數(shù)據(jù)中心直接和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式的選擇
摘要：為數(shù)據(jù)中心選擇直接還是間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式取決于諸多因素，包括其獲益、地理位置、投資成本、運(yùn)行成本以及可用性風(fēng)險(xiǎn)。在本白皮書中，我們從以上五個(gè)方面對(duì)這兩種節(jié)能冷卻模式進(jìn)行了考察分析。雖然兩種模式均能通過(guò)極少使用或不使用機(jī)械制冷的情況下為數(shù)據(jù)中心提供冷量，但在世界大部分地區(qū)，使用間接節(jié)能冷卻模式所消耗的能源要低于直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式。直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式可節(jié)約投資成本，但與間接模式相比，其可用性風(fēng)險(xiǎn)較高。為規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)所需的額外投資明顯降低了直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式的優(yōu)勢(shì)。因此，總體來(lái)說(shuō)，我們建議采用間接節(jié)能冷卻模式。
簡(jiǎn)介
采用節(jié)能冷卻模式的制冷系統(tǒng)在節(jié)約能源和降低碳足跡方面具有巨大潛力，因?yàn)樵谶@一模式下可以取消、關(guān)閉或以低容量運(yùn)行冷水機(jī)和壓縮機(jī)等使用制冷劑的大能耗制冷組件。綠色網(wǎng)格聯(lián)盟（The Green Grid）對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員的調(diào)查顯示，與未采用節(jié)能冷卻模式的數(shù)據(jù)中心相比，采用節(jié)能冷卻模式的數(shù)據(jù)中心平均可降低 20%的制冷成本、能源消耗和碳排放。直接和間接節(jié)能冷卻模式是風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式的兩種方法，其原理是在室外溫度較低時(shí)利用室外空氣對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻。
本文重點(diǎn)討論了直接和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式的優(yōu)勢(shì)、相關(guān)成本和風(fēng)險(xiǎn)因素。針對(duì)如何選擇適用的方法，我們提供了實(shí)用的建議和指導(dǎo)。此外還有其他幾種節(jié)能冷卻模式也有助于節(jié)約能源，如水側(cè)節(jié)能冷卻模式。
直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式
直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式（通常被稱為“直接新風(fēng)”節(jié)能冷卻）是在室外空氣狀況處于某個(gè)設(shè)定溫度范圍之內(nèi)時(shí)，將一定量的室外冷風(fēng)通過(guò)風(fēng)扇和進(jìn)風(fēng)格柵吸入并進(jìn)行過(guò)濾，然后直接將其送入數(shù)據(jù)中心，如圖 1 所示。對(duì)于這種節(jié)能冷卻模式，無(wú)需進(jìn)行新風(fēng)換氣。
圖1 利用室外新風(fēng)直接冷卻的數(shù)據(jù)中心
該系統(tǒng)利用風(fēng)閥來(lái)控制熱風(fēng)排到室外的量以及與數(shù)據(jù)中心冷送風(fēng)的混合量以保持環(huán)境設(shè)定溫度。這種類型的節(jié)能冷卻模式可以結(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(guò)潮濕的網(wǎng)狀介質(zhì)。需要注意的是，這種類型的節(jié)能冷卻模式在結(jié)合蒸發(fā)輔助使用時(shí)會(huì)增加數(shù)據(jù)中心的濕度。在室外空氣狀況不佳的情況下（如空氣污染、濕度高），通常采用機(jī)械制冷作為后備。
在考慮采用直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式時(shí)，用戶常見(jiàn)的問(wèn)題包括：
哪些地點(diǎn)適合采用這種節(jié)能冷卻模式？
投資成本為多少？
運(yùn)營(yíng)成本為多少？
需要 100%機(jī)械制冷系統(tǒng)作為后備嗎？
溫度升高、濕度增加和空氣污染物對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi) IT 設(shè)備運(yùn)行的可靠性有何影響？
我的 IT 設(shè)備能否經(jīng)受住外部的自然條件？
我能否采用這種節(jié)能冷卻模式對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行改造？
安裝直接新風(fēng)系統(tǒng)需要在設(shè)計(jì)中考慮哪些因素？
直接與間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式之間的主要區(qū)別是什么？
本文就以上問(wèn)題進(jìn)行了分析和解答，比較了直接與間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式之間的異同，并針對(duì)如何在這兩種方法之間進(jìn)行選擇提供了實(shí)用建議和指導(dǎo)。
間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式
當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式利用室外空氣間接為數(shù)據(jù)中心制冷。空-空熱交換器、熱輪換熱器和熱管是三種常見(jiàn)的隔離技術(shù)，可隔離室外濕度的影響并防止室外污染物進(jìn)入 IT 空間。在這三種技術(shù)中，空-空熱交換器在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用最為普遍。我們?cè)诒景灼袑⒅攸c(diǎn)討論空-空熱交換器方法。邊欄部分簡(jiǎn)要介紹了熱輪換熱器和熱管技術(shù)。
