大型數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)末端設(shè)備的優(yōu)化

谷峰 趙世萍 曹繼業(yè)

[摘 要] 近幾年隨著信息行業(yè)迅猛發(fā)展，云計(jì)算技術(shù)的普遍應(yīng)用，服務(wù)器向著高功率、高密度的趨勢(shì)發(fā)展。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的末端空調(diào)形式主要面向低功率服務(wù)器，較難適應(yīng)云計(jì)算發(fā)展潮流。2017年某高校與某數(shù)據(jù)中心合作，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部建立一個(gè)機(jī)房示范工程，應(yīng)用熱管空調(diào)技術(shù)，PUE值低于1.20，末端的空調(diào)形式適合高功率的服務(wù)器散熱。數(shù)據(jù)中心結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備，借鑒示范工程末端空調(diào)形式，提出針對(duì)高密度服務(wù)器機(jī)房的優(yōu)化建議。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)中心；精密空調(diào)；熱管空調(diào)；空調(diào)末端

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 063

[中圖分類號(hào)] TP308 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）05- 0149- 04

0 引 言

在云計(jì)算席卷全球、云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮風(fēng)起云涌的背景下，建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排成為了近年來學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的話題之一。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心企業(yè)原有的數(shù)據(jù)中心如何盡快轉(zhuǎn)變成適合云計(jì)算要求的云計(jì)算中心，也是迫切需要解決的問題[1]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的末端空調(diào)形式主要面向低功率服務(wù)器，較難適應(yīng)云計(jì)算發(fā)展潮流。2017年某高校在某數(shù)據(jù)中心內(nèi)建立一個(gè)應(yīng)用熱管空調(diào)技術(shù)的機(jī)房示范工程，PUE值國內(nèi)領(lǐng)先。該數(shù)據(jù)中心結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備，借鑒末端空調(diào)形式，提出針對(duì)高密度服務(wù)器機(jī)房的優(yōu)化建議。

1 數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有制冷設(shè)備

1.1 現(xiàn)有制冷系統(tǒng)

某中心采用水冷離心式冷水機(jī)組作為冷源，為數(shù)據(jù)機(jī)房全年供冷。設(shè)置4套（3用1備）1150RT制冷單元。每套制冷單元含：1臺(tái)離心式冷水機(jī)組、1臺(tái)板式換熱器、1臺(tái)冷卻水泵、1臺(tái)冷卻水一次泵及1臺(tái)閉式冷卻塔。空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用環(huán)路設(shè)計(jì)，并用分段閥隔離各個(gè)故障點(diǎn)，保證單點(diǎn)故障時(shí)正常運(yùn)行。冷凍水系統(tǒng)采用一次泵定流量、二次泵變流量系統(tǒng)。設(shè)置4臺(tái)冷凍水二次泵為數(shù)據(jù)機(jī)房服務(wù)，二次泵配UPS電源[2]。

1.2 現(xiàn)有末端空調(diào)形式

每個(gè)模塊的機(jī)房設(shè)置10+2套機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組。模塊機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組采用下送風(fēng)上回風(fēng)的氣流方式，送風(fēng)經(jīng)過開孔地板直接送至冷通道區(qū)。模塊機(jī)房加濕采用濕膜加濕的方式，濕膜加濕器放置在模塊機(jī)房的空調(diào)設(shè)備區(qū)內(nèi)。

2 示范工程采用的熱管空調(diào)技術(shù)

2017年某數(shù)據(jù)中心作為子課題承擔(dān)單位，參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“數(shù)據(jù)中心新型冷卻技術(shù)研發(fā)與示范”，參與示范工程建設(shè)和測(cè)試工作。

該項(xiàng)目建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心示范工程，采用項(xiàng)目組所研發(fā)的模塊化冷卻系統(tǒng)和高效供電系統(tǒng)。項(xiàng)目投用后，預(yù)計(jì)全年運(yùn)行PUE低于1.20，其中冷卻能耗比低于0.16，供電能耗比低于0.04。該示范工程是多項(xiàng)前沿性技術(shù)和理論創(chuàng)新的綜合體現(xiàn)。屬于國內(nèi)領(lǐng)先、國際前沿的數(shù)據(jù)中心示范點(diǎn)。

