節(jié)能減排作為我國的一項基本國策已經(jīng)推進將近十年了,各行各業(yè)圍繞這項基本國策進行了卓有成效地工作,取得了令人滿意的成績,通信行業(yè)也不例外。然而,能源成本的不斷攀升以及人們對綠色環(huán)保愈加重視的程度,促使節(jié)能需求越來越強烈。
如何在通信機房的數(shù)據(jù)中心搞好節(jié)能減排一直是通信界普遍關心的問題。通過研究表明,數(shù)據(jù)中心的節(jié)能冷卻模式在某些天氣條件下的節(jié)能潛力對IT環(huán)境非常具有吸引力。如果在數(shù)據(jù)中心配置了節(jié)能冷卻模式,寒冷月份可以利用室外空氣制冷,讓需要使用制冷劑的制冷組件,比如冷水機和壓縮機,可以關停不用或在以較低負荷運行,從而起到很好的節(jié)能減排效果。
1、數(shù)據(jù)中心節(jié)能冷卻模式的基本概念
盡管節(jié)能冷卻模式的概念已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心行業(yè)內得到認可,但是相關的術語還未標準化,并且定義也容易引起混淆。其中最容易引起混淆的一點是,使用“節(jié)能冷卻”這一術語來形容制冷系統(tǒng)內的一個組件或制冷系統(tǒng)的子設備。而實際上“節(jié)能冷卻”不是指一個物體,而是指一種運行模式。節(jié)能冷卻模式有時也被稱作“自然冷卻”。這個術語可以用來說明節(jié)能冷卻模式的一般情況,但應注意以下兩點:其一,節(jié)能冷卻模式下,制冷機組的壓縮機會部分或完全轉為旁通運行。大多數(shù)使用節(jié)能冷卻模式的系統(tǒng)大部分時間是將壓縮機部分轉為旁通運行,因此節(jié)省了部分能源,但是制冷并不是“免費”的。其二,即使節(jié)能冷卻模式將壓縮機完全轉為旁通運行,在利用風機或泵排放熱量時還是會有所耗能,并且很可能還會用到其它需要耗能的功能,比如加濕,也就是說即使在完全節(jié)能冷卻模式下,制冷也并不是“免費”的。只不過是節(jié)能冷卻模式節(jié)省了大部分的制冷能耗,提高了能源利用率。
2、數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)具備的基本要素
要搞清楚數(shù)據(jù)中心的節(jié)能冷卻模式,有必要知道制冷系統(tǒng)的基本要素及原理。通過歸納,我們知道:第一要素為排熱:即利用制冷系統(tǒng)的風機或泵,通過電能將流體(比如空氣或水)攜帶的熱量從數(shù)據(jù)中心室內運送至室外環(huán)境,達到熱量排放的目的。第二要素為換熱:即利用盤管或通風孔將熱量從一道熱流體轉換到下一道熱流體。不論哪種,最后都需通過熱交換將熱量排到室外。第三要素為壓縮機,即制冷系統(tǒng)使用制冷劑的高壓和低壓形態(tài)使熱量逆勢從冷區(qū)(數(shù)據(jù)中心)流向熱區(qū)(夏天戶外)。高壓制冷劑比室外溫度高許多。正是這種“溫度提升”讓熱量可以從數(shù)據(jù)中心流向室外環(huán)境。第四要素為蒸發(fā)輔助,即利用冷卻塔、濕式過濾器或噴頭將水蒸發(fā)以幫助將熱量排到室外。
3、數(shù)據(jù)中心的主要幾種節(jié)能冷卻模式
1數(shù)據(jù)中心的冷卻模式
數(shù)據(jù)中心的節(jié)能冷卻模式大體上可以分為風側節(jié)能冷卻模式和水側節(jié)能冷卻模式。
①風側節(jié)能冷卻模式的分類
·采用直接新風作為空調的旁通
