比较数据中心不同自然冷却方案区别和优劣势

作者:兰洋科技    浏览量:5734    时间:2023年03月21日    标签: 绿色数据中心 散热方式 PUE 自然冷却 冷却系统

在某些天气条件下,一些制冷系统自然冷却下运行每年可以节省70%以上的制冷能耗,相应的该年度的PUE也会有15%以上的改善。但是,市面上有至少17种不同类型的自然冷却方案,由于没有明确的行业定义,因此难以比较、选择或说明。本文将介绍这些不同种类自然冷却的方案和定义,并且利用数据中心关键特性参数比较它们各自的性能表现。

引言

能源成本不断攀升以及人们对绿色环保的愈加重视促使节能需求越来越强烈。自然冷却在某些天气条件下的节能潜力对IT环境非常具有吸引力。如果配置了自然冷却,寒冷月份可以利用室外空气制冷,让需要使用制冷剂的制冷组件,比如冷水机和压缩机,可以关停不用或在以较低负荷运行。直到不久前,自然冷却运行仍被认为是一种备选方案或辅助运行模式,但是现在它已经成为满足数据中心操作人员或行业标准(比如ANSI/ASHRAE标准90.1-2010《除低层住宅外的建筑能源标准》)能效目标的必要条件。数据中心操作人员在一些天气条件下发现制冷系统可以以自然冷却作为首选工作模式,而让基于制冷剂的工作(即,机械制冷模式)作为辅助工作模式或备用方案。

制冷系统可以使用风冷散热水冷散热液冷散热来将数据中心内的热量排到室外。“风侧自然冷却”和“水侧自然冷却”术语常常被用来形容包含自然冷却的制冷系统。由于没有其它标准定义,本文将就利用“风”或“水”将热量排到室外的自然冷却类型建议相关术语和定义。会涉及到每种自然冷却类型,其中包括六种被认为最适合数据中心使用的类型。然后我们将从多个性能特征比较这六种类型的自然冷却。

自然冷却的目的和作用

许多不同类型的装置和制冷技术被用来制冷数据中心。但是,所有这些系统都会部分或全部包含以下四个基本要素:

  • 散热:风机或泵,流体(比如空气或水),将热量从数据中心运送至室外环境。

  • 换热:利用盘管或通风孔将热量从一道热流体转换到下一道热流体。不论哪种,最后都需通过热交换将热量排到室外。

  • 压缩机:系统使用制冷剂的高压和低压形态使热量“逆势”从冷区(数据中心)流向热区(夏天户外)。高压制冷剂比室外温度高许多。正是这种“温度提升”让热量可以从数据中心流向室外环境。

  • 蒸发辅助:利用冷却塔、湿式过滤器或喷头将水蒸发以帮助将热量排到室外。

标准水冷数据中心会用到以上所有要素为数据中心制冷。传热和压缩机在制冷时会消耗电能,而蒸发辅助会消耗水。

制冷系统按照数据中心满负载、高室外温度的最恶劣情况进行设计。当数据中心负载较少且室外温度凉爽时,系统必须降低功率以减少向数据中心供冷。不幸的是,制冷机组的各种装置在这种情况下利用不充分且工作效率低。为了提高在这种情况下的工作效率,制冷装置经过改进,配置了变频调速驱动、分级控制和其它功能。但是,仍然非常耗能。为了帮助在数据中心负载较少且室外温度凉爽时降低电力消耗,自然冷却应运而生。

在自然冷却下,压缩机功能全部或部分被旁通所取代,从而消除或减少了压缩机的能耗。压缩机主要是在室外温度高于数据中心温度时用来将数据中心里的热量排到室外。但是,当室外温度比数据中心低到一定程度时,热量就会自动流向室外,而无需压缩机进行“增压升温”,因此这时不必使用压缩机。由此可见,在条件允许时,压缩机可以旁通运行,以节省用电。此外,系统配置了汽化辅助装置,在条件允许时,也可以将其关闭或改为旁通运行以节约用水。

过去,在数据中心制冷系统内增加自然冷却需要承担额外支出而且工作也更为复杂,并且自然冷却只在一些特殊天气条件下才能够发挥作用,比如高纬度地区。但是,这种情况已经发生变化,由于以下原因,自然冷却现在被认为在大多数地区都能够发挥作用:

