数据中心直接和间接风侧节能冷却模式的选择

作者:兰洋科技    浏览量:3855    时间:2023年07月05日    标签: 绿色数据中心 冷却系统 节能降耗

摘要:为数据中心选择直接还是间接风侧节能冷却模式取决于诸多因素,包括其获益、地理位置、投资成本、运行成本以及可用性风险。在本白皮书中,我们从以上五个方面对这两种节能冷却模式进行了考察分析。虽然两种模式均能通过极少使用或不使用机械制冷的情况下为数据中心提供冷量,但在世界大部分地区,使用间接节能冷却模式所消耗的能源要低于直接新风节能冷却模式。直接新风节能冷却模式可节约投资成本,但与间接模式相比,其可用性风险较高。为规避这些风险所需的额外投资明显降低了直接新风节能冷却模式的优势。因此,总体来说,我们建议采用间接节能冷却模式。

简介

采用节能冷却模式的制冷系统在节约能源和降低碳足迹方面具有巨大潜力,因为在这一模式下可以取消、关闭或以低容量运行冷水机和压缩机等使用制冷剂的大能耗制冷组件。绿色网格联盟(The Green Grid)对数据中心运维人员的调查显示,与未采用节能冷却模式的数据中心相比,采用节能冷却模式的数据中心平均可降低 20%的制冷成本、能源消耗和碳排放。直接和间接节能冷却模式是风侧节能冷却模式的两种方法,其原理是在室外温度较低时利用室外空气对数据中心进行冷却。

本文重点讨论了直接和间接风侧节能冷却模式的优势、相关成本和风险因素。针对如何选择适用的方法,我们提供了实用的建议和指导。此外还有其他几种节能冷却模式也有助于节约能源,如水侧节能冷却模式。

直接风侧节能冷却模式

直接风侧节能冷却模式(通常被称为“直接新风”节能冷却)是在室外空气状况处于某个设定温度范围之内时,将一定量的室外冷风通过风扇和进风格栅吸入并进行过滤,然后直接将其送入数据中心,如图 1 所示。对于这种节能冷却模式,无需进行新风换气。 

图1 利用室外新风直接冷却的数据中心.jpg

图1 利用室外新风直接冷却的数据中心

该系统利用风阀来控制热风排到室外的量以及与数据中心冷送风的混合量以保持环境设定温度。这种类型的节能冷却模式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。需要注意的是,这种类型的节能冷却模式在结合蒸发辅助使用时会增加数据中心的湿度。在室外空气状况不佳的情况下(如空气污染、湿度高),通常采用机械制冷作为后备。

在考虑采用直接风侧节能冷却模式时,用户常见的问题包括:

  • 哪些地点适合采用这种节能冷却模式?

  • 投资成本为多少?

  • 运营成本为多少?

  • 需要 100%机械制冷系统作为后备吗?

  • 温度升高、湿度增加和空气污染物对数据中心内 IT 设备运行的可靠性有何影响?

  • 我的 IT 设备能否经受住外部的自然条件?

  • 我能否采用这种节能冷却模式对数据中心进行改造?

  • 安装直接新风系统需要在设计中考虑哪些因素?

  • 直接与间接风侧节能冷却模式之间的主要区别是什么?

本文就以上问题进行了分析和解答,比较了直接与间接风侧节能冷却模式之间的异同,并针对如何在这两种方法之间进行选择提供了实用建议和指导。

间接风侧节能冷却模式

当室外空气条件在设定值范围内时,间接风侧节能冷却模式利用室外空气间接为数据中心制冷。空-空热交换器、热轮换热器和热管是三种常见的隔离技术,可隔离室外湿度的影响并防止室外污染物进入 IT 空间。在这三种技术中,空-空热交换器在数据中心中的应用最为普遍。我们在本白皮书中将重点讨论空-空热交换器方法。边栏部分简要介绍了热轮换热器和热管技术。 