基于空氣熱交換器的間接節(jié)能冷卻方法使用風(fēng)機(jī)將室外冷風(fēng)吹到一組板換或盤管上面，冷卻穿過(guò)板換或盤管的數(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，如圖 2 所示。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，向板換或盤管的外表面噴水以便進(jìn)一步降低室外空氣的溫度，從而冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱回風(fēng)。與直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式不同，蒸發(fā)輔助不會(huì)增加 IT 空間內(nèi)的濕度，但需要補(bǔ)充少量新風(fēng)。在室外條件不理想的地點(diǎn)（如高溫和高濕），通常將機(jī)械制冷作為輔助制冷方法。
圖2 利用室外新風(fēng)和空-空熱交換器間接冷卻的數(shù)據(jù)中心
在考慮采用間接節(jié)能冷卻模式時(shí)，用戶的常見(jiàn)問(wèn)題包括：
哪些地點(diǎn)適合采用這種節(jié)能冷卻模式？
投資成本為多少？
運(yùn)營(yíng)成本為多少？
需要配置多少容量的機(jī)械輔助制冷？
采用空-空熱交換器會(huì)對(duì)能效產(chǎn)生多大影響？
安裝間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)需要在設(shè)計(jì)中考慮哪些因素？
直接與間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻之間的主要區(qū)別是什么？
本文就以上問(wèn)題進(jìn)行了分析和解答，比較了直接與間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式之間的異同，并針對(duì)如何在兩種方法之間進(jìn)行選擇提供了實(shí)用建議和指導(dǎo)。
請(qǐng)注意，任何采用直接或間接節(jié)能冷卻模式的數(shù)據(jù)中心在使用氣流遏制系統(tǒng)后都可以在很大程度上提高能效，因此，沒(méi)有理由不配置氣流遏制系統(tǒng)。
熱輪換熱器與熱管技術(shù)的比較
熱輪換熱器技術(shù)利用風(fēng)扇，通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的熱輪，利用室外的冷風(fēng)間接對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱回風(fēng)進(jìn)行冷卻，而熱管技術(shù)則是通過(guò)一套熱管，利用風(fēng)扇將室外冷風(fēng)吹過(guò)熱管，對(duì)熱管內(nèi)的流體進(jìn)行冷卻，被冷卻的管內(nèi)流體再去冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱回風(fēng)。
這兩種技術(shù)均可保持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)的濕度條件，并能防止污染物進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。另外，兩種技術(shù)均可使用蒸發(fā)輔助，以進(jìn)一步冷卻室外空氣并延長(zhǎng)節(jié)能冷卻時(shí)間。
直接與間接節(jié)能冷卻模式的比較
直接和間接節(jié)能冷卻模式均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在選擇時(shí)應(yīng)對(duì)其優(yōu)勢(shì)以及相關(guān)成本、風(fēng)險(xiǎn)和地理位置、IT 環(huán)境設(shè)定值等因素進(jìn)行權(quán)衡比較和分析。理想的節(jié)能冷卻模式可充分利用各種外部環(huán)境條件來(lái)最大化節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，并擁有最低的運(yùn)行和投資成本，同時(shí)伴隨最小的數(shù)據(jù)中心可用性風(fēng)險(xiǎn)。本章節(jié)根據(jù)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)者和用戶經(jīng)常提及的以下各種指標(biāo)對(duì)直接和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式進(jìn)行了比較，包括：
投資成本
運(yùn)營(yíng)成本
性能
可用性風(fēng)險(xiǎn)
1.投資成本
投資成本包括材料成本、安裝成本、設(shè)計(jì)成本以及與整個(gè)制冷系統(tǒng)相關(guān)的所有項(xiàng)目費(fèi)用，以每瓦IT 負(fù)載的價(jià)格（美元）計(jì)算。圖 3 為直接新風(fēng)系統(tǒng)和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)投資成本的比較。這兩個(gè)系統(tǒng)均為預(yù)制化系統(tǒng)，其配置是為了能實(shí)現(xiàn) ASHRAE 對(duì) IT 空間所推薦的環(huán)境條件，并以舊金山的氣候數(shù)據(jù)作為假設(shè)條件（詳情參見(jiàn)邊欄）。一般來(lái)說(shuō)，直接新風(fēng)系統(tǒng)的 DX 后備系統(tǒng)是根據(jù)顯冷量要求來(lái)設(shè)計(jì)容量的，因此我們?cè)诜治鲋幸膊捎昧诉@一假設(shè)條件。
由于空-空熱交換器增加了額外的成本，間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的投資成本略高，但間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)可控制濕度和空氣污染等風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)而為直接新風(fēng)系統(tǒng)配置 100% DX 后備將使其成本超過(guò)間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)。此外，配置 100% DX 后備系統(tǒng)還會(huì)增加支持?jǐn)?shù)據(jù)中心所需的上游配電設(shè)備和發(fā)電機(jī)的成本和容量要求。