数据中心在部分负载下工作加大了自然冷却所能带来的好处,越来越多的设计师认识到数据中心在其生命周期里有相当一部分时间是在较低的负载下运行。IT设备的动态功率变化更使自然冷却的作用进一步得到加强。

数据中心在较高IT回风温度下工作的发展趋势使自然冷却的可用时间增多,特别是在较为温暖的天气条件下。

现在大多数新增的自然冷却可以实现“部分”自然冷却工作,极大增加了各种条件下所能节约的能源数量。

用以量化自然冷却节能性能的工具现在已经有所改进,常常结合ROI预测产生显著节约的可能性。

自然冷却的实际工作效果以及控制和监控系统的完善增加了人们对这些模式不会对数据中心可靠性造成负面影响的信心。

压缩机旁通功能是所有自然冷却的一个核心概念。如何实现旁通功能(以及实现节能)取决于制冷机组的设计,详情请见下文段落。

自然冷却的种类

自然冷却有19种基本类型,其中15种可用于厂房数据中心(六种采用风侧,九种采用水侧)。其余四种采用水侧方式的自然冷却由于将冷凝水直接带进数据中心使设备受水损坏的几率增加,因此不建议在数据中心内使用。图1所示为这15种自然冷却1。在后面的段落中我们将就每种类型进一步说明。图中用黄色标注的类型将在本文后面章节中将作详细分析。

为了公平地比较不同类型的自然冷却,应将一种自然冷却类型所需的所有制冷系统组件全部纳入考虑。

串联/并联

自然冷却可以按以下两种方式中的一种配置:串联或并联。

在串联配置中,压缩机的旁通装置(比如板式换热器)与压缩机串联安装。这种配置利用热交换器“预冷”空气或水,让压缩机部分转入旁通模式,减少压缩机的散热量,以部分自然冷却节省相当数量的压缩机能耗。

在并联配置中,热泵的旁通装置以并联形式与热泵连接。这种配置不支持部分自然冷却,是一种“要么全有要么全无”的方式,因此不能以部分自然冷却节省能耗。

 图1a 风侧节能冷却模式.jpg

图1b 水侧节能冷却模式.jpg

图1自然冷却的两种类型

下面我们将分别介绍以上各种自然冷却。每种模式说明均首先列出该模式必需的组件(即,完全不借助机械蒸发压缩)。所有说明均设定为需要使用控制系统。

  • 1.采用直接新风作为空调的旁通

关键组件:风机、百叶、风门、过滤器,(在与蒸发辅助时还需要用到湿膜棉片和泵)

新风自然冷却(有时称作“直接通风”),当室外空气条件在设定值范围内时,利用风机和百叶从室外经过过滤器抽取一定数量的冷风并直接送入数据中心,请参见图2。

百叶和风门可以控制热风排到室外的数量以及与数据中心送风的混合数量以保持环境设定温度。尽管送风已经经过过滤,但是并不能完全消除微粒,比如防止烟雾和化学气体,进入数据中心。

这种类型的自然冷却也可以结合蒸发辅助一起使用,这样室外空气在进入数据中心前需要先穿过潮湿的网状介质。在气候干燥的地区,蒸发辅助可以使温度降低高达19°C(35°F),延长自然冷却的可用时间。这种制冷效果类似于一个人从大海中出来,感受到凉飕飕的海风。需要注意的是,这种类型的自然冷却在结合蒸发辅助使用时会增加数据中心的湿度,因为直接送入数据中心的新风会先经过蒸发环节。蒸发辅助在干燥气候环境下优势最大。如果是较为潮湿的天气环境,则应结合ROI(投资回报率)评估是否使用蒸发辅助。这种类型的自然冷却支持在部分自然冷却下运行。

 图2  采用直接新风作为 空调的旁通.jpg

图2采用直接新风作为空调的旁通

  • 2.采用空气换热器作为空调的旁通

关键组件:风机、固定板式空气换热器,(在与蒸发辅助结合使用时还需要用到湿膜棉片和泵)