基于空气热交换器的间接节能冷却方法使用风机将室外冷风吹到一组板换或盘管上面,冷却穿过板换或盘管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,如图 2 所示。这种类型的节能冷却模式也可以与蒸发辅助结合使用,向板换或盘管的外表面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回风。与直接新风节能冷却模式不同,蒸发辅助不会增加 IT 空间内的湿度,但需要补充少量新风。在室外条件不理想的地点(如高温和高湿),通常将机械制冷作为辅助制冷方法。

图2 利用室外新风和空-空热交换器间接冷却的数据中心.jpg

图2 利用室外新风和空-空热交换器间接冷却的数据中心

在考虑采用间接节能冷却模式时,用户的常见问题包括:

  • 哪些地点适合采用这种节能冷却模式?

  • 投资成本为多少?

  • 运营成本为多少?

  • 需要配置多少容量的机械辅助制冷?

  • 采用空-空热交换器会对能效产生多大影响?

  • 安装间接风侧节能冷却系统需要在设计中考虑哪些因素?

  • 直接与间接风侧节能冷却之间的主要区别是什么?

本文就以上问题进行了分析和解答,比较了直接与间接风侧节能冷却模式之间的异同,并针对如何在两种方法之间进行选择提供了实用建议和指导。

请注意,任何采用直接或间接节能冷却模式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能效,因此,没有理由不配置气流遏制系统。

热轮换热器与热管技术的比较

热轮换热器技术利用风扇,通过一个旋转的热轮,利用室外的冷风间接对数据中心内的热回风进行冷却,而热管技术则是通过一套热管,利用风扇将室外冷风吹过热管,对热管内的流体进行冷却,被冷却的管内流体再去冷却数据中心内的热回风。

这两种技术均可保持数据中心内的湿度条件,并能防止污染物进入数据中心。另外,两种技术均可使用蒸发辅助,以进一步冷却室外空气并延长节能冷却时间。

直接与间接节能冷却模式的比较

直接和间接节能冷却模式均有各自的优缺点。在选择时应对其优势以及相关成本、风险和地理位置、IT 环境设定值等因素进行权衡比较和分析。理想的节能冷却模式可充分利用各种外部环境条件来最大化节能冷却模式的运行小时数,并拥有最低的运行和投资成本,同时伴随最小的数据中心可用性风险。本章节根据数据中心设计者和用户经常提及的以下各种指标对直接和间接风侧节能冷却模式进行了比较,包括:

  1. 投资成本

  2. 运营成本

  3. 性能

  4. 可用性风险


1.投资成本

投资成本包括材料成本、安装成本、设计成本以及与整个制冷系统相关的所有项目费用,以每瓦IT 负载的价格(美元)计算。图 3 为直接新风系统和间接节能冷却系统投资成本的比较。这两个系统均为预制化系统,其配置是为了能实现 ASHRAE 对 IT 空间所推荐的环境条件,并以旧金山的气候数据作为假设条件(详情参见边栏)。一般来说,直接新风系统的 DX 后备系统是根据显冷量要求来设计容量的,因此我们在分析中也采用了这一假设条件。

由于空-空热交换器增加了额外的成本,间接节能冷却系统的投资成本略高,但间接节能冷却系统可控制湿度和空气污染等风险。为应对这些风险而为直接新风系统配置 100% DX 后备将使其成本超过间接节能冷却系统。此外,配置 100% DX 后备系统还会增加支持数据中心所需的上游配电设备和发电机的成本和容量要求。

图3  美国加利福尼亚州旧金山直接和间接节能制冷系统投资成本的比较.jpg

图3  美国加利福尼亚州旧金山直接和间接节能制冷系统投资成本的比较

图 3 假设条件 

  • 地点:美国旧金山

  • 数据中心容量:1000 kW

  • 系统冗余:N

  • 配置:预制化

直接新风系统:

  • 设备包括百叶窗、过滤器、风阀、VFD 风扇阵列,配备或不配备 100% DX 后备系统。

  • 全套控制系统

  • 热通道气流遏制

间接节能冷却系统:

  • 设备包括:风扇、间接蒸发

  • 冷却器、泵、阀、喷水嘴/水分离器、感应器和 DX 后备系统。

  • 集成式控制系统

  • 热通道气流遏制

  • 30% DX 后备,在极端室外气候条件下全负荷运行,作为热交换器的辅助

运营成本

整个制冷系统的运营成本包括以下各项:

能源成本 – 整个制冷系统在 100%负载条件下的能耗。它包括系统处于完全和部分节能冷却模式时的能耗。

水费成本 – 蒸发辅助组件可以通过水蒸发来增加节能冷却模式运行的小时数。

维护成本 – 维护成本包括空气过滤器更换、水过滤器更换、喷嘴更换、过滤器清洁和空-空热交换器清洁的成本。直接新风系统的过滤器更换成本取决于数据中心所在地的空气污染程度和过滤器更换的频率。

图4 在美国加州旧金山采用风侧直接和间接节能冷却系统的运营成本比较.jpg

图4 在美国加州旧金山采用风侧直接和间接节能冷却系统的运营成本比较

图5 在美国密苏里州圣路易斯采用风侧直接和间接节能冷却系统的运营成本比较 .jpg

图5 在美国密苏里州圣路易斯采用风侧直接和间接节能冷却系统的运营成本比较 

图4 和图5 假设条件 

  • 数据中心和制冷系统的配置与图 3 的假设条件相同

  • 数据中心负载:100%

  • 根据 ASHRAE 推荐的范围,直接新风和间接节能冷却系统的送风设定值为:

  • - 固定的送风温度: 27°C (80.6°F) 

  • - 相对湿度:   30%<RH%<60% 

  • - 露点:5ºC<DP<15ºC(41°F<DP<59°F) 

  • 送风和回风温差:14°C (25.2°F) 

  • 电费:0.09 美元/瓦

  • 水费:0.62 美元/立方米(0.0176 美元/立方英尺)

  • 过滤器阻塞程度:50%

图 4 和图 5 介绍了两个不同地点采用直接和间接节能冷却系统(假设条件请参见边栏)的年度运营成本的比较。请注意,之所以选择旧金山,是因为该区域具有采用直接新风系统的理想气候条件。在旧金山,直接和间接节能冷却系统全年的制冷性能都很出色。相对来说,因为旧金山湿度

较低,温度温和,所以采用直接新风系统的运营成本较低。而在圣路易斯等气候(较为湿润/炎热)地区,直接新风系统需要更频繁的 100% DX 模式运行,才能确保 IT 机房保持在湿度阈值范围之内。下面列出了部分详细的研究结果:

  • 在旧金山,直接新风系统大约 99.8%的运行时间都处于完全节能冷却模式,而在圣路易斯,处于完全节能冷却模式的运行时间比例大约仅为 76.4%。

  • 间接节能冷却系统的运营成本要低于直接新风系统,具体取决于所处的地理位置。

  • 当过滤器堵塞时,风扇必须消耗更多电能来克服阻力,因此直接新风系统的能源成本将大幅攀升。堵塞的过滤器还会给数据中心的可用性带来潜在风险。

  • 在旧金山,间接节能冷却系统的节能冷却模式运行小时数稍短,这是因为其热交换器所存在的传热效率损失造成的,具体将在“性能”章节详述。

  • 对于间接节能冷却系统,蒸发辅助需要消耗更多的水,来增加旧金山和圣路易斯的节能冷却模式运行小时数。

  • 因为更换过滤器较为频繁,位于旧金山和圣路易斯的直接新风系统的维护成本较高。

3.性能

直接新风和间接节能冷却系统间的性能差异取决于:

