直接利用海水冷却数据中心的自然冷却技术

作者:兰洋科技    浏览量:4967    时间:2023年03月21日    标签: 数据中心散热 自然冷却 PUE

数据中心是信息行业的重要基础设施,据统计,2015年我国数据中心的年用电量约1000亿kW•h,超过全社会用电量的1.5%,相当于三峡水电站一年的发电量。未来几年,随着5G通信、人工智能、物联网等的快速发展,我国数据中心电耗将继续快速增长,2020年我国数据中心年耗电量将超过2500亿kW•h,占全社会用电量比例将超过3%。

目前欧美发达国家数据中心平均电能利用效率(powerusageeffectiveness,PUE)约为1.8,其先进数据中心PUE达到1.2以下。而我国数据中心平均PUE大于2.2,部分高耗能数据中心PUE甚至高达3.0,能效水平远低于欧美发达国家,节能性亟待提升。

政府相关主管部门对数据中心的节能非常重视,先后出台多项政策文件,部署和推进数据中心先进适用技术推广应用、绿色数据中心建设和相关节能标准的制定,2017年工信部在《关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》中明确提出:到2020年,新建大型、超大型数据中心的能耗效率(PUE)值在1.4以下。

数据中心能耗中约40%是冷却系统的能耗,所以开展数据中心冷却系统节能关键技术研究具有重要意义。

1.自然冷却的分类

自然冷却技术是目前学界普遍认可的节能效果较好的技术,自然冷却即利用天然的冷空气或者冷水源对数据机房进行冷却的方式,该技术无需开启机械制冷,因此具有显著的节能效果。自然冷却主要分为风侧自然冷却水侧自然冷却两大类,详细分类见表1。

表1 自然冷却技术分类

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2.风侧自然冷却

2.1直接式风侧自然冷却

直接式风侧自然冷却是指直接将室外温湿度适宜(或通过蒸发冷却)的冷空气引入计算机房内对信息设备进行冷却,如图1。当室外空气质量不佳时,空气中的尘埃、气体污染物等会给信息设备的可靠运行带来隐患,因此直接风侧自然冷却主要应用于气候条件和空气质量较好的地区。

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图1 直接式风侧自然冷却

国外Google、Facebook、Yahoo等公司在北欧、美国等地建设了采用直接式风侧自然冷却的数据中心,PUE接近1.07,其所采用的风机墙形式见图2。国内如美利云中卫数据中心、阿里巴巴张北数据中心等也采用直接式风侧自然冷却。

图2 风机墙单元.jpg

图2 风机墙单元

为了提高直接式风侧自然冷却的效果和可靠性,一些学者开展了系统设计方法、节能效果、控制策略、差异化气候适用性等方面的研究。

韩玉等认为直接式风侧自然冷却系统的设计要点为:

  1. 低温风和降温风复合系统设计,新回风混合防结露设计;

  2. 新风过滤处理;

  3. 气流组织优化设计;

  4. 空气处理系统逻辑判断及智能控制。

韩正林等对国内外采用自然冷却的数据中心应用现状进行了对比分析,指出干式冷却器等基于干球温度的自然冷却技术更成熟、稳定性更好,蒸发冷却等基于湿球温度的自然冷却方式自然冷源利用率更高。针对多个地区的通信机房的节能改造,分析采用蒸发式冷气机(直接式蒸发冷却)进行降温时室内外温湿度、蒸发式冷气机运行时间以及净化过滤系数等影响因素的修正方法。通过介绍蒸发式冷气机的技术要点,分析了蒸发冷却技术在机房空调中的应用形式、运行原理。蒸发式冷气机用于通信机房在冬季不能很好地控制湿度,以ASHRAETC9.9所推荐运行区为控制目标,提出了直接蒸发冷却空调系统的优化方案和运行模式。

分析了温和地区(昆明)数据中心采用自然冷却技术进行节能改造后的运行效果,发现昆明的气候条件非常适合采用新风自然冷却,针对某数据中心的节能改造效果明显,PUE由原来的1.9降至1.56。