2.1 示范項(xiàng)目制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)采用全氟熱管復(fù)合節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。全氟熱管復(fù)合節(jié)能空調(diào)是利用室內(nèi)外空氣溫度差，通過封閉管路中工質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝循環(huán)而形成動(dòng)態(tài)熱力平衡，利用較小的自然溫差將室內(nèi)的熱量高效傳遞到室外，維持機(jī)房?jī)?nèi)部良好的工作熱環(huán)境的節(jié)能排熱設(shè)備。

2.2 末端空調(diào)形式

2.2.1 采用熱管背板系統(tǒng)

示范工程項(xiàng)目共有6列機(jī)柜，其中E、F兩列為高密度機(jī)柜，單柜功率最小為6kW，最大為12kW。這兩列空調(diào)末端采用熱管背板空調(diào)與專用的通信機(jī)柜相結(jié)合的熱管排熱機(jī)柜。熱管依靠?jī)?nèi)部工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱，且工作液體的回流依靠重力，無須其他動(dòng)力。熱管排熱機(jī)柜的風(fēng)機(jī)能自動(dòng)調(diào)速運(yùn)行，能按照要求自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，系統(tǒng)可靠性高、能耗低。熱管背板空調(diào)具有高可靠性，高顯熱比以及大風(fēng)量的特點(diǎn)，能夠適用于不同散熱密度的數(shù)據(jù)中心。

2.2.2 采用熱管列間系統(tǒng)

本示范工程機(jī)房A-D列采用熱管列間空調(diào)系統(tǒng)，在機(jī)柜間預(yù)留位置，安裝列間空調(diào)。為改善機(jī)房氣流組織，減少局部熱點(diǎn)及混風(fēng)損失，提高換熱效率，以2列為一個(gè)微模塊的形式，封閉熱通道，從而使機(jī)房環(huán)境為冷環(huán)境。

3 末端空調(diào)形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)不同的末端空調(diào)形式，從空調(diào)應(yīng)用場(chǎng)合、安全性、初始投資、后續(xù)運(yùn)行費(fèi)用、氣流組織等方面進(jìn)行綜合對(duì)比。

中心現(xiàn)有的末端精密空調(diào)適合低密度機(jī)房，滿足單機(jī)柜4kW功率的散熱需要。但隨著IT行業(yè)的發(fā)展、云計(jì)算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，IT設(shè)備發(fā)熱量逐步升高。熱管的背板和列間形式能更好地應(yīng)對(duì)高密度機(jī)柜。

4 根據(jù)數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀對(duì)于高密度機(jī)柜機(jī)房的優(yōu)化

本項(xiàng)目室內(nèi)末端采用熱管背板和熱管列間相結(jié)合的形式，室外機(jī)采用風(fēng)冷機(jī)組，整套設(shè)備采用全氟利昂系統(tǒng)，但室外機(jī)整體投資費(fèi)用較高，而且室外機(jī)布局受樓頂區(qū)域限制。

針對(duì)高密度機(jī)房的優(yōu)化首先要考慮到將高密度機(jī)柜進(jìn)行整合，集中放置在若干個(gè)機(jī)房之內(nèi)，針對(duì)這些機(jī)房進(jìn)行優(yōu)化。以最小的投入，取得最優(yōu)的效果。優(yōu)化過程中，考慮以下幾方面內(nèi)容。

4.1 關(guān)于冷源的選擇

中心現(xiàn)有制冷設(shè)備為水冷離心式冷水機(jī)組，冷量有較大富裕。配套閉式冷卻塔散熱效果好于全氟熱管空調(diào)室外機(jī)。因此改造后制冷系統(tǒng)冷源仍使用冷水機(jī)組，考慮使用中間換熱器連接熱管。

4.2 關(guān)于末端的選擇

根據(jù)中心實(shí)際情況，目前10個(gè)機(jī)房機(jī)柜已固定完畢，更換列間空調(diào)需拆除部分機(jī)柜，且入駐高功率服務(wù)器，需要列間空調(diào)數(shù)也隨之增加，服務(wù)器機(jī)柜數(shù)進(jìn)一步壓縮，此方案不可取。列管空調(diào)末端也可采用吊頂式空調(diào)，但吊頂式空調(diào)要求地板與棚頂之間凈高在4米以上。中心機(jī)房現(xiàn)有高度不滿足條件，調(diào)整吊棚高度工程量較大，且吊頂式空調(diào)有冷凝水滴落的風(fēng)險(xiǎn)，此方案不可取。