采用空气换热器作为空调旁通的模式(有时称作“间接通风”),当室外空气条件在设定值范围内时,利用室外空气间接为数据中心制冷。这种模式使用风机将室外冷风吹到一组板或盘管上面,冷却板或管的另一侧的数据中心内的热空气,将数据中心内的空气与室外空气完全隔离(请参见图3a)。这种类型的自然冷却也可以与蒸发辅助结合使用,向板或管的外层喷水以便进一步降低室外空气的温度,从而冷却数据中心内的热风。和前面一种类型的自然冷却不同,这里的蒸发辅助不会增加数据中心内的湿度。图3b展示的是带有蒸发辅助的空气换热器以及采用这种类型自然冷却的完整制冷系统。这种类型的自然冷却既能支持在完全自然冷却下运行也支持在部分自然冷却下运行。

 图3a 采用空气换热器作为 空调的旁通.jpg

图3a采用空气换热器作为空调的旁通

 图3b 带有蒸发辅助的空气换热器(左)以及采用空气换热器式空调节能冷却模式的完整制冷系统(右) .jpg

图3b带有蒸发辅助的空气换热器(左)以及采用空气换热器式空调自然冷却的完整制冷系统(右)

  • 3.采用热轮换热器作为空调的旁通

关键组件:风机、热轮换热器(在与蒸发辅助结合使用时还需要用到湿膜棉片和泵)

采用热轮换热器作为空调旁通的模式,当室外空气条件在设定值范围内时,利用风机将室外冷风吹入热轮换热器,以使数据中心空间保持较为干燥的环境。请参见图4的示意图和热轮换热器图片。热轮换热器采用特殊换热材质,这种材质可以防止污染物污染数据中心内的空气。这种类型的自然冷却也可以与蒸发辅助结合使用,室外空气在进入数据中心前需要先穿过潮湿的网状介质。这种类型的自然冷却即支持在完全自然冷却下运行也支持在部分自然冷却下运行。

 图4  采用热轮换热器作为空调的旁通(左)以及热轮换热器图片(右).jpg

图4采用热轮换热器作为空调的旁通(左)以及热轮换热器图片(右)

关键组件:冷却塔、泵、阀、板式换热器、CRAH

采用热交换器作为冷水机组旁通的模式,当室外空气条件在设定值范围内时,利用冷凝水间接冷却数据中心的冷冻水。泵将冷凝水送入并穿过板式换热器,从CRAH使用的冷冻水得以冷却,而无需将两种水混合,请参见图5。冷水机组的旁通阀可以根据冷凝水的冷冻温度决定是否关闭。这种类型的自然冷却在热交换器与冷水机组串联连接时可以支持部分运行。尽管在本文中不作详细探讨,但是这种类型的自然冷却也可以使用大型水体(比如,湖泊)作为冷凝水水源。

 图5 采用热交换器作为冷水机组的旁通.jpg

图5采用热交换器作为冷水机组的旁通

  • 5.采用内置热虹吸管作为冷水机组压缩机的旁通

关键组件:冷却塔或干式冷却器、带有热虹吸系统的冷水机组、泵、阀、CRAH

一些冷水机组支持内置热虹吸管作为压缩机旁通的自然冷却,允许当室外空气条件在设定值范围内时关闭压缩机。在这种模式下,冷水机组被用作简单的热交换器。热虹吸现象使热的制冷剂自然地流入冷凝水盘管,在这里制冷剂得到冷却。然后经过冷却的制冷剂在重力作用下或在泵的辅助下返回蒸发器以冷却数据中心的冷冻水。制冷剂重新变热,然后按照之前的步骤循环往复。热虹吸特征无需板式换热器。但是,这种自然冷却不允许冷水机组在部分自然冷却下运行,因为在热虹吸模式工作时,压缩机必须关闭。

关键组件:干式冷却器、泵、阀、CRAH(在与蒸发冷却器结合使用时还需要用到湿膜棉片和泵)

采用干式冷却器作为风冷冷水机旁通的自然冷却,当室外空气条件在设定值范围内时,利用一种叫做干式冷却器的热交换器直接冷却数据中心内的冷冻水。泵将冷冻水(通常混有乙二醇)送入并穿过干式冷却器,在这里利用室外冷风冷却冷冻水,然后将冷却后的冷冻水送往CRAH,请参见图6a。冷水机的旁通阀可根据室外冷风的冷冻程度决定关闭或在更高效率下运行。只有当热交换器与冷水机串联连接时才支持在部分自然冷却下运行。请注意,图6a中的干式冷却器和控制器已完全整合到风冷冷水机解决方案中。这是这种自然冷却类型的设定解决方案。与现场安装同样的组件相比,这种成套式解决方案占用面积较小,而且更易于掌控且效率更高。采用这种自然冷却的风冷冷水机解决方案,请参见图6b。

