數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

過偉光

（山西信息規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山西 太原 030012）

貴州是看似偏遠(yuǎn)但實際不遠(yuǎn)的地方，地處于群山峻嶺。但是在這個地區(qū)，卻有眾多的資源，比如在數(shù)據(jù)時代的背景下，貴州成為為數(shù)不多的主流數(shù)據(jù)中心，因為這些頂層設(shè)計消耗著整個地區(qū)的大量能源。耗能一直都是數(shù)據(jù)中心運營中的繞不開的痛點問題。因此選擇貴州作為大多數(shù)主流數(shù)據(jù)中心的“棲息地”，這主要由于貴州特殊的地理位置和特殊氣候特點而形成的。

在社會新時代的進程里，通信數(shù)據(jù)的核心技術(shù)也越來越推向全社會，隨著各行業(yè)的結(jié)構(gòu)升級，大大增加了數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用技術(shù)，這樣不僅加快了行業(yè)運營的效率還提高了收集信息以及篩選信息的速度，在數(shù)據(jù)中心工程建設(shè)中，作為一個完整的系統(tǒng)化工程，對數(shù)據(jù)的處理提出了更高質(zhì)量的要求。由此以來，推出的綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的主要特征是節(jié)能環(huán)保，尤其是在更大的范圍內(nèi)比較傾向于數(shù)據(jù)產(chǎn)品的可靠性和合理性。

數(shù)據(jù)中心機房的能耗分為：建筑自身能耗、IT設(shè)備運行能耗、為設(shè)備安全運行保駕護航的空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗。其中空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗占比最高，因此不僅要做到制冷技術(shù)先進、安全適用，數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)的選址也是一大重要因素。地理位置的選?。庀髤?shù)）不僅決定制冷空調(diào)的計算參數(shù)，還制約制冷技術(shù)的應(yīng)用，這也就是國內(nèi)一些主流數(shù)據(jù)選擇貴州作為“棲息地”的主要原因。

1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)的特點

數(shù)據(jù)中心對環(huán)境（溫、濕度）要求：為確保數(shù)據(jù)中心里IT設(shè)備的優(yōu)良運作，數(shù)據(jù)中心內(nèi)整年需保持恒溫恒濕，主機房機柜進風(fēng)區(qū)域溫度要求在19~25℃之間，濕度控制在不宜大于65%的程度范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)中心中的節(jié)能技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，也是一項長期性的工作，需要綜合性的全面考慮。在空調(diào)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的比例來控制PUE值。空調(diào)制冷系統(tǒng)所消耗的能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的35%左右。

2 數(shù)據(jù)中心制冷（冷卻）技術(shù)趨勢

2.1 末端冷卻設(shè)備貼近服務(wù)器

末端冷卻設(shè)備貼近服務(wù)器的技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心機房采用的送風(fēng)方式為防靜電地板下送風(fēng)、機柜上部回風(fēng)的冷卻方式。隨著設(shè)備的更新迭代，市場相應(yīng)的催生了行級空調(diào)、背板冷卻技術(shù)。這種新型的空調(diào)末端更貼近熱源，能解決局部熱點、高發(fā)熱密度的問題，通過近距離的冷量傳輸，減小風(fēng)機功耗，達(dá)到節(jié)能。在空調(diào)工作的情況下，工作原理都是先冷卻空氣再進行熱交換達(dá)到降溫的目的。采用的技術(shù)是冷空氣與服務(wù)器的CPU進行配合處理，來解決設(shè)備散熱問題。對于超高功率密度的設(shè)備就需要依靠液冷技術(shù)來進行冷卻處理，并且在一定程度上減少噪聲的影響。

2.2 冷卻系統(tǒng)節(jié)能

隨著數(shù)據(jù)中心的設(shè)備高密度增多，能耗增大，相應(yīng)的運行成本的增加，空調(diào)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能研究顯得尤為重要。越來越多的數(shù)據(jù)中心逐步嘗試使用自然冷卻。自然冷源的利用主要體現(xiàn)在以下幾種方面：