2.2间接式风侧自然冷却

(1)基于空气−空气换热器的间接式风侧自然冷却

直接式风侧自然冷却的送风质量受到室外空气质量的影响,解决有害气体腐蚀威胁的另一种思路是采用间接式风侧自然冷却,如图3。其原理是通过交叉流换热器、转轮换热器等空气−空气换热器实现室外冷风与室内高温回风的间接换热。

图3 利用换热器的间接式风侧自然冷却.jpg

图3 利用换热器的间接式风侧自然冷却

借助建筑热环境设计模拟工具包(Designer’sSimulationToolkit,DeST)对全国不同气候区采用间接式风侧自然冷却的节能效果进行了对比研究,得出不同气候区的节电率高低依次为:温暖地区>严寒地区>寒冷地区>夏热冬冷地区>夏热冬暖地区。开发出一种基于空气−空气换热器的自然冷却技术,该系统转轮内的填料具有蓄冷功能,通过让转轮在两个隔离且封闭的风道内缓慢旋转,利用被室外冷空气冷却的填料来冷却机房内的高温回风,实现数据机房的冷却,如图4。

图4 一种典型风侧自然冷却系统.jpg

图4 一种典型风侧自然冷却系统

基于空气−空气换热器的间接式风侧自然冷却系统设备体积庞大、与建筑物耦合程度很高,应用范围受到限制,目前应用案例并不多,但间接式风侧自然冷却针对自然冷源的利用率较高,节能效果很好,是一种有应用潜力的技术。

(2)基于热管或制冷剂循环的风侧自然冷却

指利用热管或制冷剂循环将机房内热量传递至室外,相变传热方式带来很强的热量传递能力,该种方式利用自然冷源的效果很好,是近年来研究的热点。

  • 这里介绍一种分离式热管空调系统,针对传统热管系统换热器局限性,提出采用单级热管变多级热管的方法进行优化改进,如图5;针对R22和R134a两种工质的平均换热能力进行对比分析,提出热管系统的最佳充液率为80%;针对新型背板式热管系统换热量影响因素进行分析,得到风量与换热量的对应关系,并提出通过增大风量的方式解决热管故障问题。

图5 分离式热管空调系统.jpg

图5 分离式热管空调系统

  • 另一种用泵驱动的回路热管机组,系统中增加制冷剂泵能够克服复杂系统的管路阻力,比传统分离式热管系统的适应性更强,并且制冷剂循环流量的增加提高了换热器换热量。尽管制冷剂泵增加了系统能耗,但该系统在室外温度低于15℃时,节能率仍能达到36.57%。

  • 还可以采用微通道换热器的分离式热管性能,微通道换热器具有更强的换热能力,分析不同工况和风量对系统最佳充液率的影响,研究了系统稳态和瞬态换热特性,分析制冷量受各运行参数影响的敏感性。

  • 由于传统分离式热管主要采用的R22或R134a等工质的使用逐渐受到限制,采用环保工质的热管研究逐渐受到了人们的重视。开发出基于CO2工质的多蒸发器回路热管系统的性能研究,考察了多蒸发器在均匀、非均匀、变制冷功率条件下的系统的自调节功能。

  • 由于数据中心用自然冷却热管的两端传热温差和热流密度均较小,热流密度随室外环境变化而变化,开展相关的非稳态研究十分必要。针对数据中心用小热流密度的分离式热管进行了模拟仿真研究,发现热管传热量随充液率的增大先增加后减小,随室内外温差的增大先线性增加,而后增长速度减缓。

  • 一种利用整体式热管的风侧自然冷却系统,计算机房上方设有增压风道,机柜上方的热管穿过计算机房的天花板,与风道内的室外冷空气进行换热,该系统的热管结构和布置更为简单,降低了热管设备在运行过程中发生损坏的概率,如图6。

图6 整体式热管自然冷却系统.jpg

图6 整体式热管自然冷却系统

基于热管和制冷剂循环的风侧自然冷却方式是一种较好的利用自然冷源的方式,但由于热管的循环驱动力受机房内外温差限制,无法应用于复杂的大型管路系统,因此该系统比较适用于中小型数据中心机房的自然冷却

