毛文杰（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司上海分公司，上海 200050）

構(gòu)建數(shù)據(jù)中心綠色冷卻模式的比較與分析

毛文杰
（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司上海分公司，上海 200050）

因地制宜、天人合一，充分利用自然能源來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與大自然的和諧發(fā)展是本文的研究重點，通過考慮采用空氣側(cè)和水側(cè)的風(fēng)能與水能，在室外條件滿足的情況，作為空調(diào)設(shè)備的旁通運行，總結(jié)歸納了6個高效可行的綠色冷卻模式，并分別從建筑外形兼容性、可改造性、控制復(fù)雜程度、平均壽命、可用性風(fēng)險等方面進行比較分析，同時也提出了綠色冷卻模式應(yīng)用的限制因素，從而為建立綠色數(shù)據(jù)中心，完成節(jié)能減排指標，降低數(shù)據(jù)中心PUE提出了解決方案與技術(shù)方法。

數(shù)據(jù)中心；綠色冷卻模式；PUE；節(jié)能減排；旁通

1 概述

數(shù)據(jù)中心能耗已成為數(shù)據(jù)中心運行的最大成本，據(jù)統(tǒng)計機房空調(diào)系統(tǒng)占整個數(shù)據(jù)中心能耗比例接近40%左右，其中冷源部分占到2/3。通過利用大自然提供的“免費”冷源，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)備的使用耗能，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能耗指標整體優(yōu)化；歸納總結(jié)6種數(shù)據(jù)中心簡單可行的綠色冷卻模式，并從建筑外形兼容性、可改造性、控制復(fù)雜程度、平均壽命、可用性風(fēng)險等方面進行比較分析，提出其應(yīng)用場景與綜合決策方案，降低數(shù)據(jù)中心整體PUE值，以提升聯(lián)通數(shù)據(jù)中心客戶滿意度與品牌價值。

2 研究背景

2.1 綠色冷卻模式定義

綠色冷卻模式是一種在室外濕球溫度比較低時，通過相應(yīng)的技術(shù)方法將室外冷源引入建造物內(nèi)將熱量帶走，以達到降溫的目的。利用大自然提供的“免費”冷源，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)備的使用耗能，已成為構(gòu)建綠色數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)之一。

制冷系統(tǒng)可以使用的“免費”冷源主要有以下兩種方式：空氣側(cè)與水側(cè)免費制冷。目前，水側(cè)免費制冷已在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心得以應(yīng)用。

2.2 綠色冷卻模式原理與作用

在綠色冷卻模式下，其節(jié)能作用如下：（1）減少冬季空調(diào)壓縮機的運行時間，節(jié)能效果明顯；（2）延長壓縮制冷空調(diào)設(shè)備的使用壽命；（3）避免空調(diào)壓縮機的低溫啟動而可能存在的故障；（4）全部使用自然冷源冷卻，壓縮機制冷停止，降低機房噪音影響；（5）自然冷卻裝置系統(tǒng)、控制簡單，故障率低，維修簡單；（6）建設(shè)成本低，不需增加過多的額外投資，經(jīng)濟效益好；（7）降低運行維護成本，提高客戶滿意度。

在綠色冷卻模式下，空調(diào)壓縮機功能全部或部分被旁通所取代，從而消除或減少了壓縮機的能耗，壓縮機主要是在室外溫度高于數(shù)據(jù)中心溫度時用來將數(shù)據(jù)中心里的熱量排到室外。

3 綠色冷卻模式的種類

3.1 直接采用新風(fēng)模式

新風(fēng)節(jié)能冷卻模式，又稱直接通風(fēng)，當室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時，利用風(fēng)機和百葉從室外經(jīng)過過濾器抽取一定數(shù)量的冷風(fēng)與一定量的回風(fēng)混合后送入數(shù)據(jù)中心。

百葉和風(fēng)閥可以控制排到室外的熱風(fēng)與新風(fēng)的比例，以保持環(huán)境設(shè)定溫度。這種類型的節(jié)能冷卻模式也可以結(jié)合蒸發(fā)輔助一起使用，這樣室外空氣在進入數(shù)據(jù)中心前先穿過潮濕的網(wǎng)狀介質(zhì)或高壓細水噴霧。需要注意的是，這種類型的節(jié)能冷卻模式在結(jié)合蒸發(fā)輔助使用時會增加數(shù)據(jù)中心的濕度。

3.2 空——空換熱器模式

采用空氣換熱器作為冷卻模式，又稱為間接通風(fēng)，當室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時，利用室外空氣間接為數(shù)據(jù)中心制冷。這種模式使用風(fēng)機將室外冷風(fēng)吹到一組板或盤管上面，冷卻板或管的另一側(cè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱空氣，將數(shù)據(jù)中心內(nèi)的空氣與室外空氣完全隔離。

