數(shù)據(jù)中心的合理化冷卻方案

文 張穎琪

數(shù)據(jù)中心的合理化冷卻方案

文 張穎琪

大型數(shù)據(jù)中心環(huán)境保障的重要系統(tǒng)—機房制冷系統(tǒng)不僅是保障服務(wù)器正常運行的環(huán)境條件，還是占數(shù)據(jù)中心總能耗25%—40%的耗能大戶。為此，在制定數(shù)據(jù)中心設(shè)計方案中，必須對機房制冷系統(tǒng)給予高度的重視，為創(chuàng)建一個安全可靠、綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心而設(shè)計一個最合理的冷卻方案。

大型數(shù)據(jù)中心機房制冷系統(tǒng)的能耗分析

大型數(shù)據(jù)中心由于采用不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和不同的節(jié)能措施，PUE的量化數(shù)據(jù)相差甚遠，現(xiàn)在取用三個代表性的數(shù)據(jù)中心能耗分析圖來演示PUE的數(shù)據(jù)；

案例1：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為A類的銀行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，地點在上海浦東，建設(shè)時間為2000年，機柜數(shù)2000臺，機房制冷系統(tǒng)采用精密空調(diào)，雙總線供電系統(tǒng)，供電設(shè)備采用2N+1模式，平均PUE為2.0，具體如下圖所示：

案例2：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)參照ANSI/TIA942-2005標(biāo)準(zhǔn)的T3級的通用數(shù)據(jù)中心，地點在上海閔行，建設(shè)時間為2016年，機柜數(shù)4000臺，機房制冷系統(tǒng)為大型水冷制冷空調(diào)，采用自然冷技術(shù)，應(yīng)用于冬季自然冷和過渡期的預(yù)冷，機房設(shè)置集中式加濕器，雙總線供電系統(tǒng)，供電設(shè)備采用N+1模式，平均PUE為1.5，具體如下圖所示：

案例3：Google 比利時的數(shù)據(jù)中心位于 Saint -Ghislain，2008 年初啟動該數(shù)據(jù)中心的第一階段，2011 年 Q1 完成全部階段設(shè)計，2011年Q1的PUE可以低達1.09，全年平均PUE為1.11；該數(shù)據(jù)中心利用運河的冷水帶走熱量：在自己修建水處理廠處理好運河水后給數(shù)據(jù)中心提供冷量，只采用冷卻塔而非制冷機組來散熱，這個實現(xiàn)了 100%水側(cè)自然冷的機房，是谷歌的第一個完全自然冷的數(shù)據(jù)中心。

上述三個案例，可以直觀地告訴我們，數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)的節(jié)能措施是與建設(shè)和設(shè)計者的主觀理念和客觀事實相結(jié)合的產(chǎn)物。

機房制冷系統(tǒng)的安全性、可靠性分析

數(shù)據(jù)中心的屬性決定了它對機房環(huán)境的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，即安全性、完整性和可靠性；我們采用風(fēng)險管理的風(fēng)險評估模型對數(shù)據(jù)中心機房制冷系

表示說明：表中藍色區(qū)域內(nèi)（1—12）屬于可接受風(fēng)險范圍，白色區(qū)域內(nèi)（13—25）屬于不可接受風(fēng)險。

從機房空調(diào)運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以知道，機房空調(diào)威脅發(fā)生的可能性為3級，影響程度可達到4級，得出的風(fēng)險系數(shù)是18，是一個無法接受的風(fēng)險。

從上述風(fēng)險模型得出機房空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)險是一個無法接受的風(fēng)險，也就是說機房空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障將直接導(dǎo)致服務(wù)器宕機且業(yè)務(wù)中斷。

為了保持?jǐn)?shù)據(jù)機房的業(yè)務(wù)連續(xù)性，國標(biāo)（GB50174-2008）對數(shù)據(jù)中心機房設(shè)計提出具體的要求，根據(jù)各類機房用途不同，采用的空調(diào)備用機組數(shù)量不同，最高級A類機房空調(diào)數(shù)采用2N的數(shù)量配置，主要是將空調(diào)機組故障的空調(diào)威脅發(fā)生的可能性從3級降至1級，做到可在線維修，保持機房空調(diào)的可用率達到99.995%，從而將風(fēng)險系數(shù)降到11，達到一個可接受的范圍內(nèi)。