  • 系统传热效率

  • 数据中心地理位置和 IT 环境设定值

系统传热效率

一般来说,减少热交换次数可增加节能冷却模式运行小时数,最终提高效率。如果室外条件适宜,直接新风系统通常被认为是“最高效”的节能冷却方式,因为此系统直接过滤室外空气,并送至IT 机房,整个过程不需要进行热交换,风扇成为主要的排热装置。 

如果室外条件不适宜,新风需要通过混合风阀/混气室、湿网状材料和/或 DX 盘管,达到设定值后,才能进入 IT 机房,这样就给系统带来了传热效率损失。为降低空气污染风险,直接新风系统一般使用高效 MERV额定过滤器,造成送风系统额外压降。这意味着,送风量相同的情况下,需要更高能耗。随着空气过滤器堵塞,风扇功耗会进一步提高,从而降低节能效果。

间接节能冷却系统则在室外空气和室内空气之间添加了一个热交换器,增加了传热效率的损耗。这类节能冷却系统还需要补充室外新鲜空气,也会稍稍降低整个制冷系统的效率。但是,除了补充室外空气外,它并不直接接触室外空气。间接节能冷却系统无需用于室外气流的空气过滤器,也无需湿网状材料。低 MERV 额定过滤器(如 MERV8)一般用于室内气流的过滤。通过在板换或换热管表面喷水,能够达到蒸发冷却的效果,因此与直接节能冷却系统不同,对 IT 机房的湿度无负面影响。

地理位置和 IT 环境设定值 

在决定是采用直接新风还是间接节能冷却系统时,地理位置起到很重要的作用,因为一个地点的温度、湿度和空气质量是作出决策的关键因素。本章节重点分析温度和湿度(空气质量在下一章节中讨论)。选择直接新风还是间接节能冷却系统取决于地理位置,因为:

  • 数据中心所在地的温度和湿度决定了能够实现节能冷却模式运行的小时数,这对于降低能源成本和水费成本非常重要。

  • 地理位置还决定了直接和间接节能冷却系统的配置,比如 DX 系统后备程度(即 100% DX、降容 DX,甚至无 DX 后备),这将影响制冷系统的投资成本。

但是,此决策还取决于需要与宕机风险进行权衡的 IT 环境设定值。现在的大多数数据中心运营者对于他们认为“可接受”的 IT 机房温度和湿度范围非常保守(下一章节将介绍扩大 IT 环境设定值的风险)。这些“可接受”温度和湿度范围,决定了直接和间接节能冷却系统的性能。为了充分利用直接新风来降低能源成本,部分 IT 服务器供应商正力争设计出能够在更广泛温度和湿度范围内运行的服务器。请注意,提高 IT 进气温度可能会导致数据中心能耗的整体提升。

为提升制冷系统的节能效果,ASHRAE 还在其 2011 年数据中心热指南中,扩展了环境参数范围 6。图 6 是最新 ASHRAE 推荐和允许 A2 数据处理环境参数范围,通常是目前 IT 设备最常用的环境参数规格。

图6 ASHRAE 推荐和允许A2运行环境参数范围.jpg

图6 ASHRAE 推荐和允许A2运行环境参数范围

横坐标表示温度范围,纵坐标表示湿度范围。针对数据中心 IT 设备定义的可接受参数范围越宽泛,制冷系统在节能冷却模式下的有效运行时间就越长。

图 7a 和图 7b 显示了数据中心的预计年度直接新风节能冷却模式运行总小时数。这是基于 ASHRAE 推荐(图 6a)和许可 A2(图 6b)参数范围,使用绿色网格联盟的自然冷却工具得出的。图 7a 中的深蓝色区域表明,假设 ASHRAE 推荐参数范围为可被接受的 IT 环境设定值,直接新风系统能够全年 100%地运行于完全节能冷却模式。因此,在这些地点无需机械制冷后备,也可避免空气污染和其它紧急事件的风险。图 7b 则指出,如果 IT 设备能在 ASHRAE 允许 A2

