数据中心制冷系统的各种节能冷却模式

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。节能冷却模式在某些天气条件下的节能潜力对IT环境非常具有吸引力。如果配置了节能冷却模式,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,节能冷却模式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节能冷却模式作为首选工作模式,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。

尽管节能冷却模式的概念已经在数据中心行业内得到认可,但是相关的术语还未标准化并且定义也容易引起混淆。其中最容易引起混淆的一点是使用“节能冷却”这一术语来形容制冷系统内的一个组件或制冷系统的子设备。而实际上“节能冷却”不是指一个物体,而是指一种运行模式。制冷系统可以使用风冷制冷、水冷制冷或制冷剂制冷来将数据中心内的热量排到室外。“风侧节能冷却”和“水侧节能冷却”术语常常被用来形容包含节能冷却模式的制冷系统。本文将就利用“风”或“水”将热量排到室外的节能冷却模式类型进行比较,然后从多个性能特征比较常见的六种类型的节能冷却模式。

自然冷却的目的和作用

在节能冷却模式下,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节能冷却模式需要承担额外支出而且工作也更为复杂,并且节能冷却模式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,节能冷却模式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节能冷却模式所能带来的好处,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节能冷却模式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节能冷却模式的可用时间增多,特别是在较为温暖的天气条件下。现在大多数新增的节能冷却模式可以实现“部分”节能冷却模式工作,极大增加了各种条件下所能节约的能源数量。用以量化节能冷却模式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。节能冷却模式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节能冷却模式的一个核心概念。如何实现旁通功能(以及实现节能)取决于制冷机组的设计。

节能冷却模式的种类

本节将就数据中心常用的六种节能冷却模式进行论述。为了公平地比较不同类型的节能冷却模式,应将一种节能冷却模式类型所需的所有制冷系统组件全部纳入考虑。比如,有时冷水机组里的板式换热器会被误认为是“节能冷却装置”,而实际上它只是让制冷系统在节能冷却模式下运行的一个组件,此外还需要冷却塔、冷凝水泵、冷冻水泵以及机房精密空调。这些组件中的任一一个缺失,节能冷却模式都不能实现,即使在最冷的天气下也不可能。这就是为什么我们一般认为“数据中心节能冷却装置”是一种偏颇的说法,而采用“制冷系统的节能冷却模式”作为更精确的表达。

1

直接采用新风作为节能冷却模式

新风节能冷却模式(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。

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。这种类型的节能冷却模式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℃(35°F),延长节能冷却模式的可用时间。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,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。这种类型的节能冷却模式支持在部分节能冷却模式下运行。

2

采用空-空换热器作为节能冷却模式

采用空气换热器作为节能冷却模式(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。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。和前面一种类型的节能冷却模式不同这里的蒸发辅助不会增加数据中心内的湿度。

3

采用热轮换热器作为节能冷却模式

采用热轮换热器作为节能冷却模式,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。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。这种类型的节能冷却模式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。这种类型的节能冷却模式即支持在完全节能冷却模式下运行也支持在部分节能冷却模式下运行。

4

采用板式换热器作为节能冷却模式

采用板式换器器作为节能冷却模式,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,从机房精密空调使用的冷冻水得以冷却,而无需将两种水混合。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。这种类型的节能冷却模式在热交换器与冷水机组串联连接时可以支持部分运行。这种类型的节能冷却模式也可以使用大型水体(比如,湖泊)作为冷凝水水源。

5

采用干式冷却器(或蒸发冷却器)作为节能冷却模式

采用干式冷却器作为节能冷却模式,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机房精密空调。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节能冷却模式下运行。这种类型的节能冷却模式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,提高节能冷却模式的可用时间。这时应注意用蒸发冷却器代替干式冷却器。

6

采用二级盘管作为节能冷却模式

在这种类型的节能冷却模式下,直膨式(DX)机房精密空调包含一个独立的二级冷凝水盘管,可在节能冷却模式时使用。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机房精密空调的二级盘管。这种类型的节能冷却模式支持部分运行,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。

六种节能冷却模式的比较

节能冷却模式必须尽可能宽泛地利用室外条件,以便延长节能冷却模式工作时间,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机械制冷,以便在节能的同时,保证数据中心环境的可靠性。节能冷却模式的两个关键特征可以在这方面发挥作用包括.压缩机减低负载运行,支持部分节能冷却模式运行和蒸发辅助。

1

建筑外壁兼容性

采用新风、空气换热器和热轮换热器作为节能冷却模式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,这些类型的节能冷却模式通常较难安装到现有的楼体和多层建筑中。使用水管的节能冷却模式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。

2

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)。在使用机房精密空调数据中心里,有三种方式可以在将现有设备改造成节能冷却模式。