末端使用背板空調(diào)僅需在現(xiàn)有機(jī)柜外增加框架，將背板固定在框架之上，機(jī)柜厚度增加約200mm，施工便利，適宜規(guī)劃中的高密度機(jī)房使用。

4.3 中間換熱器的相關(guān)要求

根據(jù)冷源的選擇，需增加中間換熱器。供熱管背板系統(tǒng)的中間換熱單元底部與熱管背板頂部應(yīng)滿足一定高差。中間換熱單元與熱管背板在同層安裝，應(yīng)設(shè)置在機(jī)房與走廊之間的隔墻上部，中間換熱單元及所接冷凍水管均不得進(jìn)入機(jī)房。

板式換熱器建設(shè)采用一拖多形式，每列背板熱管配置一組冷凝器。該冷凝器采用雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每組冷凝器分為冷凝器A、冷凝器B兩個(gè)制冷系統(tǒng)。

4.4 冷凍水管路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心動(dòng)力站接出4根DN350的主干管，供水管線形成環(huán)路，在需使用熱管末端的機(jī)房外預(yù)留DN125供、回水接口；根據(jù)機(jī)柜數(shù)量，機(jī)房外預(yù)留接口為10供10回，根據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)，每個(gè)機(jī)房需配置20個(gè)中間換熱單元，為避免單點(diǎn)故障，需要將2根供水及2根回水管路分別做成環(huán)路，連接4個(gè)中間換熱單元，為中間換熱器提供冷凍水的供/回水，實(shí)現(xiàn)管路冷凍水系統(tǒng)雙管路備份系統(tǒng)。

4.5 IT設(shè)備區(qū)的熱管背板系統(tǒng)制冷劑管路設(shè)計(jì)

機(jī)房機(jī)柜每列為單回路管路設(shè)計(jì)方式熱管背板的管路連接方式為相鄰兩個(gè)機(jī)架連接不同的中間換熱器。以滿足熱管背板系統(tǒng)單回路冗余備份的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)其中一個(gè)背板發(fā)生故障時(shí)，其鄰近的背板將感應(yīng)到環(huán)境溫度有上升的趨勢(shì)，此時(shí)鄰近的背板將增大循環(huán)風(fēng)量，提高冷量輸出，以補(bǔ)償故障背板的冷量。發(fā)生故障熱管背板可在線檢修、單獨(dú)在線更換。

通過以上幾方面的改造和優(yōu)化，能夠在數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備的基礎(chǔ)上，快速搭建適合高密度服務(wù)器的機(jī)房。

5 結(jié) 語

隨著云計(jì)算技術(shù)的普遍應(yīng)用，服務(wù)器向著高功率、高密度的方向發(fā)展。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的末端空調(diào)形式無法解決高密度服務(wù)器的散熱需求。本文通過分析各類空調(diào)末端的優(yōu)劣，考慮應(yīng)用現(xiàn)有制冷系統(tǒng)設(shè)備，末端空調(diào)改造的可行性，提出使用水冷離心式冷水機(jī)組作為冷源，使用中間換熱器，末端使用背板式熱管系統(tǒng)的優(yōu)化建議。

主要參考文獻(xiàn)

[1]鄧維，劉方明. 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的新能源應(yīng)用：研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013（3）：583-598.

[2]王建民，曹繼業(yè)，趙世萍. 自由冷卻技術(shù)在大型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)原理[J].信息與電腦，2013（9）：117-118.

[3]Zhenying Wang， Xiaotong Zhang， Zhen Li，Ming Luo.Analysis on Energy Efficiency of an Integrated Heat Pipe System in Data Centers[J].Applied Thermal Engineering，2015（90）：937-944.

[4]Tao Ding ， Zhi guang He ， Tian Hao ， Zhen Li.Application of Separated Heat Pipe System in Data Center Cooling[J].Applied Thermal Engineering，2016（109）：207-216.