参数范围内运行,更多地点将增加节能冷却模式运行的小时数。

图7a 基于 ASHRAE 推荐参数范围的北美直接新风节能冷却模式运行小时数.jpg

图 7a 基于 ASHRAE 推荐参数范围的北美直接新风节能冷却模式运行小时数 

图7b 基于 ASHRAE 允许 A2 参数范围的北美直接新风节能冷却模式运行小时数.jpg

图 7b 基于 ASHRAE 允许 A2 参数范围的北美直接新风节能冷却模式运行小时数

制冷负荷系数 (CLF) 

本章节对于通常大型数据中心所处的 11 个城市中,直接和间接节能冷却系统的制冷性能进行了量化比较。这些制冷系统通过配置,都达到所要求的 IT 环境设定值(根据 ASHRAE 规定)。 

下方提供了这 11 个城市在最恶劣情况下的露点。在 ASHRAE 推荐参数范围内,最高允许送风露点为 15°C(59°F)。鉴于上述所有城市的露点都超过了最高允许露点,直接新风系统通常需要 100% DX 作为后备。也就是说,在一年中,当室外湿度高于规定露点的时段,一般不允许室外空气进入数据中心,100%的 IT 负载仅能通过机械制冷进行冷却。 

最恶劣情况下的露点

  • 新加坡:29°C(84.2°F)

  • 迈阿密:28.6°C(83.5°F)

  • 北京:30°C(86°F)

  • 东京:28°C(82.4°F)

  • 悉尼:24°C(75.2°F)

  • 圣路易斯:28.6°C(83.5°F)

  • 纽约市:27.5°C(81.5°F)

  • 旧金山:19.7°C(67.5°F)

  • 莫斯科:24°C(75.2°F)

  • 伦敦:21°C(69.8°F)

  • 西雅图:28.6°C(83.5°F)

如果我们将送风设定值扩大到 ASHRAE 允许 A2 参数范围,则最高许可送风露点变为 21°C

(69.8°F)。这意味着,在旧金山这样露点低于最高允许露点的城市中,直接新风系统有可能无

需 DX 作为后备。在此情况下,特定干球温度和露点下的焓值是决定是否需要 DX 后备系统的关键因素(具体说明请参见边栏)。

ASHRAE、国家可再生能源实验室(NREL),以及美国海洋暨大气总署(NOAA) 等机构都提供气象数据,以评估节能冷却模式运行小时数。根据这些气象数据,第 11 号 TradeOff 权衡工具节能冷却模式 PUE 计算器,可帮助计算直接和间接节能冷却系统的 CLF。它也为其它节能冷却系统模式提供这些计算结果,并说明对于其数据中心所在地和 IT 运行环境来说,哪种架构的PUE、能源成本和碳排放数据最为理想。图 8 显示了此工具的输入和输出。 

图8 TradeOff 权衡工具计算器能够帮助评估各种冷却方式的性能.jpg

图8 TradeOff 权衡工具计算器能够帮助评估各种冷却方式的性能 

ASHRAE 允许 A2 参数范围下的 DX 后备需求 

当干球温度高于 35°C,焓低于75.4 kJ/kg(35°C DB 和 21°C DP)时,可采用蒸发冷却,以将干球温度降低到 35°C 设定值,同时保持露点不高于最高值 21°C。当焓高于 75.4 kJ/kg 时,蒸发冷却就无法在保持露点不超过 21°C的情况下,使温度降低到 35°C DB 设定值。此时就需要 DX 后备系统进行制冷。

图 9 根据图 3、图 4 和边栏中 11 个城市采用 ASHRAE 推荐参数范围和允许 A2 参数范围时的假设条件,比较了直接和间接节能冷却系统的年均 CLF。 

图9 全球直接和间接节能冷却系统的制冷负荷系数.jpg

图9 全球直接和间接节能冷却系统的制冷负荷系数

基于 ASHRAE 允许 A2参数范围的 IT 环境设定值

  • 固定送风温度:35°C (95°F)

