摘要

數(shù)據(jù)中心作為通信系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著繁重的通信任務(wù)。數(shù)據(jù)中心能耗大，對(duì)機(jī)房環(huán)境的要求比較高，尤其對(duì)制冷系統(tǒng)的要求也特別高，是通信行業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)部位，應(yīng)得到通信運(yùn)營(yíng)商的普遍關(guān)注。本文就數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的節(jié)能冷卻模式及實(shí)際應(yīng)用問題進(jìn)行描述與分析。

前言

節(jié)能減排作為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策已經(jīng)推進(jìn)將近十年了，各行各業(yè)圍繞這項(xiàng)基本國(guó)策進(jìn)行了卓有成效的工作，取得了令人滿意的成績(jī)，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(duì)綠色環(huán)保的愈加重視程度，促使節(jié)能需求越來越強(qiáng)烈。如何在通信機(jī)房的數(shù)據(jù)中心搞好節(jié)能減排一直是通信界普遍關(guān)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(duì) 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(jī)和壓縮機(jī)，可以關(guān)停不用或在以較低負(fù)荷運(yùn)行，從而起到很好的節(jié)能減排效果。

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(nèi)得到認(rèn)可，但是相關(guān)的術(shù)語還未標(biāo)準(zhǔn)化并且定義也容易引起混淆。其中最容易引起混淆的一點(diǎn)是使用“節(jié)能冷卻”這一術(shù)語來形容制冷系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)組件或制冷系統(tǒng)的子設(shè)備。而實(shí)際上“節(jié)能冷卻”不是指一個(gè)物體，而是指一種運(yùn)行模式。節(jié)能冷卻模式有時(shí)也被稱作“自然冷卻”。這個(gè)術(shù)語可以用來說明節(jié)能冷卻模式的一般情況，但應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：其一，節(jié)能冷卻模式下，制冷機(jī)組的壓縮機(jī)會(huì)部分或完全轉(zhuǎn)為旁通運(yùn)行。大多數(shù)使用節(jié)能冷卻模式的系統(tǒng)大部分時(shí)間是將壓縮機(jī)部分轉(zhuǎn)為旁通運(yùn)行，因此節(jié)省了部分能源，但是制冷并不是“免費(fèi)”的。其二，即使節(jié)能冷卻模式將壓縮機(jī)完全轉(zhuǎn)為旁通運(yùn)行，在利用風(fēng)機(jī)或泵排放熱量時(shí)還是會(huì)有所耗能，并且很可能還會(huì)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(fèi)”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。

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(fēng)機(jī)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(nèi)運(yùn)送至室外環(huán)境，達(dá)到熱量排放的目的。第二要素為換熱：即利用盤管或通風(fēng)孔將熱量從一道熱流體轉(zhuǎn)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(jī)：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(shì)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。

數(shù)據(jù)中心的主要幾種節(jié)能冷卻模式及支持的節(jié)能運(yùn)行

數(shù)據(jù)中心的節(jié)能冷卻模式大體上可以分為風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式和水側(cè)節(jié)能冷卻模式。風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式又可以分為以下三種：

1、采用直接新風(fēng)作為空調(diào)的旁通

這種節(jié)能冷卻模式有時(shí)也稱作“直接通風(fēng)”模式，它是當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，利用風(fēng)機(jī)和百葉從室外經(jīng)過過濾器抽取一定數(shù)量的冷風(fēng)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(jié)合蒸發(fā)輔助一起使用，這樣室外空氣在進(jìn)入數(shù)據(jù)中心前需要先穿過潮濕的網(wǎng)狀介質(zhì)，它支持在部分節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行。

2、采用空氣換熱器作為空調(diào)的旁通

這種節(jié)能冷卻模式有時(shí)稱作“間接通風(fēng)”模式，它是當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，利用室外空氣間接為數(shù)據(jù)中心制冷。這種模式使用風(fēng)機(jī)將室外冷風(fēng)吹到一組板或盤管上面，冷卻板或管的另一側(cè)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱空氣，將數(shù)據(jù)中心內(nèi)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(jié)合使用，它既能支持在完全節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行也支持在部分節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行。

3、采用熱輪換熱器作為空調(diào)的旁通

這種節(jié)能冷卻模式是當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，利用風(fēng)機(jī)將室外冷風(fēng)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(jié)合使用，室外空氣在進(jìn)入數(shù)據(jù)中心前需要先穿過潮濕的網(wǎng)狀介質(zhì)。它既支持在完全節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行也支持在部分節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行。

水側(cè)節(jié)能冷卻模式分為以下三種：

1、采用熱交換器作為冷水機(jī)組的旁通

這種節(jié)能冷卻模式是當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，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(jì)算機(jī)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(jī)組的旁通閥可以根據(jù)冷凝水的冷凍溫度決定是否關(guān)閉。這種類型的節(jié)能冷卻模式在熱交換器與冷水機(jī)組串聯(lián)連接時(shí)可以支持部分節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行。