 图6a 采用干式冷却器作为风冷冷水机组的旁通.jpg

图6a采用干式冷却器作为风冷冷水机组的旁通

 图6b 带有干式冷却器的风冷冷水机组.jpg

图6b带有干式冷却器的风冷冷水机组

这种类型的自然冷却也可以结合蒸发辅助使用,室外风经过潮湿的网状介质或穿过水雾得以进一步冷却,从而更加降低冷冻水的温度,提高自然冷却的可用时间。这时应注意用蒸发冷却器代替干式冷却器。

  • 7.采用次级盘管作为CRAC压缩机的旁通

关键组件:干式冷却器、泵、带有次级盘管的CRAC(在与蒸发冷却器结合使用时还需要用到湿膜棉片和泵)

在这种类型的自然冷却下,直膨式(DX)CRAC包含一个独立的次级冷凝水盘管,可在自然冷却时使用。当室外空气条件在设定值范围内时,泵将冷凝水送入并穿过干式冷却器,在这里利用室外冷风使冷凝水冷却,然后将冷却后的冷凝水送到CRAC的次级盘管(图7)。这种类型的自然冷却支持部分运行,也可以与蒸发辅助结合使用,但应注意将干式冷却器换成蒸发冷却器。另外,还应注意虽然可以使用冷却塔来冷却冷凝水,但那样会增加水处理要求,因此不推荐在数据中心内使用

 图7 采用次级盘管作为 CRAC压缩机的旁通.jpg

图7采用次级盘管作为CRAC压缩机的旁通

比较不同自然冷却

自然冷却必须尽可能宽泛地利用室外条件,以便延长自然冷却工作时间,节省能源。但是,在极端酷热的天气条件下,还是需要至少部分采用制冷剂制冷模式(即,机械制冷),以便在节能的同时,保证数据中心环境的可靠性。自然冷却的两个关键特征可以在这方面发挥作用:

压缩机减低负载运行,支持部分自然冷却运行

  • 蒸发辅助

在图1中我们列出了15种自然冷却,并且标识出其中具备以上两个关键特征的6种自然冷却。下面我们将在表1中比较这六种自然冷却的各项质化特征。蓝色阴影表明该种自然冷却在这一特性上表现最佳。表2将比较这6种自然冷却的量化特征。

表1不同自然冷却的量化比较(蓝色标注表明其在该特性上表现最佳)

 表1 不同节能冷却模式的量化比较.jpg

  • 楼体的兼容性

采用新风、空气换热器和热轮换热器作为旁通的空调需要在室外冷却设备到数据中心IT机房之间敷设风管。一般来说,这需要在进行建筑设计时专门为这些风管预留敷设空间,或者在设计时将IT机房布置在邻近室外冷却设备的位置。因此,这些类型的自然冷却通常较难安装到现有的楼体和多层建筑中。使用水管的自然冷却则在安装上更具灵活性,因为水管传热占用的物理空间要小得多,比较容易适应现有建筑条件。

  • 可改造性

一般来说,改造的目的是要尽可能多的重复利用现有制冷基础设施。但是要将传统制冷系统改造为采用直接通风节能空调几乎是不可能的,因为它们相互不能兼容(传统系统使用水冷,而直接通风空调使用风冷)。在使用CRAH或CRAC机组的数据中心里,有三种方式可以在将现有设备改造成自然冷却。

第一种也是最常见的一种是增加一台热交换器作为水冷冷水机的旁通(即,利用热交换器其作为冷水机旁通的自然冷却)。这通常需要在冷水机附近安装一台板式换热器,并相应配置控制装置和旁通阀。热交换器比冷水机小很很多,因此在现有冷水机房内一般都会有足够的空间安装热交换器。

第二种方法是为风冷冷水机增加一台热交换器作为旁通(即,利用蒸发冷却器作为冷水机旁通的自然冷却)。这通常需要在冷水机附近安装一台蒸发冷却器,并相应配置控制装置和旁通阀。根据气候条件的不同,蒸发冷却器的总占地面积可能比冷水机大得多,因此需要有足够的安装空间。