  • 相对湿度:20%<RH%<80%

  • 最高露点温度:21ºC(69.8°F)

  • 送风和回风温差:14°C(25.2°F)

在新加坡等热带雨林气候地区(具体说明请参见边栏),当 IT 环境设定值设置为推荐参数范围时,直接新风系统的制冷性能不佳。这是因为室外环境潮湿,制冷系统完全采用机械模式运行的缘故。也就是说,全年任何时候,都不允许室外新风直接进入 IT 机房。而如果采用允许 A2 设定值,则一年中大约 30%的时间,数据中心能够通过直接新风冷却。间接节能冷却系统受益于间接蒸发冷却,在部分节能冷却模式下运行,可以一定程度节约能源。因此,如果使用 ASHRAE推荐设定值,那么潮湿地区不适合采用直接新风系统。

对于迈阿密等热带季风气候地区,当 IT 环境设定值设置为推荐参数范围时,一年中约 27%的时间,制冷系统在直接新风节能冷却模式下运行,可以一定程度的节约能源。如果设置为允许 A2参数范围,则节能冷却模式运行小时数可达到一年中 86%的时间。对于间接节能冷却系统,因为较干燥的季节能够提高蒸发冷却效率,所以与热带雨林气候地区相比,在热带季风气候地区采用间接节能冷却系统,能够节约更多能源。

而在北京等温带大陆性湿润气候地区,以及悉尼等副热带湿润气候地区,直接和间接节能冷却系统在冬季和过渡季节,都能达到比较理想的节能冷却小时数。对于直接新风系统,鉴于室外潮湿状况,采用 ASHRAE 推荐参数范围时,与采用 ASHRAE 允许 A2 参数范围相比,在节能冷却模式下运行的小时数要短的多。对于间接节能冷却系统来说,采用这两种 ASHRAE 参数范围时,制冷性能大致相当。

在伦敦和西雅图等地中海气候地区,直接和间接节能冷却系统都表现出色,因为一年中大部分时间,它们都能在完全节能冷却模式下运行。因此这些系统运行在 DX 模式下的时间极短,相比总能耗,100% DX 系统后备和 50% DX 系统后备能耗差别极小。 

3 年期 TCO 

在决定是采用直接还是间接节能冷却系统时,财务决策应根据每个系统的 TCO 作出。图 10 根据图 3、图 4 和图 8 的假设条件,比较了直接和间接节能冷却系统的 3 年期 TCO。 

图10 直接和间接节能冷却系统的3年期TCO比较.jpg

图10 直接和间接节能冷却系统的3年期TCO比较

柯本气候分类

热带雨林气候 – 无干季(如:新加坡)

热带季风气候 – 主要为雨季,有较短干季(如:迈阿密)

温带大陆性湿润气候 –潮湿而季节分明,冬季干燥寒冷,夏季炎热(如:北京)

副热带湿润气候 – 温暖,无干季,夏季炎热,冬季温暖(如:悉尼)

地中海气候 – 温暖而干燥,夏季炎热,冬季温暖(如:西雅图)

采用 ASHRAE 推荐参数范围时,新加坡和迈阿密这类地区的直接新风系统 TCO 最高。采用ASHRAE 允许 A2 设定值时,全世界各地的间接节能冷却系统的制冷性能基本差别不大。在所有地区,因为可采用降容量 DX 后备配置,间接节能冷却系统的 TCO 还可进一步降低。究竟选择直接还是间接节能冷却系统,还取决于其它因素,如楼宇物理结构配合度、占地空间限制、潜在空气污染风险、数据中心容错性以及数据中心设备类型等。

4.可用性风险

使用直接新风系统的主要障碍在于空气污染和较高湿度可能会影响服务器寿命,这是与间接节能冷却系统相比最大的差异。与这两种节能冷却模式相关的其它数据中心可用性风险还包括:扩大的 IT 送风温度范围、DX 后备系统配置、蒸发所用水停水、对于灭火系统的影响,以及人为失误。 