3.3 熱輪換熱器模式

采用熱輪換熱器作為節(jié)能冷卻模式，當室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時，利用風(fēng)機將室外冷風(fēng)吹入熱輪換熱器，以使數(shù)據(jù)中心各機房保持較為干燥的環(huán)境。

3.4 板式換熱器模式

采用板式換熱器作為節(jié)能冷卻模式，當室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時，利用冷卻水間接冷卻數(shù)據(jù)中心的冷凍水。冷水機組的旁通閥可以根據(jù)冷卻水的溫度決定是否關(guān)閉。這種類型的節(jié)能冷卻模式在熱交換器與冷水機組串聯(lián)連接時可以支持部分運行。這種類型的節(jié)能冷卻模式也可以使用大型水體（比如湖泊）作為冷卻水水源，但需經(jīng)過過濾后才能使用，用后仍需排入湖泊等。

3.5 干式冷卻器（或帶蒸發(fā)輔助的冷卻器）模式

采用干式冷卻器作為節(jié)能冷卻模式，當室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時，利用一種叫做干式冷卻器的熱交換器直接冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷水。泵將冷水（通?；煊幸叶迹┎⒋┻^干式冷卻器，在這里利用室外冷風(fēng)冷卻冷水，然后將冷卻后的冷水送往機房精密空調(diào)。

3.6 二級盤管模式

采用二級盤管作為節(jié)能冷卻模式，直膨式（DX）水冷機房精密空調(diào)包含一個獨立的二級冷水盤管，可在節(jié)能冷卻模式下使用。當室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時，泵將冷水送入并穿過干式冷卻器，在這里利用室外冷風(fēng)使冷水冷卻，然后將冷卻后的冷水送到機房精密空調(diào)的二級盤管。

4 綠色冷卻模式的分析比較

4.1 建筑外形兼容性

采用新風(fēng)、空氣——空氣換熱器和熱輪換熱器作為節(jié)能冷卻模式，需要在室外設(shè)備到機房之間敷設(shè)風(fēng)管。通常，這需要在進行建筑設(shè)計時專門為這些風(fēng)管預(yù)留敷設(shè)空調(diào)，或者在設(shè)計時將機房布置在臨近室外冷卻設(shè)備的位置。故這些類型的節(jié)能冷卻模式，通常較難安裝到現(xiàn)有的樓體和多層建筑中，使用水管的節(jié)能冷卻模式則在安裝上更具有靈活性，比較適應(yīng)現(xiàn)有建筑條件。

4.2 可改造性

綠色節(jié)能模式的實現(xiàn)需要盡可能利用現(xiàn)有制冷系統(tǒng)，但要將傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)改造為直接或間接采用新風(fēng)的通風(fēng)節(jié)能難度很大，它們之間相互不兼容。通常我們可以使用以下方法來實現(xiàn)。

第一種最為常見的方法是增加一臺板式換熱器作為冷水機組旁通的節(jié)能冷卻模式。這種方法需要在冷水機組附近安裝一臺板式換熱器，并配置相應(yīng)的控制裝置與旁通閥。

第二種方法是為風(fēng)冷冷水機增加一臺帶蒸發(fā)輔助的干冷器作為節(jié)能冷卻模式，并配置相應(yīng)的控制裝置與旁通閥。帶蒸發(fā)輔助的干冷器總占地面積可能比冷水機組大很多，故需要足夠的安裝空間。

第三種方法是為水冷機組內(nèi)增設(shè)一個二級盤管，利用二級盤管作為機房精密空調(diào)壓縮機旁通的節(jié)能冷卻模式。這種方式難度高可行性差，因為二級盤管必須安裝在空調(diào)機組的內(nèi)部，這種方式的實現(xiàn)需要將整個機房的精密空調(diào)更換為包含有次二級盤管的機組。

4.3 控制復(fù)雜程度

配有節(jié)能冷卻模式的標準預(yù)制制冷系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)結(jié)合硬件同步進行設(shè)計和配置。利用空——空換熱器或熱輪換熱器作為節(jié)能冷卻模式，其控制系統(tǒng)最為簡單。控制系統(tǒng)最為復(fù)雜的是利用板式換熱器作為冷水機組旁通的節(jié)能冷卻模式，因為板式換熱器需要冷水溫度較低，而冷水機組不需要冷水溫度太低，容易形成一個“死區(qū)”。