第三种方法是为直膨式乙二醇制冷系统的压缩机增加一台热交换器作为旁通(即,利用次级盘管作为CRAC压缩机旁通的自然冷却)。这种方式非常难以执行且可行性不高,因为次级盘管必须安装在制冷机组内部。改造这种类型的制冷系统需要将整个CRAC机组更换为包含有次级盘管的机组。

  • 控制的复杂程度

自然冷却和制冷剂模式之间的转换过渡可能会非常复杂,在转换过渡期间还可能会造成暂时的制冷损失。从根本上说,这种转换过渡的可靠性取决于控制系统。配有自然冷却的标准预制制冷系统,其控制系统结合硬件同步进行设计和配置。这类控制系统就比根据特殊制冷系统现场定制的控制系统要可靠得多。

利用空气换热器或热轮换热器作为空调旁通的自然冷却,其控制系统最为简单。控制系统最为复杂的是利用热交换器作为冷水机组旁通的自然冷却,因为板式换热器需要冷凝水温度较低而冷水机组需要冷凝水温度较高,这之间形成了一个“死区”。

  • 数据中心湿度控制

表1中除了一种自然冷却之外,其它完全自然冷却均将室外空气与数据中心内的空气相互隔离。因此,即使室外湿度水平较高,也不会对数据中心内的湿度造成影响。但是,采用直接新风作为空调旁通的自然冷却由于将室外空气直接送入数据中心,所以在气候潮湿时,这种自然冷却的可用时间将大大减少。尽管了可以采取措施控制湿度,但是因此所额外消耗掉的能源可能会抵消自然冷却所节省的能源。

  • 平均寿命

水冷式制冷系统通常比风冷式制冷系统的平均寿命短些。因为水流过管道会产生积垢。对于与使用蒸发辅助的制冷系统,其限制因素主要在于蒸发表面。总体来看,任何制冷系统的平均寿命都很大程度上取决于在生命周期内维护次数。

  • 可用性风险

所有类型的自然冷却都可能遭受外部威胁,比如飓风、龙卷风和地震。但是,还有一些更为常见的威胁,我们必须加以考虑。

冷却水损失—数据中心附近如果有施工项目,那么市政供水就有可能被切断,这种情况可能会事先通知,也可能是突发状况。由于水冷冷水机一般完全依赖于冷却塔才能持续工作,利用热交换器作为冷水机旁通的自然冷却是最容易受此影响的一种自然冷却类型。通常,针对这个问题,我们可以安装一个容量足以维持冷水机24小时或更长时间持续工作的储水罐来予以解决。配备了蒸发辅助的其它自然冷却受此威胁的可能性相对要小很多,因为它须要酷热、干燥的室外天气条件也同时发生。

如果系统在整年里都依赖于蒸发辅助来制冷,那么也容易受到冷却水损失的影响。我们可以安装前面提到的储水罐或使用机械制冷系统来承担100%制冷负载。

空气质量差—将室外空气直接送入数据中心的自然冷却可能会对IT设备造成隐患。此类制冷系统的有些空气过滤器可以有效过滤微米级的微粒,比如微生物。但是,新风自然冷却还面临火山灰,附近火灾产生的烟雾或沙尘暴等威胁,在这些情况下过滤器很快就会被堵塞,从而需要转换到制冷剂制冷模式。针对这种威胁,可以安装冗余冷水机组为整个数据中心制冷。对于使用在蒸发辅助内使用湿式介质的自然冷却,介质片上可能会堆积微粒。因此,发生这种情况时,很可能需要更换介质片。

ASHRAE曾出版过题目为《数据通讯环境内的微粒和气体污染》的白皮书和书籍。两种出版物都详细阐述了气体和微粒污染在不同自然冷却下可能导致的故障,特别是工业领域内直接新风自然冷却下可能会出现的故障。同时,还介绍了确保无故障运行所允许使用的物质和可接受的工作环境。

数据中心内的消防—采用气体灭火剂消防系统(即,FM200、INERGEN、ECARO-25)的灭火系统必须对数据中心空间进行密封以便保证气体灭火剂能够达到足以灭火的浓度。这要求关闭所有风门和入口,从而对直接新风自然冷却造成问题。和应对空气质量差的威胁一样,我们可以使用机械制冷系统承担100%制冷负载来解决这个问题。