圖3 美國(guó)加利福尼亞州舊金山直接和間接節(jié)能制冷系統(tǒng)投資成本的比較
圖 3 假設(shè)條件
地點(diǎn)：美國(guó)舊金山
數(shù)據(jù)中心容量：1000 kW
系統(tǒng)冗余：N
配置：預(yù)制化
直接新風(fēng)系統(tǒng)：
設(shè)備包括百葉窗、過(guò)濾器、風(fēng)閥、VFD 風(fēng)扇陣列，配備或不配備 100% DX 后備系統(tǒng)。
全套控制系統(tǒng)
熱通道氣流遏制
間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)：
設(shè)備包括：風(fēng)扇、間接蒸發(fā)
冷卻器、泵、閥、噴水嘴/水分離器、感應(yīng)器和 DX 后備系統(tǒng)。
集成式控制系統(tǒng)
熱通道氣流遏制
30% DX 后備，在極端室外氣候條件下全負(fù)荷運(yùn)行，作為熱交換器的輔助
運(yùn)營(yíng)成本
整個(gè)制冷系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本包括以下各項(xiàng)：
能源成本 – 整個(gè)制冷系統(tǒng)在 100%負(fù)載條件下的能耗。它包括系統(tǒng)處于完全和部分節(jié)能冷卻模式時(shí)的能耗。
水費(fèi)成本 – 蒸發(fā)輔助組件可以通過(guò)水蒸發(fā)來(lái)增加節(jié)能冷卻模式運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。
維護(hù)成本 – 維護(hù)成本包括空氣過(guò)濾器更換、水過(guò)濾器更換、噴嘴更換、過(guò)濾器清潔和空－空熱交換器清潔的成本。直接新風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器更換成本取決于數(shù)據(jù)中心所在地的空氣污染程度和過(guò)濾器更換的頻率。
圖4 在美國(guó)加州舊金山采用風(fēng)側(cè)直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本比較
圖5 在美國(guó)密蘇里州圣路易斯采用風(fēng)側(cè)直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本比較
圖4 和圖5 假設(shè)條件
數(shù)據(jù)中心和制冷系統(tǒng)的配置與圖 3 的假設(shè)條件相同
數(shù)據(jù)中心負(fù)載：100%
根據(jù) ASHRAE 推薦的范圍，直接新風(fēng)和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的送風(fēng)設(shè)定值為：
- 固定的送風(fēng)溫度： 27°C (80.6°F)
- 相對(duì)濕度： 30%<RH%<60%
- 露點(diǎn)：5oC<DP<15oC(41°F<DP<59°F)
送風(fēng)和回風(fēng)溫差：14°C (25.2°F)
電費(fèi)：0.09 美元/瓦
水費(fèi)：0.62 美元/立方米（0.0176 美元/立方英尺）
過(guò)濾器阻塞程度：50%
圖 4 和圖 5 介紹了兩個(gè)不同地點(diǎn)采用直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)（假設(shè)條件請(qǐng)參見(jiàn)邊欄）的年度運(yùn)營(yíng)成本的比較。請(qǐng)注意，之所以選擇舊金山，是因?yàn)樵搮^(qū)域具有采用直接新風(fēng)系統(tǒng)的理想氣候條件。在舊金山，直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)全年的制冷性能都很出色。相對(duì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)榕f金山濕度
較低，溫度溫和，所以采用直接新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本較低。而在圣路易斯等氣候（較為濕潤(rùn)/炎熱）地區(qū)，直接新風(fēng)系統(tǒng)需要更頻繁的 100% DX 模式運(yùn)行，才能確保 IT 機(jī)房保持在濕度閾值范圍之內(nèi)。下面列出了部分詳細(xì)的研究結(jié)果：
在舊金山，直接新風(fēng)系統(tǒng)大約 99.8%的運(yùn)行時(shí)間都處于完全節(jié)能冷卻模式，而在圣路易斯，處于完全節(jié)能冷卻模式的運(yùn)行時(shí)間比例大約僅為 76.4%。
間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本要低于直接新風(fēng)系統(tǒng)，具體取決于所處的地理位置。
當(dāng)過(guò)濾器堵塞時(shí)，風(fēng)扇必須消耗更多電能來(lái)克服阻力，因此直接新風(fēng)系統(tǒng)的能源成本將大幅攀升。堵塞的過(guò)濾器還會(huì)給數(shù)據(jù)中心的可用性帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。
在舊金山，間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)稍短，這是因?yàn)槠錈峤粨Q器所存在的傳熱效率損失造成的，具體將在“性能”章節(jié)詳述。
對(duì)于間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)，蒸發(fā)輔助需要消耗更多的水，來(lái)增加舊金山和圣路易斯的節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)。
因?yàn)楦鼡Q過(guò)濾器較為頻繁，位于舊金山和圣路易斯的直接新風(fēng)系統(tǒng)的維護(hù)成本較高。
3.性能
直接新風(fēng)和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)間的性能差異取決于：
系統(tǒng)傳熱效率
數(shù)據(jù)中心地理位置和 IT 環(huán)境設(shè)定值
系統(tǒng)傳熱效率