（1）室外新風(fēng)直接冷卻。室外新風(fēng)經(jīng)多重過濾處理后，進行焓濕出來，然后通過輸送送入機房，新風(fēng)與室內(nèi)空調(diào)混合后排放至室外。減少冷凍機組工作時間，采用室外新風(fēng)直接或處理后達(dá)到機房溫濕度要求，可大大節(jié)約能源。這種方式對室外空氣質(zhì)量的要求高，在我國很多地方由于空氣質(zhì)量不滿足要求，而較少使用該項技術(shù)。

（2）間接蒸發(fā)制冷。間接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)是指通過換熱器進行的一系列作業(yè)，換熱器采用直接接觸式，這樣的好處是可以將冷空氣直接蒸發(fā)冷卻，最后實現(xiàn)空氣等濕降溫處理。間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以從外界環(huán)境中直接獲取冷空氣能量，減少人工制冷的能量損耗，這樣做的好處是節(jié)約能源、節(jié)約成本。水的蒸發(fā)吸熱也可以達(dá)到制冷的目的，運用這種技術(shù)可以解決干燥地區(qū)和中等濕度地區(qū)的制冷問題。它的工作原理為：室外的熱空氣通過間接蒸發(fā)冷卻器進行冷卻效應(yīng)，再進行熱處理以至于達(dá)到機房要求即可。這樣可以取代或減少人工制冷節(jié)約大量的能源。

（3）采用帶自然冷卻的風(fēng)冷式水冷系統(tǒng)。目前比較常見的是自然冷卻方法，又稱為風(fēng)冷式水冷系統(tǒng)。它的工作原理是利用自動化處理技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析處理機制用來識別冷凝器的進風(fēng)溫度低于回水溫度2℃時，產(chǎn)生自動進入部分的自然冷卻模式?；厮檬彝獾蜏乜諝膺M行冷卻，這是預(yù)處理階段；然后根據(jù)蒸發(fā)器再減輕壓縮機的工作負(fù)荷，這樣的工作流程下來省下了人工能耗和成本時間，節(jié)能效果明顯，比較適用于室外環(huán)境較低，冬季越長的地區(qū)。

（4）利用深層湖水、江水冷卻。

3 數(shù)據(jù)中心建設(shè)中空調(diào)制冷技術(shù)的運用

3.1 根據(jù)數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模、結(jié)合地理位置，合理選用空調(diào)制冷系統(tǒng)

對于建筑規(guī)模大于等于10000m2的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)優(yōu)先采用水冷式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)（嚴(yán)重缺水地區(qū)除外），整體規(guī)劃數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)配置應(yīng)根據(jù)機房等級（按照《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》分為A、B、C三級；按照國外標(biāo)準(zhǔn)分為T1~T4四級）劃分，根據(jù)等級劃分應(yīng)分別對應(yīng)滿足數(shù)據(jù)中心的合理性、穩(wěn)定性、安全性、高效環(huán)保要求。

3.2 空調(diào)制冷設(shè)備選擇

包含空調(diào)制冷主機、水泵、冷卻塔、機房專用空調(diào)（末端）等的系統(tǒng)設(shè)備選擇。

采用EER（能效比）和IPLV（綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)）高，顯熱比大（不小于90%）的機房專用空調(diào)，滿足機房專用空調(diào)大風(fēng)量、小焓差送風(fēng)的工藝要求特點設(shè)備。

3.3 氣流組織

數(shù)據(jù)中心機房的氣流組織應(yīng)按照以下原則進行：

（1）保證送風(fēng)順暢，避免送風(fēng)受阻不能送達(dá)送風(fēng)區(qū)域。

（2）保證送風(fēng)效果，避免送回風(fēng)在為達(dá)到送風(fēng)區(qū)域前摻混，減低送風(fēng)效率。

（3）送回風(fēng)口設(shè)計應(yīng)合理，避免氣流短路。

數(shù)據(jù)中心應(yīng)按照“冷熱通道隔離”的原則布置IT機柜，避免級聯(lián)加熱現(xiàn)象；還應(yīng)考慮“先冷設(shè)備，后冷環(huán)境”的制冷原理，可采用封閉冷、熱通道的方式送風(fēng)。