空气污染

劳伦斯•伯克利国家实验室 (LBNL)的研究指出,在美国,直接新风系统的过滤器可提供非常高水平的过滤。但是,在海上、工厂或其它高污染地区(如中国、印度或其它南亚地区),过滤的杂质很多,如果过滤器的更换频率不够高,或者在更换过滤器期间,灰尘、溢出的化学物质、烟/灰等颗粒和气态污染物就有可能进入数据中心。 

根据 ASHRAE 的研究,数据中心有害灰尘中,通常硫和氯盐等离子较高。潮解相对湿度,即灰尘吸收足够水分,变得潮湿,造成腐蚀和/或离子迁移的相对湿度,决定了灰尘的腐蚀性。另一种会损害硬件可靠性的颗粒污染是锌晶须,这是数据中心最常见的导电颗粒。

二氧化硫和硫化氢等气态污染物,是造成电子设备腐蚀的最常见气体。铜的腐蚀速率与相对湿度紧密相关。过滤系统需要满足 ISA – 71 (ISA 1985)中等严重度 G1 气态污染物要求,包括: 

  • 铜反应性变化率低于 300 Å/月

  • 银反应性变化率低于 200 Å/月

请注意,需要部署腐蚀监控系统,以确保符合这些规定数值。图 11a 和 11b 为颗粒和气态污染物造成的两种常见 IT 设备故障模式。为防止这两种常见 IT 设备故障模式,下面列出了一些有助于控制数据中心清洁度的策略:

  • 数据中心必须符合 ISO 8 级洁净室标准;

  • 数据中心必须无锌晶须;

  • 必须使用监控系统,以确保铜和银反应性低于标准值;

  • 颗粒污染物的潮解相对湿度应高于 60%;

  • 室内空气应始终使用 MERV 8 过滤器过滤;

  • 来自直接节能冷却系统的新风和来自间接节能冷却系统的补充空气,都应至少使用 MERV、最好使用 MERV过滤器过滤。

图11a 印刷电路板上的铜蠕变腐蚀.jpg

图11a 印刷电路板上的铜蠕变腐蚀

图11b 通过孔洞腐蚀电镀板.jpg

图11b 通过孔洞腐蚀电镀板

扩展的 IT 送风温度范围 

扩展的 IT 送风温度范围有助于延长节能冷却模式运行小时数,并可能降低直接和间接节能冷却系统的能耗。但是,提高 IT 进气温度可能会增加数据中心整体能耗,而且也将提高 IT 设备故障率。数据中心负责人应权衡评估风险和节能优势。 

DX 后备系统配置

提高 DX 后备系统容量会造成投资成本的增加。根据某地的室外空气条件和 IT 环境设定值要求,设计人员可能别无选择,必须使用 100% DX 后备系统,同时也收获了更高可靠性。但如果还有其它选择,我们就需要量化降低风险的成本费用。下面提供了直接和间接节能冷却系统的投资成本影响(忽略对于支持数据中心的上游配电设备及发电机的投资成本影响)。

  • 部分供应商可能在其直接或间接节能冷却系统中使用固定 DX 容量,但还有部分供应商可能有多种选择,可根据具体地理位置和/或配置,降低或提高 DX 压缩机容量。这些 DX 压缩机容量的改变,可能会使标准系统的成本上下浮动 7%-13%,或使节能冷却项目(不包括机柜和机柜气流遏制系统)的总投资成本上下浮动 4%-8%。

  • 部分供应商可能还有完全移除 DX 系统的选项,这能够节约 20%-35% 的标准系统成本,或节约 15%-23%的节能冷却项目(不包括机柜和机柜气流遏制系统)总投资成本。

停水

数据中心附近的建筑施工项目可能会造成停水,包括计划内和计划外停水。直接和间接节能冷却系统都使用蒸发冷却来提高冷却能力和效率。停水风险可通过安装备用水,或调整机械冷却系统,使其处理 100%负载而解决。 