一般來(lái)說(shuō)，減少熱交換次數(shù)可增加節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)，最終提高效率。如果室外條件適宜，直接新風(fēng)系統(tǒng)通常被認(rèn)為是“最高效”的節(jié)能冷卻方式，因?yàn)榇讼到y(tǒng)直接過(guò)濾室外空氣，并送至IT 機(jī)房，整個(gè)過(guò)程不需要進(jìn)行熱交換，風(fēng)扇成為主要的排熱裝置。
如果室外條件不適宜，新風(fēng)需要通過(guò)混合風(fēng)閥/混氣室、濕網(wǎng)狀材料和/或 DX 盤管，達(dá)到設(shè)定值后，才能進(jìn)入 IT 機(jī)房，這樣就給系統(tǒng)帶來(lái)了傳熱效率損失。為降低空氣污染風(fēng)險(xiǎn)，直接新風(fēng)系統(tǒng)一般使用高效 MERV額定過(guò)濾器，造成送風(fēng)系統(tǒng)額外壓降。這意味著，送風(fēng)量相同的情況下，需要更高能耗。隨著空氣過(guò)濾器堵塞，風(fēng)扇功耗會(huì)進(jìn)一步提高，從而降低節(jié)能效果。
間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)則在室外空氣和室內(nèi)空氣之間添加了一個(gè)熱交換器，增加了傳熱效率的損耗。這類節(jié)能冷卻系統(tǒng)還需要補(bǔ)充室外新鮮空氣，也會(huì)稍稍降低整個(gè)制冷系統(tǒng)的效率。但是，除了補(bǔ)充室外空氣外，它并不直接接觸室外空氣。間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)無(wú)需用于室外氣流的空氣過(guò)濾器，也無(wú)需濕網(wǎng)狀材料。低 MERV 額定過(guò)濾器（如 MERV8）一般用于室內(nèi)氣流的過(guò)濾。通過(guò)在板換或換熱管表面噴水，能夠達(dá)到蒸發(fā)冷卻的效果，因此與直接節(jié)能冷卻系統(tǒng)不同，對(duì) IT 機(jī)房的濕度無(wú)負(fù)面影響。
地理位置和 IT 環(huán)境設(shè)定值
在決定是采用直接新風(fēng)還是間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)時(shí)，地理位置起到很重要的作用，因?yàn)橐粋€(gè)地點(diǎn)的溫度、濕度和空氣質(zhì)量是作出決策的關(guān)鍵因素。本章節(jié)重點(diǎn)分析溫度和濕度（空氣質(zhì)量在下一章節(jié)中討論）。選擇直接新風(fēng)還是間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)取決于地理位置，因?yàn)椋?/p>
數(shù)據(jù)中心所在地的溫度和濕度決定了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能冷卻模式運(yùn)行的小時(shí)數(shù)，這對(duì)于降低能源成本和水費(fèi)成本非常重要。
地理位置還決定了直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的配置，比如 DX 系統(tǒng)后備程度（即 100% DX、降容 DX，甚至無(wú) DX 后備），這將影響制冷系統(tǒng)的投資成本。
但是，此決策還取決于需要與宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行權(quán)衡的 IT 環(huán)境設(shè)定值?，F(xiàn)在的大多數(shù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者對(duì)于他們認(rèn)為“可接受”的 IT 機(jī)房溫度和濕度范圍非常保守（下一章節(jié)將介紹擴(kuò)大 IT 環(huán)境設(shè)定值的風(fēng)險(xiǎn)）。這些“可接受”溫度和濕度范圍，決定了直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的性能。為了充分利用直接新風(fēng)來(lái)降低能源成本，部分 IT 服務(wù)器供應(yīng)商正力爭(zhēng)設(shè)計(jì)出能夠在更廣泛溫度和濕度范圍內(nèi)運(yùn)行的服務(wù)器。請(qǐng)注意，提高 IT 進(jìn)氣溫度可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心能耗的整體提升。
為提升制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果，ASHRAE 還在其 2011 年數(shù)據(jù)中心熱指南中，擴(kuò)展了環(huán)境參數(shù)范圍 6。圖 6 是最新 ASHRAE 推薦和允許 A2 數(shù)據(jù)處理環(huán)境參數(shù)范圍，通常是目前 IT 設(shè)備最常用的環(huán)境參數(shù)規(guī)格。
圖6 ASHRAE 推薦和允許A2運(yùn)行環(huán)境參數(shù)范圍
橫坐標(biāo)表示溫度范圍，縱坐標(biāo)表示濕度范圍。針對(duì)數(shù)據(jù)中心 IT 設(shè)備定義的可接受參數(shù)范圍越寬泛，制冷系統(tǒng)在節(jié)能冷卻模式下的有效運(yùn)行時(shí)間就越長(zhǎng)。
圖 7a 和圖 7b 顯示了數(shù)據(jù)中心的預(yù)計(jì)年度直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式運(yùn)行總小時(shí)數(shù)。這是基于 ASHRAE 推薦（圖 6a）和許可 A2（圖 6b）參數(shù)范圍，使用綠色網(wǎng)格聯(lián)盟的自然冷卻工具得出的。圖 7a 中的深藍(lán)色區(qū)域表明，假設(shè) ASHRAE 推薦參數(shù)范圍為可被接受的 IT 環(huán)境設(shè)定值，直接新風(fēng)系統(tǒng)能夠全年 100%地運(yùn)行于完全節(jié)能冷卻模式。因此，在這些地點(diǎn)無(wú)需機(jī)械制冷后備，也可避免空氣污染和其它緊急事件的風(fēng)險(xiǎn)。圖 7b 則指出，如果 IT 設(shè)備能在 ASHRAE 允許 A2
參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行，更多地點(diǎn)將增加節(jié)能冷卻模式運(yùn)行的小時(shí)數(shù)。
圖 7a 基于 ASHRAE 推薦參數(shù)范圍的北美直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)