3.4 自然冷源利用

充分利用室外自然界的免費冷源，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機房節(jié)能、降低PUE值的必經(jīng)之路。室外冷源的利用主要表現(xiàn)為：

（1）直接或間接引入室外低焓新風(fēng)。

（2）與空調(diào)制冷設(shè)備的有效配合。

4 數(shù)據(jù)中心中節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用——以某案例為例

4.1 數(shù)據(jù)中心建筑要求

建筑外立面除在大樓入口及樓梯間外，根據(jù)工藝要求數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)基本不開設(shè)外窗。在開啟外窗處，外墻材料采用加氣混凝土砌塊，節(jié)能環(huán)保材料也可以在外墻外裝飾上大范圍使用，增大熱阻，減少傳熱系數(shù)。為達(dá)到保溫、節(jié)能效果，建筑采用外墻保溫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心作為工藝性建筑，在不影響采光的條件下，盡量縮小窗口和所在墻面的比例，為減少通過外窗的熱輻射降低空調(diào)冷負(fù)荷。

4.2 空調(diào)制冷機組

根據(jù)通信行業(yè)內(nèi)的相關(guān)指導(dǎo)意見、集團公司建設(shè)要求：規(guī)模較大切發(fā)展速度快的數(shù)據(jù)中心宜采用水冷式中央空調(diào)系統(tǒng)。相比較風(fēng)冷機組，冷水機組隨著制冷量增大，COP（能效比）也顯著增大。例如：離心式冷水機組，單臺制冷量可達(dá)3000kW以上，COP可達(dá)5左右，風(fēng)冷機組的COP基本在3左右。

4.3 然冷源的合理利用

自然冷卻（free-cooling），也稱之為免費冷源，采用的是冷卻塔冬季制冷，直接利用自然界低溫環(huán)境，室外低溫（秋冬季）季節(jié)可大大減少人工制冷的開機時間，甚至當(dāng)室外達(dá)到一定條件時，完全關(guān)閉人工制冷系統(tǒng)的一種供冷方式。這種原理適用于全年制冷場所，有便于控制、維修、切換的優(yōu)點，功能劃分也比較清晰。還適用與不同的季節(jié)和不同地區(qū)冷卻塔與制冷主機配備冷卻塔一并使用，用來冷卻水的溫度，提高主機的COP值。

4.4 提高冷凍水供水、回水溫度

一般情況下冷凍水的供回水溫度為7~12℃之間，根據(jù)數(shù)據(jù)中心機房的實際使用反饋情況來看要適當(dāng)提高冷凍水供回水溫度，采取一定的措施處理可有效提高冷凍機組運行效率。

4.5 數(shù)據(jù)機房內(nèi)末端機房專用空調(diào)配置

數(shù)據(jù)中心機房末端空調(diào)采用的是單水冷機房專用空調(diào)，采用高效節(jié)能EC風(fēng)機以及溫濕度獨立控制系統(tǒng)。

4.6 空調(diào)送風(fēng)氣流組織

（1）地板下部送風(fēng)，經(jīng)機柜排出后經(jīng)末端上部回風(fēng)。根據(jù)數(shù)據(jù)中心“先冷設(shè)備，后冷環(huán)境”的特點，本工程采用密閉冷通道，防靜電地板下送風(fēng)直接送至密閉冷通道內(nèi)，保證冷量充分利用，全部先進去IT設(shè)備服務(wù)器。

（2）數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器（IT機柜）合理布置。機柜散熱情況的發(fā)生還會出現(xiàn)附加的情況發(fā)生，比如氣流短路問題，可以采用改變機柜布置排列方式，改善操作面以及散熱面的工作排布可有效減少氣流短路問題。

（3）將密閉通道作為送風(fēng)“冷池”，隔絕冷熱通道。

5 結(jié)語

隨著IT設(shè)備的高集成度，單機柜的功耗增加，制冷技術(shù)也跟著飛速發(fā)展。為滿足IT設(shè)備散熱需求，液冷技術(shù)正在逐漸興起，不久的將來越來越多的場合將采用液冷技術(shù)為數(shù)據(jù)中心保駕護航。液冷作為一種高效的冷卻處理技術(shù)，在大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展進程中，會成為大范圍使用的技術(shù)。