這種節(jié)能冷卻模式有時也稱作“直接通風”模式,它是當室外空氣條件在設定值范圍內時,利用風機和百葉從室外經(jīng)過過濾器抽取一定數(shù)量的冷風并直接送入數(shù)據(jù)中心。這種類型的節(jié)能冷卻模式也可以結合蒸發(fā)輔助一起使用,這樣室外空氣在進入數(shù)據(jù)中心前需要先穿過潮濕的網(wǎng)狀介質,它支持在部分節(jié)能冷卻模式下運行。
·采用空氣換熱器作為空調的旁通
這種節(jié)能冷卻模式有時稱作“間接通風”模式,它是當室外空氣條件在設定值范圍內時,利用室外空氣間接為數(shù)據(jù)中心制冷。這種模式使用風機將室外冷風吹到一組板或盤管上面,冷卻板或管的另一側的數(shù)據(jù)中心內的熱空氣,將數(shù)據(jù)中心內的空氣與室外空氣完全隔離。這種類型的節(jié)能冷卻模式也可以與蒸發(fā)輔助結合使用,它既能支持在完全節(jié)能冷卻模式下運行也支持在部分節(jié)能冷卻模式下運行。
·采用熱輪換熱器作為空調的旁通
這種節(jié)能冷卻模式是當室外空氣條件在設定值范圍內時,利用風機將室外冷風吹入熱輪換熱器,以使數(shù)據(jù)中心空間保持較為干燥的環(huán)境。這種類型的節(jié)能冷卻模式也可以與蒸發(fā)輔助結合使用,室外空氣在進入數(shù)據(jù)中心前需要先穿過潮濕的網(wǎng)狀介質。它既支持在完全節(jié)能冷卻模式下運行也支持在部分節(jié)能冷卻模式下運行。
②水側節(jié)能冷卻模式的分類
·采用熱交換器作為冷水機組的旁通
這種節(jié)能冷卻模式是當室外空氣條件在設定值范圍內時,利用冷凝水間接冷卻數(shù)據(jù)中心的冷凍水。泵將冷凝水送入并穿過板式換熱器,從計算機房空氣處理裝置(CRAH)使用的冷凍水得以冷卻,而無需將兩種水混合。冷水機組的旁通閥可以根據(jù)冷凝水的冷凍溫度決定是否關閉。這種類型的節(jié)能冷卻模式在熱交換器與冷水機組串聯(lián)連接時可以支持部分節(jié)能冷卻模式下運行。
·采用蒸發(fā)冷卻器作為風冷冷水機的旁通
這種節(jié)能冷卻模式是當室外空氣條件在設定值范圍內時,利用一種叫做干式冷卻器的熱交換器直接冷卻數(shù)據(jù)中心內的冷凍水。泵將冷凍水送入并穿過干式冷卻器,在這里利用室外冷風冷卻冷凍水,然后將冷卻后的冷凍水送往CRAH。冷水機的旁通閥可根據(jù)室外冷風的冷凍程度決定關閉或在更高效率下運行。只有當熱交換器與冷水機串聯(lián)連接時才支持在部分節(jié)能冷卻模式下運行。
·采用次級盤管作為計算機房空氣調節(jié)裝置(CRAC)壓縮機的旁通
在這種類型的節(jié)能冷卻模式下,直膨式CRAC包含一個獨立的次級冷凝水盤管,可在節(jié)能冷卻模式時使用。當室外空氣條件在設定值范圍內時,泵將冷凝水送入并穿過干式冷卻器,在這里利用室外冷風使冷凝水冷卻,然后將冷卻后的冷凝水送到CRAC的次級盤管。這種類型的節(jié)能冷卻模式支持部分節(jié)能冷卻模式下運行。
4、影響數(shù)據(jù)中心節(jié)能冷卻模式運行的因素
數(shù)據(jù)中心節(jié)能冷卻模式的運行主要受以下三方面因素的影響:
①地理位置
節(jié)能冷卻模式的使用完全取決于數(shù)據(jù)中心的地理位置。即使在部分節(jié)能冷卻模式下工作時,地理位置的季節(jié)性氣候條件也至關重要;
②制冷系統(tǒng)制冷設定值
增加節(jié)能冷卻模式可用時間的方法主要有兩種:一是將數(shù)據(jù)中心搬到較為寒冷的地區(qū),二是提高服務器的設計進風溫度。第一種方法對于已有數(shù)據(jù)中心來說顯然是不現(xiàn)實的。第二種方法則具有可行性,而且現(xiàn)在不論是新建數(shù)據(jù)中心還是已有數(shù)據(jù)中心都適用;