对于灭火系统的影响

使用洁净灭火系统的数据中心必须密闭数据中心空间,以保持洁净灭火剂的适当密度进行有效灭火。对于直接新风系统,这就要求关闭所有用于向数据中心提供新风的风阀和风门;对于间接节能冷却系统,只需关闭用于提供补充空气的风阀。

人为失误

根据正常运行时间协会的 AIR 数据库,70%的数据中心运行宕机事件都直接与人为失误相关。采用定制化控制系统的直接和间接节能冷却系统造成了操作和维护的复杂性。而这种复杂性有可能使人为失误增多。相反,整体设计的、采用集成节能冷却模式的标准化预制控制系统则较少可能发生人为失误。

表1 总结了直接和间接节能冷却系统在各个特性方面的差异


直接和间接节能冷却系统的选择

在全年气候适宜的地区,直接新风系统表现最好。但是,因为环境风险,系统可能需要完全机械系统作为后备。部分直接新风系统需要与楼宇物理结构一体化,以便获得所需气流。间接节能冷却系统因为隔离了室内和室外空气,所以环境风险较低或完全没有环境风险。然而,因为需要多一次热交换过程,间接节能冷却系统有传热效率损失。

本章节根据前面章节和其它研究,说明了分别应于何时推荐直接或间接节能冷却系统。对于制冷解决方案非常低效的现有设施来说,直接新风系统是理想的翻新解决方案,可作为主要制冷方法,将现有低效系统作为备用系统。以下是针对新建数据中心的建议:

在以下情况下,建议采用直接新风系统:

  • 全年室外条件适宜的地理位置

  • 无需完全机械制冷作为后备

  • 数据中心运营者能够克服心理障碍,扩展其环境设定范围

  • IT 设备能够在 ASHRAE 允许 A2 设定值等较宽的温度和湿度范围下运行

  • 数据中心所有者能够承受因外部因素而关闭设施的做法

在以下情况下,建议采用间接节能冷却系统:

  • 运行关键应用或事务处理,宕机成本高昂的设施

  • 室外条件不适宜的地理位置

  • IT 设备无法在 ASHRAE 允许 A2 设定值等较宽的温度和湿度范围下运行


结论

与传统制冷方式相比,直接和间接风侧节能冷却系统都能大幅节能。选择应该采用直接节能冷却系统还是间接节能冷却系统时,取决于它们的优势、总拥有成本、相关风险和其它特性。综合考虑所有因素,我们认为间接节能冷却系统是最佳选择。

投资成本:在露点超过 ASHRAE 最高推荐露点 15°C (59°F)的地区,直接新风系统需要 100% DX 后备。找到足够在最坏情况下露点温度仍低于上述限制的数据中心地点,是不切实际的。因此,如果采用直接新风系统,大部分数据中心地点都需要 100% DX 后备系统,很可能使得投资成本高于间接节能冷却系统,而且这还会增加支持数据中心所需的上游配电设备及发电机的投资成本。

运营成本:与直接新风系统相比,间接节能冷却系统的运营成本与地理位置关联度较低。无法满足许可露点要求的地点需要 DX 系统(直接新风系统)在完全机械模式下运行,从而提高了能源成本。我们对全球 54 个城市,包括图 8 中的城市进行了分析,发现在 43 个城市中 (占比 80%),间接节能冷却系统的冷却负载系数要低于直接新风系统。

可用性风险:使用直接新风系统的可用性风险众所周知,只能通过提高成本和运行成熟度来防御。但是,考虑上述两个因素,我们认为支付这些“安全保证费用”会造成不良财务影响。如果数据中心运营者无法承受没有这些安全措施情况下,运行直接新风系统的风险,那么选择间接节能冷却系统就是顺理成章的事情。

来源:施耐德

本文标题:数据中心直接和间接风侧节能冷却模式的选择

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