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数据中心高效制冷之道

来源:本站 日期:2013/4/11 11:35:39 作者:eastnet

摘要:实现数据中心高效制冷,就需要了解数据中心制冷的原理。本刊特约专家中科院计算所教授唐玛俐在接受采访时表示,有些用户由于对暖通空调不够了解,既不知道数据中心热负荷如何估算,也不了解空调送风和回风阻力。曾经有一个数据中心用户,为了追求美观,用玻璃隔断对数据中心装修,恰恰阻断回风通路,导致数据中心设备报警不断。

标签数据中心 制冷

  实现数据中心高效制冷,就需要了解数据中心制冷的原理。本刊特约专家中科院计算所教授唐玛俐在接受采访时表示,有些用户由于对暖通空调不够了解,既不知道数据中心热负荷如何估算,也不了解空调送风和回风阻力。曾经有一个数据中心用户,为了追求美观,用玻璃隔断对数据中心装修,恰恰阻断回风通路,导致数据中心设备报警不断。

  数据中心制冷在暖通空调领域只是一个想对比较小的市场。但确实一个要求比较高的市场,数据中心要求恒温恒湿,按照2008年11月12日发布,1009年6月1日实施的电子信息系统机房设计规范(GB50174-2008)的要求,开机时主机房温度为23℃±1℃,湿度为40%~55%。

  数据中心可以采用的制冷方案,按照冷却方式进行划分,可以分为直接膨胀式以及冷冻水,以及双冷源系统、乙二醇自然冷却系统等。其中,直接膨胀式系统又可以分为风冷式和水冷式。由于暖通空调行业涉及很多传热传质、流体、环境、大气、温湿度等复杂知识,而数据中心IT设备需求有其独特的特点,因此数据中心制冷,跨暖通和IT两个行业,需要复合型的人才。

  水与风的博弈

  以往IT业界对空调知识不够重视,了解有限。IT业内经常把风冷和水冷进行对比,特别是刀片服务器的应用,对数据中心机架散热提出了更高要求,液冷门散热方式更多被讨论。但是实际上,除了液冷门方式之外,行级制冷,也就是InRow也是被提及最多的技术。行级制冷空调直接被放置机柜排列中,紧邻高密度机架放置。行级制冷采用水平送风方式,送风距离短、循环风阻小,具有更高的效率。但也经常可以看到针对行级制冷的一些非议,最典型的就是,行级制冷采用水冷方式,由于贴近IT设备摆放,一旦漏水,会危及IT设备可靠稳定运行。在有关机房管理标准中,明令禁止水进入机房。

  水冷、风冷这并不是一个非常严谨的描述。水冷式、风冷式以及冷冻水方式,其实都是依靠冷风对数据中心设备提供制冷的。以行级制冷为例,其实也可以采用风冷的方式。

  选择数据中心精密空调,并不在于水冷、风冷,还是冷冻水。精密空调有室外机和室内机的分别,其中,IT设备运新所产生的热量是通过室内机空气循环带走的,精密空调产生冷空气,吹过机架之后成为热空气,热空气形成热会风,回到精密空调。

  室外机需要负责带走热回风的热量,并生成制冷所需要的冷风(冷空气)。如果是通过压缩机配合冷媒(如氟里昂等),这就是直接膨胀式的原理。冷媒带走的热量,最终也是要散布到室外空气中的,用风带走冷媒热量,就是风冷式,如果采用水,就是水冷式。其中,水冷式有开式和闭式的分别,前者采用冷却塔,后者采用干冷器。

  如果不采用冷媒,而是直接采用冷水代替压缩机和冷媒,这就是冷冻水的方案,这里冷水被称为冷冻水。在直接膨胀式的方案中的冷水,被称为冷却水。冷冻水由冷冻机组来提供。

  从以上分析可以看出,所谓水不能够进入机房是想对而言。水不进机房,仅仅是不进入部署IT设备的空间,水还是要进入到室内机,除非室外机也采用风冷的方式。如果室外机也采用风冷的方式,就需要具有相应的室外空间来摆放风机。在以往的采访中,记者就曾经接触过这样的案例,中石油川庆物探华阳数据中心机房就是因为受限制于室外空间,导致空调制冷不足,限制了数据中心机房的计算能力。所以,室外机采用风冷对空间有一定的要求。

  采用风冷、水冷还是冷冻水方案,需要根据实际情况进行判定。但有一点可以肯定,水和风并不是数据中心制冷的焦点。除了液冷门方式之外,IT设备运行所产生的热量,还是需要通过冷空气带走的,这才是重点。

  制冷先“治气”

  数据中心用户需要关注的是,数据制冷不仅与温度相关,还与风量有关。经常可以看到有些数据中心用户,特别是一些中小机房用户,会选用家用空调设备对数据中心设备进行制冷,这就是只注意了温度,而没有注意风量。

