hù)性。

4.4 投資回報(bào)周期

自然冷卻方案需要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)增加投資，投資回報(bào)周期需要進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)一種或幾種方案確定后，需要對(duì)方案的初始投資、每年的節(jié)省費(fèi)用、其他費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。節(jié)能量的計(jì)算需要根據(jù)氣象部門(mén)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(jì)參數(shù)，評(píng)估出能采用自然冷卻的時(shí)間，并逐時(shí)計(jì)算能節(jié)省的能耗，全年累加得出節(jié)能量和節(jié)省的費(fèi)用。但很多時(shí)候大家會(huì)忘記其他的一些費(fèi)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(kuò)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(huì)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(jī)，增加了風(fēng)險(xiǎn)成本；

◆空調(diào)系統(tǒng)維護(hù)量的增加而造成的費(fèi)用。

如果自然冷卻方案對(duì)這些方面造成了影響，就需要對(duì)這部分費(fèi)用進(jìn)行核算評(píng)估，并在計(jì)算投資回報(bào)周期時(shí)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

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)目前常見(jiàn)的數(shù)據(jù)中心自然冷卻方案進(jìn)行了分析，指出其優(yōu)缺點(diǎn)、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(hù)性。在計(jì)算投資回收周期時(shí)，不僅要考慮初始投資、節(jié)能費(fèi)用，也需要計(jì)算由于自然冷卻方案造成的其他費(fèi)用的支出。