  • 占地面积

不同制冷系统的占地面积取决于各个系统所需全部组件所占用的空间,包括自然冷却的组件和数据中心内的制冷单元。占地面积以数据中心的额定容量为准(即,数据中心可支持的最大IT负载)。采用新风作为空调旁通的制冷系统占地面积最小。采用空气换热器作为空调旁通的制冷系统占地面积稍高一些,因为增加了空气换热器。采用热轮换热器作为空调旁通的制冷系统占地面积是所有“基于空气”的自然冷却中最大的,几乎和需要使用冷却塔的冷供水机组一样大。

  • 是否需要制冷剂模式作为后备

虽然制冷系统可以完全放弃制冷剂制冷模式,而完全采用自然冷却,但这样做也会增加宕机风险,因此不建议在对可用性要求较高的生产型数据中心内使用。此外,全球终年处于寒冷气候下的地方非常少。即使是在终年处于寒冷气候下的地方,很少的地点具备数据中心运行所需的可接入性、光纤接入、劳动力和其它资源。因此,大多数情况下,自然冷却至少需要达到部分额定容量的制冷剂后备模式来帮助度过一年中最热的日子。自然冷却中“热交换”次数越多,越需要配置达到100%额定容量的制冷剂后备模式。

比如,一个数据中心采用热交换器作为冷水机旁通的自然冷却,它会在三个位置实施热交换:CRAH、板式换热器和冷却塔。对于这个数据中心来说,要在100%自然冷却下向服务器输送温度为20°C(68°F)的空气,室外湿球温度的最大值必须终年保持在2°C(35°F)或以下4。如果冷水机负载降低至设计容量的50%,室外湿球温度的最大值必须终年保持在7°C(45°F)或以下,但这个温度对于数据中心所处的实际状况来说仍然太低。这就是为什么这类自然冷却需要一套达到100%额定容量的冷水机组作为后备机械制冷系统。

采用直接新风作为空调旁通的自然冷却不需要任何热交换,因为室外空气是被直接送入数据中心。因此,配置一个达到部分额定容量的机械制冷系统,它就可以在较干燥的气候条件下全年运行。但是鉴于前面讲过的空气质量风险,以及需要控制湿度,最好还是配置达到全部额定容量的机械制冷系统。采用空气换热器作为空调旁通的自然冷却虽然有一次“热交换”,但却避免了空气质量风险和湿度控制问题,因此也就可以节约购置和运行达到全部额定容量的机械制冷系统所需的费用。

未来,虚拟机将允许把发生故障的关键应用进程转移到其它数据中心,因此一些数据中心将有可能全年采用自然冷却而无需配置制冷剂模式作为后备。IT设备的进风温度临界值未来也有望提高,更增加了自然冷却下全天候运行的可能性。

表2不同自然冷却的量化比较

 表2 不同节能冷却模式的量化比较.jpg

  • 表2的假设条件

  • 数据中心容量:1,000kW(无冗余)

  • 地址:美国密苏里州圣路易斯

  • IT总负载:500kW

  • 行级制冷(水侧自然冷却)悬挂吊顶(风侧自然冷却)热气流遏制(所有模式)

  • CRAH变速风机

  • 服务器内平均温差:13.9°C/25°F机架平均进风温度:24°C/75°F55%相对湿度下服务器最大进风量最大露点温度:10°C/60°F

  • 冷却器气流与IT气流比:120%冷冻水设计温差:6.7°C/12°F冷水机COP*IPLV:9

  • 最低冷却塔水温:4.4°C/40°F使用浸入式加热器防止冻结

  • 冷却塔设计温度:5.6°C/10°F

  • 年度耗水量

使用冷却塔的自然冷却与其它自然冷却相比最为耗水,因为水会在冷却塔里蒸发,而且这种蒸发终年不断。冷却塔的耗水量大约为每分钟151.4升/1000吨制冷量(每分钟40加仑)8。其它自然冷却所使用的蒸发辅助,其耗水量要少得多,因为每年只会在较热的时期才会用到蒸发辅助。

  • 整个制冷系统的资本成本

资本成本包括所有物料、安装的人工、设计成本以及与整个制冷系统相关的所有项目费用。比如,以“使用热交换器作为冷水机旁通”的自然冷却为例,冷水机也包括在资本成本内。事实上,相比其它系统,这种制冷系统的资本成本是最高的,因为它还包括冷却塔、管道、泵和定制控制系统的额外成本。定制控制系统的设计和执行都会产生较大的成本支出,因为如果各个组件由不同供应商提供,那么就需要专门进行代码设置、测试、验证和调试以确保整个制冷系统安全可靠并且能够实现预期节能目标。系统“调试”可能长达一年甚至更长时间,在这期间调试成本也在不断产生。尽管我们在这里将这些成本视为资本成本进行分析,但是它们也可看作是运营成本。