圖 7b 基于 ASHRAE 允許 A2 參數(shù)范圍的北美直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)
制冷負(fù)荷系數(shù) (CLF)
本章節(jié)對(duì)于通常大型數(shù)據(jù)中心所處的 11 個(gè)城市中，直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的制冷性能進(jìn)行了量化比較。這些制冷系統(tǒng)通過(guò)配置，都達(dá)到所要求的 IT 環(huán)境設(shè)定值（根據(jù) ASHRAE 規(guī)定）。
下方提供了這 11 個(gè)城市在最惡劣情況下的露點(diǎn)。在 ASHRAE 推薦參數(shù)范圍內(nèi)，最高允許送風(fēng)露點(diǎn)為 15°C（59°F）。鑒于上述所有城市的露點(diǎn)都超過(guò)了最高允許露點(diǎn)，直接新風(fēng)系統(tǒng)通常需要 100% DX 作為后備。也就是說(shuō)，在一年中，當(dāng)室外濕度高于規(guī)定露點(diǎn)的時(shí)段，一般不允許室外空氣進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，100%的 IT 負(fù)載僅能通過(guò)機(jī)械制冷進(jìn)行冷卻。
最惡劣情況下的露點(diǎn)
新加坡：29°C(84.2°F)
邁阿密：28.6°C(83.5°F)
北京：30°C(86°F)
東京：28°C(82.4°F)
悉尼：24°C(75.2°F)
圣路易斯：28.6°C(83.5°F)
紐約市：27.5°C(81.5°F)
舊金山：19.7°C(67.5°F)
莫斯科：24°C(75.2°F)
倫敦：21°C(69.8°F)
西雅圖：28.6°C(83.5°F)
如果我們將送風(fēng)設(shè)定值擴(kuò)大到 ASHRAE 允許 A2 參數(shù)范圍，則最高許可送風(fēng)露點(diǎn)變?yōu)?21°C
（69.8°F）。這意味著，在舊金山這樣露點(diǎn)低于最高允許露點(diǎn)的城市中，直接新風(fēng)系統(tǒng)有可能無(wú)
需 DX 作為后備。在此情況下，特定干球溫度和露點(diǎn)下的焓值是決定是否需要 DX 后備系統(tǒng)的關(guān)鍵因素（具體說(shuō)明請(qǐng)參見(jiàn)邊欄）。
ASHRAE、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL)，以及美國(guó)海洋暨大氣總署（NOAA） 等機(jī)構(gòu)都提供氣象數(shù)據(jù)，以評(píng)估節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)。根據(jù)這些氣象數(shù)據(jù)，第 11 號(hào) TradeOff 權(quán)衡工具節(jié)能冷卻模式 PUE 計(jì)算器，可幫助計(jì)算直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的 CLF。它也為其它節(jié)能冷卻系統(tǒng)模式提供這些計(jì)算結(jié)果，并說(shuō)明對(duì)于其數(shù)據(jù)中心所在地和 IT 運(yùn)行環(huán)境來(lái)說(shuō)，哪種架構(gòu)的PUE、能源成本和碳排放數(shù)據(jù)最為理想。圖 8 顯示了此工具的輸入和輸出。
圖8 TradeOff 權(quán)衡工具計(jì)算器能夠幫助評(píng)估各種冷卻方式的性能
ASHRAE 允許 A2 參數(shù)范圍下的 DX 后備需求
當(dāng)干球溫度高于 35°C，焓低于75.4 kJ/kg（35°C DB 和 21°C DP）時(shí)，可采用蒸發(fā)冷卻，以將干球溫度降低到 35°C 設(shè)定值，同時(shí)保持露點(diǎn)不高于最高值 21°C。當(dāng)焓高于 75.4 kJ/kg 時(shí)，蒸發(fā)冷卻就無(wú)法在保持露點(diǎn)不超過(guò) 21°C的情況下，使溫度降低到 35°C DB 設(shè)定值。此時(shí)就需要 DX 后備系統(tǒng)進(jìn)行制冷。
圖 9 根據(jù)圖 3、圖 4 和邊欄中 11 個(gè)城市采用 ASHRAE 推薦參數(shù)范圍和允許 A2 參數(shù)范圍時(shí)的假設(shè)條件，比較了直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的年均 CLF。
圖9 全球直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的制冷負(fù)荷系數(shù)
基于 ASHRAE 允許 A2參數(shù)范圍的 IT 環(huán)境設(shè)定值
固定送風(fēng)溫度：35°C (95°F)
相對(duì)濕度：20%<RH%<80%
最高露點(diǎn)溫度：21oC(69.8°F)
送風(fēng)和回風(fēng)溫差：14°C(25.2°F)
在新加坡等熱帶雨林氣候地區(qū)（具體說(shuō)明請(qǐng)參見(jiàn)邊欄），當(dāng) IT 環(huán)境設(shè)定值設(shè)置為推薦參數(shù)范圍時(shí)，直接新風(fēng)系統(tǒng)的制冷性能不佳。這是因?yàn)槭彝猸h(huán)境潮濕，制冷系統(tǒng)完全采用機(jī)械模式運(yùn)行的緣故。也就是說(shuō)，全年任何時(shí)候，都不允許室外新風(fēng)直接進(jìn)入 IT 機(jī)房。而如果采用允許 A2 設(shè)定值，則一年中大約 30%的時(shí)間，數(shù)據(jù)中心能夠通過(guò)直接新風(fēng)冷卻。間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)受益于間接蒸發(fā)冷卻，在部分節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行，可以一定程度節(jié)約能源。因此，如果使用 ASHRAE推薦設(shè)定值，那么潮濕地區(qū)不適合采用直接新風(fēng)系統(tǒng)。