2、采用蒸發(fā)冷卻器作為風(fēng)冷冷水機(jī)的旁通

這種節(jié)能冷卻模式是當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，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(nèi)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(fēng)冷卻冷凍水，然后將冷卻后的冷凍水送往 CRAH。冷水機(jī)的旁通閥可根據(jù)室外冷風(fēng)的冷凍程度決定關(guān)閉或在更高效率下運(yùn)行。只有當(dāng)熱交換器與冷水機(jī)串聯(lián)連接時(shí)才支持在部分節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行。

3、采用次級(jí)盤管作為計(jì)算機(jī)房空氣調(diào)節(jié)裝置（CRAC）壓縮機(jī)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(gè)獨(dú)立的次級(jí)冷凝水盤管，可在節(jié)能冷卻模式時(shí)使用。當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，泵將冷凝水送入并穿過干式冷卻器，在這里利用室外冷風(fēng)使冷凝水冷卻，然后將冷卻后的冷凝水送到 CRAC 的次級(jí)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(yùn)行。

影響數(shù)據(jù)中心節(jié)能冷卻模式運(yùn)行的因素

數(shù)據(jù)中心節(jié)能冷卻模式的運(yùn)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(shí)，地理位置的季節(jié)性氣候條件也至關(guān)重要。

2、制冷系統(tǒng)制冷設(shè)定值

增加節(jié)能冷卻模式可用時(shí)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(wù)器的設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度。第一種方法對(duì)于已有數(shù)據(jù)中心來說顯然是不現(xiàn)實(shí)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(jī)柜布置不合理或者氣流管理不當(dāng)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱風(fēng)和冷風(fēng)會(huì)發(fā)生混合。

幾種節(jié)能冷卻模式的量化分析及在實(shí)際應(yīng)用時(shí)考慮問題

下面對(duì)幾種節(jié)能冷卻模式進(jìn)行量化分析，具體情況見下表所示：

我國(guó)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(yùn)營(yíng)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(yùn)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(jià)。在我國(guó)北方地區(qū)，天氣干燥，風(fēng)力資源較為豐富，寒冷季節(jié)也長(zhǎng)一些，數(shù)據(jù)中心適合采用風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式，但由于受沙塵暴影響，應(yīng)切實(shí)做好防塵除暴工作，以免影響數(shù)據(jù)中心通信設(shè)備正常運(yùn)行。在南方地區(qū)，天氣潮濕，風(fēng)力資源相對(duì)豐富，炎熱季節(jié)長(zhǎng)一些，數(shù)據(jù)中心適合采用水側(cè)節(jié)能冷卻模式，但要做好失水控制，避免宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)做好機(jī)房濕度控制，保證機(jī)房設(shè)備運(yùn)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(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式和水側(cè)節(jié)能冷卻模式兼而有之。有研究表明，對(duì)于小于1000平方米的數(shù)據(jù)中心適用于風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式，但對(duì)于超過1000平方米的大型數(shù)據(jù)中心，如果采用冷凍水形的機(jī)組的水側(cè)節(jié)能冷卻模式在經(jīng)濟(jì)性上是比較占優(yōu)勢(shì)的。有些制冷系統(tǒng)供應(yīng)商可以提供多種冷凍水的空調(diào)，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(diào)，冷凍水機(jī)組他們可以提供，包括水冷的，包括自然冷卻的冷水機(jī)組，他們都可以提供全套的設(shè)備。無論何種地區(qū)采用何種節(jié)能冷卻模式，均應(yīng)得到制冷系統(tǒng)供應(yīng)商在技術(shù)上強(qiáng)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(shè)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(fù)雜程度、數(shù)據(jù)中心的濕度控制、平均壽命、可用性風(fēng)險(xiǎn)、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(jié)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(nèi)并沒有得到廣泛重視。這主要是因?yàn)槟菚r(shí)電力成本較低，IT設(shè)備供風(fēng)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(huì)對(duì)通信的需求日益增大，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備擴(kuò)容也隨之增大，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排作為一個(gè)突出問題擺在通信運(yùn)營(yíng)商面前。為了降低碳排放，我國(guó)把節(jié)能減排作為基本國(guó)策，并且出臺(tái)了各種標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)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(jī)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(shí)，一些制冷系統(tǒng)在節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行可以節(jié)省超過70%的年度制冷能源成本，相應(yīng)的年度能源利用率也會(huì)有超過15%的改善，從而為本行業(yè)的節(jié)能減排作出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

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本文標(biāo)題：淺談數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的節(jié)能冷卻模式與應(yīng)用

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