制冷系统如果采用以蒸发冷却器作为冷水机旁通的自然冷却,则可以节约23%左右的成本,因为它不需要前面所说的散热组件和调试。但是,这种系统的效率较低,因而导致数据中心的总体PUE恶化。

  • 整个制冷系统的年度维护成本

冷水机/冷却塔系统是数据中心非常常见的制冷系统,可用作其它制冷系统维护成本的参考基准。因此,表2中的年度维护成本显示的是与冷水机/冷却塔制冷系统维护成本的比值。年度维护包括对各种模式下制冷系统所有组件的维护,包括自然冷却。比如,在利用热交换器作为冷水机旁通的自然冷却下,冷水机也包括在维护成本内。使用“风冷”自然冷却的制冷系统,其维护成本比采用其它需要较多组件且更复杂自然冷却的制冷系统低。

  • 总制冷耗能

这是整个制冷系统的总体能耗。能源成本最高的自然冷却是采用次级盘管作为CRAC旁通的自然冷却类型。主要是因为配置分布式制冷系统需要承担能源损失。能源成本最低的自然冷却是采用空气换热器作为空调旁通的自然冷却类型。采用热轮换热器作为空调旁通的自然冷却,其能源成本比它略高一点。

由于大部分1MW及以上数据中心都使用传统冷冻水/冷却塔系统,因此我们也可以将传统冷冻水/冷却塔系统的能耗作为自然冷却的能耗基准。基准系统假设为无遏制系统,无自然冷却,冷冻水供水温度为7.2°C(45°F),使用CRAH匀速风机。根据这个基准条件,图8按照大型数据中心通常所处的11个城市,就各种自然冷却的制冷负载因数(CLF)与基准冷水机进行了比较。CLF是数据中心制冷系统PUE的一部分。

除一些最极端的气候环境以外,比如新加坡,所有自然冷却均比基准制冷系统更加节省能源。利用空气换热器作为空调旁通的自然冷却,其制冷耗能最低,几乎所有天气条件下的平均耗能都在381,385千瓦时,约为基准制冷系统平均能耗1,834,403千瓦时的75%。利用热轮换热器作为空调旁通的自然冷却在节能方面也表现良好。

图8 各种节能冷却模式与基准模式的制冷耗能比较.jpg

图8各种自然冷却与基准模式的制冷耗能比较

  • 年度工作时数—完全自然冷却下

这是指采用各种自然冷却的系统,每年在100%自然冷却下工作的时数。这里的假设条件是:位于美国密苏里州圣路易斯市的1MW数据中心,IT负载为50%(工作时数很大程度上取决于地理位置)。由于数据中心需要达到一定湿度要求,如果系统采用利用直接新风作为空调旁通的自然冷却,其每年的在100%自然冷却下工作的时数相对最短。如果系统采用利用空气换热器作为空调旁通的自然冷却,那么它每年在100%自然冷却下工作的时数可以达到7,074小时。

  • 年度工作时数—部分自然冷却下

当室外天气条件迫使自然冷却不能单独完成对数据中心的制冷而需要借助压缩机制冷时,系统可以在部分自然冷却下运行。这对于任何自然冷却来说都是非常重要的特性,因为世界上很少有地方可以全年支持100%自然冷却下运行。在一些地方,系统在部分自然冷却下的工作时数远高于在完全自然冷却下的工作时数,而且能够节省更多能源。由于数据中心需要达到一定湿度要求,如果系统采用利用直接新风作为空调旁通的自然冷却,其在部分自然冷却下的工作时数相对最短。

  • 预计年度PUE

能源利用率(PUE)是整个数据中心总耗能与IT设备总耗能的比值。这个年度预测数据以常见的能源基础设施为基础。利用次级盘管作为CRAC压缩机旁通的自然冷却,其年度PUE值最差—1.39。利用空气换热器作为空调旁通的自然冷却,其PUE值最好—1.25,或者说整个数据中心的能耗与图8所示的基准系统平均PUE(1.68)相比低26%。