③熱冷氣流隔離
如果機柜布置不合理或者氣流管理不當,數(shù)據(jù)中心內的熱風和冷風會發(fā)生混合。
5、幾種模式的量化分析及實際應用的問題
下面對幾種節(jié)能冷卻模式進行量化分析,具體情況見表1。
我國地大物博幅員遼闊,各地氣象條件及資源利用情況有所不同,所以通信運營商在各自的數(shù)據(jù)中心具體采用哪種節(jié)能冷卻模式,要做到具體情況具體分析。制冷系統(tǒng)在完全節(jié)能冷卻模式下運行可以節(jié)省不少能源,是大家都想做到的,但也要付出一定的代價。在我國北方地區(qū),天氣干燥,風力資源較為豐富,寒冷季節(jié)也長一些,數(shù)據(jù)中心適合采用風側節(jié)能冷卻模式,但由于受沙塵暴影響,應切實做好防塵除暴工作,以免影響數(shù)據(jù)中心通信設備正常運行。在南方地區(qū),天氣潮濕,風力資源相對豐富,炎熱季節(jié)長一些,數(shù)據(jù)中心適合采用水側節(jié)能冷卻模式,但要做好失水控制,避免宕機風險,同時做好機房濕度控制,保證機房設備運行條件。
中部地區(qū)氣象條件介于南北部地區(qū)之間,在節(jié)能冷卻模式上可采用風側節(jié)能冷卻模式和水側節(jié)能冷卻模式兼而有之。有研究表明,對于小于1000m2的數(shù)據(jù)中心適用于風側節(jié)能冷卻模式,但對于超過1000平方米的大型數(shù)據(jù)中心,如果采用冷凍水型的機組的水側節(jié)能冷卻模式在經(jīng)濟性上是比較占優(yōu)勢的。有些制冷系統(tǒng)供應商可以提供多種冷凍水的空調,包括高密度的解決方案以及中、低密度的解決方案,都可以用冷凍水空調,冷凍水機組他們可以提供,包括水冷的,包括自然冷卻的冷水機組,他們都可以提供全套的設備。無論何種地區(qū)采用何種節(jié)能冷卻模式,均應得到制冷系統(tǒng)供應商在技術上強有力的支援。
總體上說,數(shù)據(jù)中心的節(jié)能冷卻模式原則上要考慮因地制宜,做到投資省、能源利用率高、建設周期短、充分利用現(xiàn)有資源。此外,還要從樓體的兼容性及可改造性、控制的復雜程度、數(shù)據(jù)中心的濕度控制、平均壽命、可用性風險、占地面積、是否需要制冷劑作為后備等多方面的問題加以綜合考慮。
結束語
以前,制冷系統(tǒng)節(jié)能冷卻模式在大多數(shù)數(shù)據(jù)中心內并沒有得到廣泛重視。這主要是因為那時電力成本較低,IT設備供風溫度較低,并且還沒有頒布碳排放法規(guī)?，F(xiàn)在,隨著電力成本越來越高,加之社會對通信的需求日益增大,數(shù)據(jù)中心的設備擴容也隨之增大,數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排作為一個突出問題擺在通信運營商面前。為了降低碳排放,我國把節(jié)能減排作為基本國策,并且出臺了各種標準和各項法規(guī),這就需要數(shù)據(jù)中心減少耗能。一些節(jié)能冷卻模式在許多氣候條件都能有效減少能耗。數(shù)據(jù)中心操作員可以根據(jù)自己所處的氣候條件找出可以作為系統(tǒng)首選工作方式的節(jié)能冷卻模式,并將機械制冷系統(tǒng)作為輔助工作方式或后備。在某些天氣條件時,一些制冷系統(tǒng)在節(jié)能冷卻模式下運行可以節(jié)省超過70%的年度制冷能源成本,相應的年度能源利用率也會有超過15%的改善,從而為本行業(yè)的節(jié)能減排作出了應有貢獻。