對(duì)于邁阿密等熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，當(dāng) IT 環(huán)境設(shè)定值設(shè)置為推薦參數(shù)范圍時(shí)，一年中約 27%的時(shí)間，制冷系統(tǒng)在直接新風(fēng)節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行，可以一定程度的節(jié)約能源。如果設(shè)置為允許 A2參數(shù)范圍，則節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)可達(dá)到一年中 86%的時(shí)間。對(duì)于間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)，因?yàn)檩^干燥的季節(jié)能夠提高蒸發(fā)冷卻效率，所以與熱帶雨林氣候地區(qū)相比，在熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)采用間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)，能夠節(jié)約更多能源。
而在北京等溫帶大陸性濕潤(rùn)氣候地區(qū)，以及悉尼等副熱帶濕潤(rùn)氣候地區(qū)，直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)在冬季和過(guò)渡季節(jié)，都能達(dá)到比較理想的節(jié)能冷卻小時(shí)數(shù)。對(duì)于直接新風(fēng)系統(tǒng)，鑒于室外潮濕狀況，采用 ASHRAE 推薦參數(shù)范圍時(shí)，與采用 ASHRAE 允許 A2 參數(shù)范圍相比，在節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行的小時(shí)數(shù)要短的多。對(duì)于間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用這兩種 ASHRAE 參數(shù)范圍時(shí)，制冷性能大致相當(dāng)。
在倫敦和西雅圖等地中海氣候地區(qū)，直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)都表現(xiàn)出色，因?yàn)橐荒曛写蟛糠謺r(shí)間，它們都能在完全節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行。因此這些系統(tǒng)運(yùn)行在 DX 模式下的時(shí)間極短，相比總能耗，100% DX 系統(tǒng)后備和 50% DX 系統(tǒng)后備能耗差別極小。
3 年期 TCO
在決定是采用直接還是間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)時(shí)，財(cái)務(wù)決策應(yīng)根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)的 TCO 作出。圖 10 根據(jù)圖 3、圖 4 和圖 8 的假設(shè)條件，比較了直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的 3 年期 TCO。
圖10 直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的3年期TCO比較
柯本氣候分類
熱帶雨林氣候 – 無(wú)干季（如：新加坡）
熱帶季風(fēng)氣候 – 主要為雨季，有較短干季（如：邁阿密）
溫帶大陸性濕潤(rùn)氣候 –潮濕而季節(jié)分明，冬季干燥寒冷，夏季炎熱（如：北京）
副熱帶濕潤(rùn)氣候 – 溫暖，無(wú)干季，夏季炎熱，冬季溫暖（如：悉尼）
地中海氣候 – 溫暖而干燥，夏季炎熱，冬季溫暖（如：西雅圖）
采用 ASHRAE 推薦參數(shù)范圍時(shí)，新加坡和邁阿密這類地區(qū)的直接新風(fēng)系統(tǒng) TCO 最高。采用ASHRAE 允許 A2 設(shè)定值時(shí)，全世界各地的間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的制冷性能基本差別不大。在所有地區(qū)，因?yàn)榭刹捎媒等萘?DX 后備配置，間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的 TCO 還可進(jìn)一步降低。究竟選擇直接還是間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)，還取決于其它因素，如樓宇物理結(jié)構(gòu)配合度、占地空間限制、潛在空氣污染風(fēng)險(xiǎn)、數(shù)據(jù)中心容錯(cuò)性以及數(shù)據(jù)中心設(shè)備類型等。
4.可用性風(fēng)險(xiǎn)
使用直接新風(fēng)系統(tǒng)的主要障礙在于空氣污染和較高濕度可能會(huì)影響服務(wù)器壽命，這是與間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)相比最大的差異。與這兩種節(jié)能冷卻模式相關(guān)的其它數(shù)據(jù)中心可用性風(fēng)險(xiǎn)還包括：擴(kuò)大的 IT 送風(fēng)溫度范圍、DX 后備系統(tǒng)配置、蒸發(fā)所用水停水、對(duì)于滅火系統(tǒng)的影響，以及人為失誤。
空氣污染
勞倫斯?伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 （LBNL)的研究指出，在美國(guó)，直接新風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器可提供非常高水平的過(guò)濾。但是，在海上、工廠或其它高污染地區(qū)（如中國(guó)、印度或其它南亞地區(qū)），過(guò)濾的雜質(zhì)很多，如果過(guò)濾器的更換頻率不夠高，或者在更換過(guò)濾器期間，灰塵、溢出的化學(xué)物質(zhì)、煙/灰等顆粒和氣態(tài)污染物就有可能進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。
根據(jù) ASHRAE 的研究，數(shù)據(jù)中心有害灰塵中，通常硫和氯鹽等離子較高。潮解相對(duì)濕度，即灰塵吸收足夠水分，變得潮濕，造成腐蝕和/或離子遷移的相對(duì)濕度，決定了灰塵的腐蝕性。另一種會(huì)損害硬件可靠性的顆粒污染是鋅晶須，這是數(shù)據(jù)中心最常見(jiàn)的導(dǎo)電顆粒。