影响自然冷却运行的因素

许多因素能够对部分自然冷却下的工作时数产生影响。其中最主要的因素是数据中心所在的地理位置。但是,数据中心制冷系统的设计和制冷设定值也会产生很大影响。

  • 地理位置

自然冷却的使用完全取决于数据中心的地理位置。即使在部分自然冷却下工作时,地理位置的季节性气候条件也至关重要。ASHRAE、美国国家再生能源实验室、美国国家海洋和大气局是少数几家提供天气数据以供评估自然冷却可用时间的机构。这些数据通常称作“bin气象数据”,因为气象数据以温度范围进行表现。利用某个地理位置的气象数据可以计算出自然冷却的可用时数。

  • 制冷系统制冷设定值

增加自然冷却可用时间的方法主要有两种:1)将数据中心搬到较为寒冷的地区,以及2)提高服务器的设计进风温度。第一种方法对于已有数据中心来说显然是不现实的。第二种方法则具有可行性,而且现在不论是新建数据中心还是已有数据中心都适用。事实上,ASHRAETC9.9标准的2008年版本已经将服务器的最大进风(干球)温度从原来的25°C(77°F)提高到27°C(80.6°F)。不过,IT送风温度能够提升多少取决于热风和冷风隔离遏制的效果。

  • 热冷气流隔离

如果机柜布置不合理或者气流管理不当,数据中心内的热风和冷风会发生混合。如果制冷设定值提高到27°C(80.6°F),到送风到达服务器进风口时,温度可能已经接近32°C(90°F)。这就是为什么制冷系统设定值通常远远低于服务器进风温度的原因。

为了提高制冷系统设定值并从而延长自然冷却可用时间,必须将热风和冷风分开。我们可以利用冷通道气流遏制系统和热通道气流遏制系统达到这个目的。但是,热通道遏制可以提供更多的自然冷却可用时间,因此更受新建数据中心青睐。任何使用自然冷却的数据中心在使用气流遏制系统后都可以在很大程度上提高效率。因此如果使用自然冷却,没有理由不配置气流遏制系统。

过去,自然冷却被看做是主要制冷系统的节能补充措施。大部分的设计都遵循这一理念,因此自然冷却可以关闭并且数据中心仍然可以在基本的制冷模式下运行。但是,随着数据中心设计的不断进步,自然冷却开始成为主要的工作模式,为数据中心改善成本效率提供了新的可能性:

如果设计允许部分自然冷却在最糟糕的条件下运行,让压缩机系统在任何时候无需承担全部数据中心负载,那么我们可以考虑降低压缩机系统的选型;

如果设计允许完全自然冷却在最糟糕的条件下运行,我们可以考虑完全移除压缩机系统,让数据中心一直在自然冷却下运行;

如果设计允许完全自然冷却在除少数最糟糕条件以外的情况下运行,我们可以考虑为IT系统增加控制系统,以便在最差的室外天气条件下保护IT负载。这样做之后,压缩机系统也可以完全移除。这种控制系统能够利用前瞻的主动能源管理或通过将IT负载转移到其它位置来保证服务器的正常工作。

减少和移除压缩机系统的使用可以极大提高数据中心制冷系统的效率。

结论

在过去,制冷系统自然冷却在大多数数据中心内并没有得到重视。这主要是因为那时电力成本较低,IT设备供风温度较低,并且还没有颁布碳排放法规。今天,各种标准,例如

ANSI/ASHRAE标准90.1-2010,和各项法规,如《英国碳减排承诺》,均要求数据中心减少耗能。一些自然冷却在许多气候条件都能有效减少能耗。数据中心操作员可以根据自己所处的气候条件找出可以作为系统首选工作方式的自然冷却,并将机械制冷系统作为辅助工作方式或后备。

在某些天气条件时,一些制冷系统在自然冷却下运行可以节省超过70%的年度制冷能源成本,相应的年度PUE也会有超过15%的改善。但是,市面上有至少15种不同类型的自然冷却,由于没有明确的行业定义,因此难以比较、选择或说明。本文对这些不同种类自然冷却的术语和定义进行了介绍并且利用关键数据中心特性比较它们各自的性能表现,以帮助设计师根据实际情况作出最佳选择。


来源:网络

本文标题:比较数据中心不同自然冷却方案区别和优劣势

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