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數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

文章來(lái)源:admin 發(fā)布時(shí)間:2015-09-24 09:25:13 瀏覽:0

1、前言

隨著云計(jì)算為核心的第四次信息技術(shù)革命的迅猛發(fā)展,信息資源已成為與能源和材料并列的人類(lèi)三大要素之一。作為信息資源集散的數(shù)據(jù)中心正在發(fā)展成為一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè),成為新一代信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分和未來(lái) 3-5 年全球角逐的焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心不僅是搶占云計(jì)算時(shí)代話語(yǔ)權(quán)的保證,同時(shí)也是保障信息安全可控和可管的關(guān)鍵所在,數(shù)據(jù)中心發(fā)展政策和布局已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。

數(shù)據(jù)中心是一整套復(fù)雜的設(shè)施。它不僅僅包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其它與之配套的設(shè)備(例如通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)),還包含配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等多種基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。其中,制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心是耗電大戶(hù),約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的30~45%。降低制冷系統(tǒng)的能耗是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率的最直接和最有效措施。制冷系統(tǒng)也隨著數(shù)據(jù)中心的需求變化和能效要求而不斷發(fā)展。下文簡(jiǎn)要回顧和分析了數(shù)據(jù)中心發(fā)展各個(gè)時(shí)期的制冷技術(shù)應(yīng)用,并展望了未來(lái)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展方向。

2、風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)及主要送風(fēng)方式

1994年4月,NCFC(中關(guān)村教育與科研示范網(wǎng)絡(luò))率先與美國(guó)NSFNET直接互聯(lián),實(shí)現(xiàn)了中國(guó)與Internet全功能網(wǎng)絡(luò)連接,標(biāo)志著我國(guó)最早的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的誕生。1998~2004年間中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)全面起步和推廣,此時(shí)的數(shù)據(jù)中心正處于雛形階段,更多的被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)房或計(jì)算機(jī)中心,多數(shù)部署在如電信和銀行這樣需要信息交互的企業(yè)。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)房業(yè)務(wù)量不大,機(jī)架位不多,規(guī)模也較小,IT設(shè)備形式多種多樣,單機(jī)柜功耗一般是1~2kw。受當(dāng)時(shí)技術(shù)所限,IT設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境的溫度、濕度和潔凈度要求都非常高,溫度精度達(dá)到±1℃,相對(duì)濕度精度達(dá)到±5%,潔凈度達(dá)到十萬(wàn)級(jí)。依據(jù)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平,計(jì)算機(jī)房多采用了風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)維持IT設(shè)備的工作環(huán)境,保證IT設(shè)備正常運(yùn)行。

風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥和冷凝器以及送風(fēng)風(fēng)機(jī)、加濕器和控制系統(tǒng)等,制冷劑一般為氟里昂,單機(jī)制冷量10-120KW。原理如圖1所示。每套空調(diào)相對(duì)獨(dú)立控制和運(yùn)行,屬于分散式系統(tǒng),易于形成冗余,可靠性較高,具有安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是這個(gè)時(shí)期數(shù)據(jù)中心大量采用的空調(diào)方案。缺點(diǎn)是設(shè)備能效比較低,COP(Coefficient Of Performance)值小于3.0,室內(nèi)外機(jī)受到管道距離限制。 

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圖1  風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)原理圖

風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)室內(nèi)機(jī)一般部署在機(jī)房一側(cè)或兩側(cè),機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織方式一般采用兩種:送風(fēng)管道上送風(fēng)方案和架空地板下送風(fēng)方案。風(fēng)管上送風(fēng)方式是指在機(jī)房上空敷設(shè)送風(fēng)管道,冷空氣通過(guò)風(fēng)管下方開(kāi)設(shè)的送風(fēng)百葉送出,經(jīng)IT設(shè)備升溫后負(fù)壓返回空調(diào)機(jī)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于安裝快速,建造成本低。缺點(diǎn)是受到各種線纜排布和建筑層高限制,送風(fēng)管道截面無(wú)法做大,導(dǎo)致風(fēng)速過(guò)高,送風(fēng)量無(wú)法靈活調(diào)節(jié)。這種送風(fēng)方式在低熱密度的機(jī)房應(yīng)用較多。

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圖2  風(fēng)管上送風(fēng)案例

地板下送風(fēng)是另一種,即使是現(xiàn)在,也是大量數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中仍在使用和新建采用的一種氣流組織方式。這種方式利用架空地板下部空間作為送風(fēng)靜壓箱,減少了送風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)壓,增加靜壓并穩(wěn)定氣流??照{(diào)機(jī)將冷空氣送至地板下,通過(guò)送風(fēng)地板通孔送出,由IT設(shè)備前端進(jìn)風(fēng)口吸入。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)房?jī)?nèi)各點(diǎn)送風(fēng)量可以通過(guò)送風(fēng)地板通孔率調(diào)整,同時(shí),通過(guò)合理布置數(shù)據(jù)中心機(jī)房線纜和管道,可以少量敷設(shè)在地板下,保證美觀。缺點(diǎn)是隨著使用需求的增長(zhǎng)和調(diào)整,地板下敷設(shè)的電纜不斷增加,導(dǎo)致送風(fēng)不暢,甚至形成火災(zāi)隱患。