而機房水冷型制冷系統(tǒng)存在一個難以處理的威脅發(fā)生可能性降級的方法，從機房水冷型制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，制冷設(shè)備、水泵等都容易做到2N配置，而水冷系統(tǒng)（供冷管道部分）很難做到2N，主要是受機房場地和造價的限制，所以，目前我們看到的機房水冷型制冷系統(tǒng)的管道部分基本上都是單一的，最好的也只能做到機房區(qū)域環(huán)形布置，可隔離某區(qū)域故障，而全系統(tǒng)很難做到雙冗余；所以機房水冷型制冷系統(tǒng)空調(diào)威脅發(fā)生的可能性還是3級，風(fēng)險系數(shù)18，是一個無法接受的風(fēng)險。

統(tǒng)面臨的風(fēng)險進行分析：

判斷影響程度：

計算風(fēng)險：相乘，矩陣：

數(shù)據(jù)中心的最佳冷卻方案

創(chuàng)建一個安全可靠、綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心建設(shè)者不懈努力的方向，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在建設(shè)者的不斷努力下，我們看到一個嶄新的綠色節(jié)能高等級的數(shù)據(jù)中心正在逐步成熟和發(fā)展中；如上述提及的Google 比利時的數(shù)據(jù)中心，可以把數(shù)據(jù)中心建設(shè)在北緯45度以上的寒冷地區(qū)，實現(xiàn)全年自然冷（Feel cooling）。

我們在亞熱帶地區(qū)，也可以把風(fēng)冷的精密空調(diào)和自然冷結(jié)合在一起，既提升了機組全年的EER，又滿足數(shù)據(jù)中心高可靠性的要求，本文提出了數(shù)據(jù)中心最佳的冷卻方案如下。

綜合數(shù)據(jù)中心高可靠性和綠色節(jié)能的要求，提出數(shù)據(jù)中心最佳的冷卻方案為帶自然冷的精密空調(diào)為數(shù)據(jù)中心冷卻解決方案；帶自然冷的精密空調(diào)是由精密空調(diào)室內(nèi)機組、帶自然冷的模塊、控制模塊和室外機組組成，它可以利用冬季、過渡季的室外低溫，通過控制模塊的控制自然冷模塊進行室內(nèi)外冷熱交換，自然冷模塊是一個獨立的熱交換設(shè)備（目前可以看到的產(chǎn)品有乙二醇系統(tǒng)、氟泵系統(tǒng)等），從而達到在冬季完全停止精密空調(diào)壓縮機、過渡季部分停止（或預(yù)冷作用）壓縮機工作，實際運行節(jié)能效果明顯，帶自然冷的精密空調(diào)機組全年能效比可以達到5左右（上海地區(qū)），下面以氟泵自然冷模塊的精密空調(diào)舉例。

該系統(tǒng)由室內(nèi)機、智能控制系統(tǒng)、氟泵自然冷節(jié)能單元和室外冷凝器組成，如圖所示。

機組有三種模式運行。

第一種為夏季高溫模式（一般精密空調(diào)的通常模式），如下圖：

第二種為過渡期模式，機組運行在”雙擎“混合制冷模式，通過氟泵增壓系統(tǒng)輔助壓縮機運行，降低冷凝溫度，節(jié)省壓縮機功耗，提升整機能效比，如下圖：

第三種為冬季運行模式，機組根據(jù)室外環(huán)境溫度和室內(nèi)負(fù)荷需求智能判斷，切換至氟泵自然冷節(jié)能模式，以低功率氟泵系統(tǒng)代替壓縮機運行，充分利用室外冷源，大大提高機組能效比，如下圖：

綜上所述，創(chuàng)建綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心不僅是減少企業(yè)用電成本,也是社會責(zé)任感的體現(xiàn)；但節(jié)能措施也是一個將安全可靠性、投資成本的綜合平衡的設(shè)計思路；隨著技術(shù)不斷的進步、新的節(jié)能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，加上不斷提升的設(shè)計水平，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的建設(shè)將會越來越科學(xué)、合理。

（作者就職于上海超級計算中心）