3水侧自然冷却

3.1直接水冷式自然冷却

直接水冷式自然冷却是指利用室外自然低温水源(海水、湖水、江河水等)引入数据中心进行冷却。

国外最早进行这一技术的尝试,Google芬兰数据中心靠近北极圈,使用附近芬兰湾的低温海水冷却整个数据中心;微软公司启动名为“Natick”的计划,将数据中心置于苏格兰奥克尼群岛附近水域的海底,距离海面117英尺(约36m),流动的低温海水带走了数据中心的热量,实现完全自然冷却,如图7;

图7 微软“Natick”海底数据中心.jpg

图7 微软“Natick”海底数据中心

国内近几年也在有条件的地区开始进行直接水冷式自然冷却的尝试,国内第一个采用湖水作为自然冷源的数据中心是阿里巴巴/华通千岛湖数据中心,千岛湖湖水水位较高、水温较低、水质好,非常适合应用湖水冷却,90%的时间无需开启机械制冷,可实现年平均PUE为1.3(在亚热带环境中,该数值已经极低)。湖南东江湖数据中心采用了东江湖湖水对数据中心进行冷却,设计PUE值能达到1.2以下。

直接水冷式自然冷却技术的节能效果是有目共睹的,但其阿受限于自然和地理条件的限制,目前仅有几个数据中心采用了该技术,由于该技术的难复制性,难以得到大面积推广,更多数据中心采用浸没式液冷,可以轻松将PUE值降低到1.2以下,比直接水冷自然冷却节约成本。

3.2冷却塔式自然冷却

冷却塔式自然冷却是指利用室外较低的空气温度通过冷却塔制取低温冷水,代替机械制冷实现数据中心冷却的技术。冷却塔自然冷却是目前数据中心采用最多的自然冷却技术之一。

冷却塔自然冷却包括:

  1. 开式冷却塔直接自然冷却,冷却塔制取的冷水直接供机房精密空调使用;

  2. 开式冷却塔间接自然冷却,冷却塔制取的冷水通过板式换热器与机房精密空调高温回水换热,实现向机房的供冷;

  3. 闭式冷却塔自然冷却,采用闭式冷却塔制取低温水或低温乙二醇溶液直接供机房精密空调使用;

  4. 干式冷却器自然冷却,干冷器是将管式换热器置于塔内,通过外界流通的低温冷空气冷却管内来自机房精密空调的循环水或者乙二醇溶液。

开式冷却塔直接自然冷却方式的循环冷水容易受到污染造成水质下降,进而影响机房精密空调换热器的换热性能和运行可靠性,因此实际中采用这种方式进行自然冷却的数据中心很少。

开式冷却塔间接自然冷却方式是在数据中心中应用较多的一种形式,其通过板式换热器实现水−水间接换热,由于开式冷却塔的冷却效率较高,该种自然冷却方式整体的自然冷源利用率较高,得到了普遍应用,但是在严寒和寒冷地区,开式冷却塔的防冻问题非常关键,应当引起重视。

闭式冷却塔和干式冷却器在应用中常常结合使用,也有学者称之为混合型冷却塔。混合型冷却塔循环水不存在水质下降的风险,但是其间接换热方式的换热效率有所降低,如何提高混合型冷却塔的热质传递效率是目前面临的主要问题。

自然冷却技术在数据中心的应用受多方面因素的影响:

  1. 数据中心所在地的气候和地理位置条件;

  2. 相关标准和规范对数据中心热环境的限制;

  3. 自然冷却技术本身与数据中心、气候地理条件的匹配和适用性;

  4. 自然冷却技术节能效果、初投资增加值之间的经济性考量。

自然冷却技术是数据中心冷却系统节能的关键技术,但是自然冷却分类众多,每种技术有其特性和适用范围,在应用中应该充分考虑各种适用性条件(气候、空气质量、水源、初投资等),选择合适的自然冷却技术。


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