第一种也是最常见的一种是增加一台热交换器作为节能冷却模式(即,利用热交换器其作为冷水机旁通的节能冷却模式)。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节能冷却模式(即,利用蒸发冷却器作为冷水机旁通的节能冷却模式)。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节能冷却模式(即,利用二级盘管作为机房精密空调压缩机旁通的节能冷却模式)。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机房精密空调更换为包含有次级盘管的机组。

3

控制的复杂程度

节能冷却模式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。配有节能冷却模式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-空换热器或热轮换热器作为节能冷却模式,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节能冷却模式,因为板式换热器需要冷水温度较低而冷水机组需要冷水温度较高,这之间形成了一个“死区”。

4

数据中心湿度控制

表1中除了一种节能冷却模式(采用新风作为空调的旁通)之外,其它节能冷却模式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节能冷却模式由于将室外空气直接送入数据中心,所以在气候潮湿时,这种节能冷却模式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节能冷却模式所节省的能源。

5

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。

6

可用性风险

所有类型的节能冷却模式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节能冷却模式是最容易受此影响的一种节能冷却模式类型。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节能冷却模式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节能冷却模式可能会对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,新风节能冷却模式还面临火山灰,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节能冷却模式,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。

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,从而对直接新风节能冷却模式造成问题。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。

表1为以上六个方面的定性比较结果。

7

年度耗水量

使用冷却塔的节能冷却模式与其它节能冷却模式相比最为耗水,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。其它节能冷却模式所使用的蒸发辅助,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。

8

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”的节能冷却模式为例,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节能冷却模式,则可以节约23%左右的成本,因为它不需要前面所说的排热组件和调试。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。

9

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,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,包括节能冷却模式。比如,在利用热交换器作为冷水机旁通的节能冷却模式下,冷水机也包括在维护成本内。使用“风冷”节能冷却模式的制冷系统,其维护成本比采用其它需要较多组件且更复杂节能冷却模式的制冷系统低。

10

总制冷耗能

这是整个制冷系统的总体能耗。能源成本最高的节能冷却模式是采用次级盘管作为机房精密空调旁通的节能冷却模式类型。主要是因为配置分布式制冷系统需要承担能源损失。能源成本最低的节能冷却模式是采用空气换热器作为空调旁通的节能冷却模式类型。采用热轮换热器作为空调旁通的节能冷却模式,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节能冷却模式的能耗基准。基准系统假设为无遏制系统,无节能冷却模式,冷冻水供水温度为7.2℃,使用机房精密空调匀速风机。根据这个基准条件,图1按照大型数据中心通常所处的11个城市,就各种节能冷却模式的制冷负载因数(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,所有节能冷却模式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节能冷却模式,其制冷耗能最低,几乎所有天气条件下的平均耗能都在381,385kWh,约为基准制冷系统平均能耗1,834,403kWh的75%。利用热轮换热器作为空调旁通的节能冷却模式在节能方面也表现良好。

表2为一假想数据中心的参数假设。

表3是根据表2的假设参数得出的不同节能冷却模式的定量比较结果。

影响节能冷却模式运行的因素

许多因素能够对部分节能冷却模式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。

1

地理位置

节能冷却模式的使用完全取决于数据中心的地理位置。即使在部分节能冷却模式下工作时,地理位置的季节性气候条件也至关重要。中国气象局是少数几家提供天气数据以供评估节能冷却模式可用时间的机构。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节能冷却模式的可用时数。

2

制冷系统制冷设定值

增加节能冷却模式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℃提高到27℃。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。

3

冷热气流隔离

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℃,到送风到达服务器进风口时,温度可能已经接近32℃。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节能冷却模式可用时间,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,热通道冷热气流隔离可以提供更多的节能冷却模式可用时间,因此更受新建数据中心青睐。任何使用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效率。因此如果使用节能冷却模式,没有理由不配置冷热气流隔离系统。

结束语

END

在过去,制冷系统节能冷却模式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GB50174-2015要求A数据中心制冷系统带有节能冷却模式以减少耗能。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节能冷却模式,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,一些制冷系统在节能冷却模式下运行可以节省大量的年度制冷能源成本,相应的年度PUE也会有较大的改善。本文对数据中心常见的六种类节能冷却模式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。

作者简介

林密:施耐德电气全球数据中心科研中心的高级研究员。致力于数据中心设计和运营方面的研究,并且通过向客户提供风险评估和设计实践方面的咨询,来优化数据中心环境的可用性和能效。在加入施耐德电气之前,曾在LG电子公司担任研发项目经理工作多年。现在被授予“数据中心认证专家”称号,拥有作为数据中心专业人员所需要的国际认可的知识和技术,同时还具有职业注册暖通工程师资质。拥有吉林大学机械工程硕士学位,主修暖通空调与热能工程。

（来源：《UPS应用》杂志）