4.4 數(shù)據(jù)中心濕度控制

采用直接新風(fēng)作為空調(diào)旁通的節(jié)能冷卻模式由于將室外空氣直接送入數(shù)據(jù)中心，所以在氣候潮濕時，這種節(jié)能冷卻模式的可用時間將大大減少。

4.5 平均壽命

水冷式制冷系統(tǒng)通常比風(fēng)冷式制冷系統(tǒng)的平均壽命短些。主要原因在于水流過管道會產(chǎn)生積垢，對于與使用蒸發(fā)輔助的制冷系統(tǒng)，其限制因素主要在于蒸發(fā)表面。

4.6 可用性風(fēng)險

大部分節(jié)能冷卻模式都可能受到外部威脅，同時需要考慮一下威脅。

（1）冷卻水損失：數(shù)據(jù)中心附近如果有施工項目，那么市政供水就有可能被切斷，這種情況可能會事先通知，也可能是突發(fā)情況；利用板式換熱器作為冷水機旁通的節(jié)能冷卻模式最容易受影響，可以考慮安裝一個容量足以能維持冷水機運行24h或更長時間持續(xù)工作的蓄水罐來解決。

（2）空氣質(zhì)量差：將室外空氣直接引入數(shù)據(jù)中心可能會對IT設(shè)備造成隱患。

（3）數(shù)據(jù)中心內(nèi)的消防：采用氣體滅火劑消防系統(tǒng)的滅火系統(tǒng)必須對數(shù)據(jù)中心空間進行密閉以保證氣體滅火劑能夠達到足以滅火的濃度。

4.7 年度耗水量

使用冷卻塔的節(jié)能冷卻模式與其他節(jié)能冷卻模式相比最為耗水，所以要綜合考慮。

4.8 節(jié)能系統(tǒng)投資成本

使用板式換熱器作為節(jié)能冷卻方式，需要改造冷卻塔、管道、泵和定制控制系統(tǒng)的額外成本，所以需要結(jié)合ROI綜合評估節(jié)能方案的可行性與經(jīng)濟性。

4.9 節(jié)能系統(tǒng)維護成本

冷水機組/冷卻塔相對維護成本較高，使用室外空調(diào)節(jié)能冷卻模式的制冷系統(tǒng)，其維護成本比采用其他需要較多組件且更復(fù)雜節(jié)能冷卻模式的維護成本低。

4.10 綠色冷卻模式定性比較

綜合以上各方面的分析與比較，幾種綠色冷卻模式的定性分析，如表1所示。

5 綠色冷卻模式的應(yīng)用限制因素

5.1 地理位置

節(jié)能冷卻模式的使用完全取決于數(shù)據(jù)中心地理位置。利用某個地理位置的氣象數(shù)據(jù)可以計算出節(jié)能冷卻模式的可用時數(shù)。

5.2 節(jié)能系統(tǒng)制冷設(shè)定值

增加節(jié)能冷卻模式可用時間的方法主要有兩種：（1）將數(shù)據(jù)中心搬到較為寒冷的地區(qū)；（2）提高服務(wù)器的設(shè)計進風(fēng)溫度。第二種方法具有相對可行性，不過IT送風(fēng)溫度能夠提升多少取決于熱風(fēng)和冷風(fēng)隔離的效果。

5.3 冷熱氣流隔離

為提高制冷系統(tǒng)設(shè)定值并從而延長節(jié)能冷卻模式可用時間，必須將熱風(fēng)和冷風(fēng)隔離。通?？梢岳美渫ǖ婪忾]或熱通道封閉來實現(xiàn)，熱通道封閉可以提供更多的節(jié)能冷卻模式可用時間，使用氣流隔離系統(tǒng)后都可以很大程度上提高節(jié)能冷卻模式的效率。

6 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心許多節(jié)能技術(shù)需要大規(guī)模投資建設(shè)甚至提高運維風(fēng)險，而采用綠色冷卻模式，充分利用大自然的無償“饋贈”能夠有效降低機房的空調(diào)使用能耗，從而降低PUE指標。

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Comparison and analysis of free cooling mode in data center

MAO Wen-jie
(China United Network Communications Group Co., Ltd., Shanghai 200050, China)

According to nature, making full use of natural energy to real IDC development in harmony with nature is the focus of this study. By considering the air side and the water side of the wind and water in outdoor conditions, running as a bypass of air conditioning equipment. Summarized six eff i cient free cooling mode, and from the architecture compatibility, transformable, controlling complexity, life expectancy, availability risk, comparative analysis. Also presents the free cooling mode constraints, so as to build a green data center, complete energysaving emission reduction targets and reduce data center PUE proposes solutions and techniques.

data center; free cooling; PUE; energy conservation; bypass

TN86

A

1008-5599（2017）01-0011-04

2016-11-08