二氧化硫和硫化氫等氣態(tài)污染物，是造成電子設(shè)備腐蝕的最常見(jiàn)氣體。銅的腐蝕速率與相對(duì)濕度緊密相關(guān)。過(guò)濾系統(tǒng)需要滿足 ISA – 71 （ISA 1985）中等嚴(yán)重度 G1 氣態(tài)污染物要求，包括：
銅反應(yīng)性變化率低于 300 ?/月
銀反應(yīng)性變化率低于 200 ?/月
請(qǐng)注意，需要部署腐蝕監(jiān)控系統(tǒng)，以確保符合這些規(guī)定數(shù)值。圖 11a 和 11b 為顆粒和氣態(tài)污染物造成的兩種常見(jiàn) IT 設(shè)備故障模式。為防止這兩種常見(jiàn) IT 設(shè)備故障模式，下面列出了一些有助于控制數(shù)據(jù)中心清潔度的策略：
數(shù)據(jù)中心必須符合 ISO 8 級(jí)潔凈室標(biāo)準(zhǔn)；
數(shù)據(jù)中心必須無(wú)鋅晶須；
必須使用監(jiān)控系統(tǒng)，以確保銅和銀反應(yīng)性低于標(biāo)準(zhǔn)值；
顆粒污染物的潮解相對(duì)濕度應(yīng)高于 60%；
室內(nèi)空氣應(yīng)始終使用 MERV 8 過(guò)濾器過(guò)濾；
來(lái)自直接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的新風(fēng)和來(lái)自間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的補(bǔ)充空氣，都應(yīng)至少使用 MERV、最好使用 MERV過(guò)濾器過(guò)濾。
圖11a 印刷電路板上的銅蠕變腐蝕
圖11b 通過(guò)孔洞腐蝕電鍍板
擴(kuò)展的 IT 送風(fēng)溫度范圍
擴(kuò)展的 IT 送風(fēng)溫度范圍有助于延長(zhǎng)節(jié)能冷卻模式運(yùn)行小時(shí)數(shù)，并可能降低直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的能耗。但是，提高 IT 進(jìn)氣溫度可能會(huì)增加數(shù)據(jù)中心整體能耗，而且也將提高 IT 設(shè)備故障率。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)人應(yīng)權(quán)衡評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
DX 后備系統(tǒng)配置
提高 DX 后備系統(tǒng)容量會(huì)造成投資成本的增加。根據(jù)某地的室外空氣條件和 IT 環(huán)境設(shè)定值要求，設(shè)計(jì)人員可能別無(wú)選擇，必須使用 100% DX 后備系統(tǒng)，同時(shí)也收獲了更高可靠性。但如果還有其它選擇，我們就需要量化降低風(fēng)險(xiǎn)的成本費(fèi)用。下面提供了直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的投資成本影響（忽略對(duì)于支持?jǐn)?shù)據(jù)中心的上游配電設(shè)備及發(fā)電機(jī)的投資成本影響）。
部分供應(yīng)商可能在其直接或間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)中使用固定 DX 容量，但還有部分供應(yīng)商可能有多種選擇，可根據(jù)具體地理位置和/或配置，降低或提高 DX 壓縮機(jī)容量。這些 DX 壓縮機(jī)容量的改變，可能會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的成本上下浮動(dòng) 7%-13%，或使節(jié)能冷卻項(xiàng)目（不包括機(jī)柜和機(jī)柜氣流遏制系統(tǒng)）的總投資成本上下浮動(dòng) 4%-8%。
部分供應(yīng)商可能還有完全移除 DX 系統(tǒng)的選項(xiàng)，這能夠節(jié)約 20%-35% 的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)成本，或節(jié)約 15%-23%的節(jié)能冷卻項(xiàng)目（不包括機(jī)柜和機(jī)柜氣流遏制系統(tǒng)）總投資成本。
停水
數(shù)據(jù)中心附近的建筑施工項(xiàng)目可能會(huì)造成停水，包括計(jì)劃內(nèi)和計(jì)劃外停水。直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)都使用蒸發(fā)冷卻來(lái)提高冷卻能力和效率。停水風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)安裝備用水，或調(diào)整機(jī)械冷卻系統(tǒng)，使其處理 100%負(fù)載而解決。
對(duì)于滅火系統(tǒng)的影響
使用潔凈滅火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心必須密閉數(shù)據(jù)中心空間，以保持潔凈滅火劑的適當(dāng)密度進(jìn)行有效滅火。對(duì)于直接新風(fēng)系統(tǒng)，這就要求關(guān)閉所有用于向數(shù)據(jù)中心提供新風(fēng)的風(fēng)閥和風(fēng)門；對(duì)于間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)，只需關(guān)閉用于提供補(bǔ)充空氣的風(fēng)閥。
人為失誤
根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)間協(xié)會(huì)的 AIR 數(shù)據(jù)庫(kù)，70%的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行宕機(jī)事件都直接與人為失誤相關(guān)。采用定制化控制系統(tǒng)的直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)造成了操作和維護(hù)的復(fù)雜性。而這種復(fù)雜性有可能使人為失誤增多。相反，整體設(shè)計(jì)的、采用集成節(jié)能冷卻模式的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制控制系統(tǒng)則較少可能發(fā)生人為失誤。
表1 總結(jié)了直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)在各個(gè)特性方面的差異