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圖3  地板下送風(fēng)案例

3、水冷系統(tǒng)

2005~2009年間互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高速發(fā)展,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求猛增,原本規(guī)模小、功率密度低的數(shù)據(jù)中心必須要承擔(dān)更多的IT設(shè)備。此時(shí)的單機(jī)柜功率密度增加至3~5kw,數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也逐漸變大,開(kāi)始出現(xiàn)幾百到上千個(gè)機(jī)柜的中型數(shù)據(jù)中心。隨著規(guī)模越來(lái)越大,數(shù)據(jù)中心能耗急劇增加,節(jié)能問(wèn)題開(kāi)始受到重視。

傳統(tǒng)的風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)能效比COP(Coefficient Of Performance)較低,在北京地區(qū)COP約為2.5~3.0,空調(diào)設(shè)備耗電驚人,在數(shù)據(jù)中心整體耗電中占比很高。而且,隨著裝機(jī)需求的擴(kuò)大,原來(lái)建設(shè)好的數(shù)據(jù)中心建筑中預(yù)留的風(fēng)冷冷凝器安裝位置嚴(yán)重不足,噪音擾民問(wèn)題凸顯,都制約了數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)容。此時(shí),在辦公建筑中大量采用的冷凍水系統(tǒng)開(kāi)始逐漸應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中,由于冷水機(jī)組的COP可以達(dá)到3.0~6.0,大型離心冷水機(jī)組甚至更高,采用冷凍水系統(tǒng)可以大幅降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗。

冷凍水系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵以及通冷凍水型專(zhuān)用空調(diào)末端組成。系統(tǒng)采用集中式冷源,冷水機(jī)組制冷效率高,冷卻塔放置位置靈活,可有效控制噪音并利于建筑立面美觀,達(dá)到一定規(guī)模后,相對(duì)于直接蒸發(fā)式系統(tǒng)更有建造成本和維護(hù)成本方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

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圖4  水冷系統(tǒng)

冷凍水系統(tǒng)應(yīng)用最多的空調(diào)末端是通冷凍水型精密空調(diào),其單臺(tái)制冷量可以達(dá)到150kw以上。送風(fēng)方式與之前的風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)變化不大,僅僅是末端內(nèi)的冷卻媒質(zhì)發(fā)生變化,空調(diào)設(shè)備仍然距離IT熱源較遠(yuǎn),主要依靠空調(diào)風(fēng)扇輸送空氣維持氣流組織。

4、水側(cè)自然冷卻和新型空調(diào)末端

2010~至今,隨著數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的進(jìn)一步關(guān)注和追求,自然冷卻的理念逐漸被應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心中。

在我國(guó)北方地區(qū),冬季室外溫度較低,利用水側(cè)自然冷卻系統(tǒng),冬季無(wú)需開(kāi)啟機(jī)械制冷機(jī)組,通過(guò)冷卻塔與板式換熱器“免費(fèi)”制取冷源,減少數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是在原有冷凍水系統(tǒng)之上,增加了一組板式換熱器及相關(guān)切換閥組,高溫天氣時(shí)仍采用冷水機(jī)組機(jī)械制冷,在低溫季節(jié)將冷卻塔制備的低溫冷卻水與高溫冷凍水進(jìn)行熱交換,在過(guò)渡季節(jié)則將較低溫的冷卻水與較高溫的冷凍水進(jìn)行預(yù)冷卻后再進(jìn)入冷水機(jī)組,也可以達(dá)到降低冷水機(jī)組負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)間的目的。

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圖5  水冷系統(tǒng)自然冷卻系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷凍水溫度一般為7/12℃,以北京地區(qū)為例,全年39%的時(shí)間可以利用自然冷卻,如果將冷凍水提高到10/15℃,全年自然冷卻時(shí)間將延長(zhǎng)至46%。同時(shí)由于蒸發(fā)溫度的提高,冷水機(jī)組COP可以提升10%。另一方面,隨著服務(wù)器耐受溫度的提升,冷凍水溫度可以進(jìn)一步提高,全年自然冷卻的時(shí)間也將進(jìn)一步延長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)將冷凍水溫度提高至15/21℃,全年自然冷卻時(shí)間可以達(dá)到70%甚至更長(zhǎng)。

水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)雖然相對(duì)復(fù)雜,但應(yīng)用在大型數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中的節(jié)能效果顯著。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)日漸成熟,已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)中最受認(rèn)可的空調(diào)系統(tǒng)方案。我國(guó)目前PUE能效管理最佳的數(shù)據(jù)中心也正是基于水側(cè)自然冷卻系統(tǒng),全年P(guān)UE已實(shí)現(xiàn) 1.32。