直接和間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的選擇
在全年氣候適宜的地區(qū)，直接新風(fēng)系統(tǒng)表現(xiàn)最好。但是，因?yàn)榄h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)可能需要完全機(jī)械系統(tǒng)作為后備。部分直接新風(fēng)系統(tǒng)需要與樓宇物理結(jié)構(gòu)一體化，以便獲得所需氣流。間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)因?yàn)楦綦x了室內(nèi)和室外空氣，所以環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低或完全沒(méi)有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。然而，因?yàn)樾枰嘁淮螣峤粨Q過(guò)程，間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)有傳熱效率損失。
本章節(jié)根據(jù)前面章節(jié)和其它研究，說(shuō)明了分別應(yīng)于何時(shí)推薦直接或間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)。對(duì)于制冷解決方案非常低效的現(xiàn)有設(shè)施來(lái)說(shuō)，直接新風(fēng)系統(tǒng)是理想的翻新解決方案，可作為主要制冷方法，將現(xiàn)有低效系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)。以下是針對(duì)新建數(shù)據(jù)中心的建議：
在以下情況下，建議采用直接新風(fēng)系統(tǒng)：
全年室外條件適宜的地理位置
無(wú)需完全機(jī)械制冷作為后備
數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者能夠克服心理障礙，擴(kuò)展其環(huán)境設(shè)定范圍
IT 設(shè)備能夠在 ASHRAE 允許 A2 設(shè)定值等較寬的溫度和濕度范圍下運(yùn)行
數(shù)據(jù)中心所有者能夠承受因外部因素而關(guān)閉設(shè)施的做法
在以下情況下，建議采用間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)：
運(yùn)行關(guān)鍵應(yīng)用或事務(wù)處理，宕機(jī)成本高昂的設(shè)施
室外條件不適宜的地理位置
IT 設(shè)備無(wú)法在 ASHRAE 允許 A2 設(shè)定值等較寬的溫度和濕度范圍下運(yùn)行
結(jié)論
與傳統(tǒng)制冷方式相比，直接和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)都能大幅節(jié)能。選擇應(yīng)該采用直接節(jié)能冷卻系統(tǒng)還是間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)時(shí)，取決于它們的優(yōu)勢(shì)、總擁有成本、相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和其它特性。綜合考慮所有因素，我們認(rèn)為間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)是最佳選擇。
投資成本：在露點(diǎn)超過(guò) ASHRAE 最高推薦露點(diǎn) 15°C （59°F)的地區(qū)，直接新風(fēng)系統(tǒng)需要 100% DX 后備。找到足夠在最壞情況下露點(diǎn)溫度仍低于上述限制的數(shù)據(jù)中心地點(diǎn)，是不切實(shí)際的。因此，如果采用直接新風(fēng)系統(tǒng)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心地點(diǎn)都需要 100% DX 后備系統(tǒng)，很可能使得投資成本高于間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)，而且這還會(huì)增加支持?jǐn)?shù)據(jù)中心所需的上游配電設(shè)備及發(fā)電機(jī)的投資成本。
運(yùn)營(yíng)成本：與直接新風(fēng)系統(tǒng)相比，間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本與地理位置關(guān)聯(lián)度較低。無(wú)法滿足許可露點(diǎn)要求的地點(diǎn)需要 DX 系統(tǒng)（直接新風(fēng)系統(tǒng)）在完全機(jī)械模式下運(yùn)行，從而提高了能源成本。我們對(duì)全球 54 個(gè)城市，包括圖 8 中的城市進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在 43 個(gè)城市中 (占比 80%)，間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)的冷卻負(fù)載系數(shù)要低于直接新風(fēng)系統(tǒng)。
可用性風(fēng)險(xiǎn)：使用直接新風(fēng)系統(tǒng)的可用性風(fēng)險(xiǎn)眾所周知，只能通過(guò)提高成本和運(yùn)行成熟度來(lái)防御。但是，考慮上述兩個(gè)因素，我們認(rèn)為支付這些“安全保證費(fèi)用”會(huì)造成不良財(cái)務(wù)影響。如果數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者無(wú)法承受沒(méi)有這些安全措施情況下，運(yùn)行直接新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，那么選擇間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)就是順理成章的事情。
來(lái)源：施耐德
本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心直接和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式的選擇
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