在冷源側(cè)系統(tǒng)不斷演進(jìn)發(fā)展的同時(shí),新型空調(diào)末端形式也層出不窮。

傳統(tǒng)的機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定,設(shè)備厚度一般為600mm,寬度為2500mm左右,風(fēng)量約27000m3/h,其機(jī)組內(nèi)部風(fēng)速達(dá)到7米/秒,空氣阻力很大,風(fēng)機(jī)大量的壓力損失在了機(jī)組內(nèi)部,造成了很大的能量浪費(fèi)。一般配置了450Pa風(fēng)機(jī)全壓的空調(diào)機(jī),機(jī)外余壓只有大約200Pa。

圖6所示的AHU風(fēng)機(jī)矩陣是一種新型的空調(diào)末端,運(yùn)行時(shí)由AHU設(shè)備的回風(fēng)口吸入機(jī)房熱回風(fēng),順序經(jīng)過(guò)機(jī)組內(nèi)部的過(guò)濾器、表冷器等功能段。降溫后的空氣由設(shè)置在AHU前部的風(fēng)機(jī)矩陣水平送入機(jī)房,冷空氣送入機(jī)房冷區(qū),即機(jī)柜正面,冷卻IT后升溫排至熱區(qū),即機(jī)柜背面封閉的熱通道內(nèi),向上至回風(fēng)吊頂,又回到空調(diào)回風(fēng)口,如此周而復(fù)始循環(huán)。這種新型的空調(diào)末端改變了機(jī)房布置和傳統(tǒng)精密空調(diào)機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu),大大增加了通風(fēng)面積,截面風(fēng)速可以控制在3米/秒以下,減少了空氣在設(shè)備內(nèi)部多次改變方向并大幅減小部件布置緊湊導(dǎo)致的阻力。末端能耗最多降低約30%。

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圖6  AHU風(fēng)扇矩陣設(shè)備

行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)(Inrow)和頂置冷卻單元(OCU)是一種將空調(diào)末端部署位置從遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的機(jī)房?jī)蓚?cè)移至靠近IT機(jī)柜列間或機(jī)柜頂部的空調(diào)末端側(cè)的優(yōu)化,形成了我們稱(chēng)之為靠近負(fù)荷中心的集中式制冷方式。行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、表冷盤(pán)管,水路調(diào)節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成,設(shè)備布置在IT機(jī)柜列間。行級(jí)空調(diào)通過(guò)內(nèi)部風(fēng)機(jī)將封閉通道的熱空氣輸送至表冷盤(pán)管,實(shí)現(xiàn)冷卻降溫, IT設(shè)備根據(jù)自身需求將低溫的冷通道空氣引入,通過(guò)服務(wù)器風(fēng)扇排至封閉的熱通道,實(shí)現(xiàn)水平方向的空氣循環(huán)。行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)(Inrow)因靠近負(fù)荷中心,因輸送冷空氣至負(fù)荷中心的距離減小,設(shè)備維持制冷循環(huán)所需的能耗會(huì)比傳統(tǒng)方式降低。頂置冷卻單元與行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)制冷循環(huán)很相似,但頂置冷卻單元僅由表冷盤(pán)管、水路調(diào)節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成,設(shè)備本身不再配置風(fēng)機(jī),表冷盤(pán)管設(shè)置于機(jī)柜頂部。IT機(jī)柜風(fēng)扇將排出的熱空氣聚集到封閉的熱通道內(nèi),通過(guò)熱壓的作用,熱空氣自然上升,經(jīng)過(guò)機(jī)柜頂部的頂置冷卻單元表冷盤(pán)管降溫后,因熱壓作用開(kāi)始下降,并再由IT機(jī)柜風(fēng)扇吸進(jìn)IT設(shè)備降溫,實(shí)現(xiàn)垂直方向的空氣循環(huán)。頂置冷卻單元(OCU)因其本身就沒(méi)有配置風(fēng)扇,熱壓作用維持了空氣的自然流動(dòng)循環(huán),使得空調(diào)末端設(shè)備的能耗消耗降低至極致至0。以華北地區(qū)某個(gè)應(yīng)用了行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)(Inrow)和頂置冷卻單元(OCU)冷卻技術(shù)的大型數(shù)據(jù)中心為例,年均PUE可實(shí)現(xiàn)1.3以下。

QQ截圖20150728150547

圖7  行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)(Inrow)和頂置冷卻單元(OCU)

從傳統(tǒng)精密空調(diào)到行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)(Inrow),再到頂置冷卻單元(OCU),不難發(fā)現(xiàn),空調(diào)末端正越來(lái)越向熱源靠近,目的就是減少冷卻媒質(zhì)輸送的能耗,以輸送低溫冷凍水替代輸送冷空氣,提高冷卻效率。目前服務(wù)器級(jí)的浸泡冷卻方案已經(jīng)開(kāi)始小規(guī)模測(cè)試,這種方案利用了冷卻介質(zhì)的相變就可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的冷卻,由于減少了介質(zhì)轉(zhuǎn)換溫差,冷源側(cè)可以減少機(jī)械制冷或者不使用機(jī)械制冷,這將大大降低制冷系統(tǒng)能耗。

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