  家用空调与机房专业的精密空调的最大差别就在于风量。家用空调风量比较小,以人感觉舒适为宜。与之相比,精密空调风量就比较大。风量是精密空调的很重要的指标。

  对于数据中心机房IT设备而言,要带走设备所产生的热量,与两个因素有关风量、以及风的温度。

  某个机柜/机架所需要的风量,与该机柜的功耗、空气的比热容、空气密度以及机柜出风口与进风口的温度差有关,其中,机柜的功耗、空气的比热容、空气密度在房内基本上是不变的,因此,所需要的风量就只与机柜出风口与进风口的温度差有关。对IBM服务器而言,所要求的进出风温差为11℃。

  在保证了风量的同时,保证进风温度,就可以满足机架设备散热的需求。

  在实际的工作中,进风温度可以满足需求,但仍然产生了过热现象,就是受制于冷风气流的影响。与冷水相比,冷风气流难以被约束。冷风气流的对流、短路,以及与热回风气流的混合,均会造成散热偏离设计值,产生局部热点,影响数据中心的稳定运行。与此同时,对流、短路所造成浪费,也会将降低空调机的工作效率,浪费电能。

  就数据中心机房而言,如果对气流不加控制,采用类似家庭空调的上送风方式,则冷/热风混合情况严重。机柜所吸收往往是这种混合后的气体,制冷效率自然不高。严重者会威胁设备的稳定运行。

  采用冷热通道交替,机柜“脸对脸、背对背”摆放,通过高架地板,形成冷风净压箱的方式,采用下送冷风,上回热风的方式,其效果大大改善。但是需要注意的问题是,由于流速的问题,有时会导致部分出风口风压不足,影响散热的效果。在实际工作中,部分出风口会采用采用ADU(辅助送风单元),增加出风量。但在此专家也提醒用户,慎用ADU,因为它的使用会对地板下冷风净压产生影响,会影响到其它出风口的风量。

  此外,采用下送风、上回风的方式,需要注意在机柜上部,冷风与热回风仍然会混合,影响机柜上1/3部分设备的散热效果。为了消除气流混合,应该对冷通道或者热通道进行封闭,组织气流混合。

  这种“下送风、上回风”的气流控制方式,是目前普遍采用的方案,此外辅助以冷通道或者热通道封闭的方式。

  采用行级制冷,可以支持更高的功率密度,由于送风距离短、循环风阻小,因此具有更好的绿色节能效果。行级制冷采用水平送风方式,如此就不需要高架地板,更能够节省数据中心空间。但对于行级制冷来说,由于邻近机柜设备摆放,与室外机连接施工会变得复杂。

  除了上述方式之外,采用送风管道,以冷池的方式提供制冷气流控制方案,在早期机房设计中,也经常采用。与“下送风、上回风”方式相比,这种方式更能够控制气流,但由于管道的存在风阻会加大。此外,控制气流的阀门调节,也是一个非常复杂的事情。由于种种局限,影响了管道式气流控制方式的应用。但随着技术改进,特别是智能控制系统的应用,也使得管道送风变得更具有效率。对于一些早期的机房而言,已经采用上送风的方式,通过加设送风管道,可以有效解决局部热点的问题。

  据北京东方新旭总经理潘华建所提供的数据,上送风集中制冷可以支持的机架功率密度是3~6KW;冷热通道隔离,下送风可以支持10~15KW;加装ADU,可以支持10KW;封闭冷通道或者ADU,下送风加冷池,可以支持20~25KW,完全可以满足机柜满配刀片服务器的应用需求。由于多组刀片服务器,很少全部满负荷工作,因此这样的制冷能力,支持刀片服务器应用绰绰有余。

  与机架式服务器相比,刀片服务器具有更好的绿色节能特性,以及更好的可管理特性。因此在可能情况下,应该优选采用刀片服务器。配合刀片服务器应用,改善制冷方式,特别是气流控制,将可以显著改善数据中心机房的PUE。

  FreeCooling制冷之道

  为追求数据中心绿色节能,FreeCooling备受推崇。Yahoo、Facebook等最新的数据中心机房,PUE 可以达到令人惊叹的1.07,最主要的就是采用FreeCooling方案。

  据了解,1.07的数据中心机房,基本上就是采用外部冷空气对数据中心设备进行制冷。但这种做法,适用于Yahoo、Facebook、Google等互联网企业,并不意味着具有普遍推广价值。 机器设备暴露在空气中,对温度、湿度以及空气洁净度都有一定的要求,很难做到恒温恒湿,对机器的可靠性是有一定影响的。依靠牺牲可靠性,换取更好的绿色节能效果,对于互联网企业是可取的,因其应用不是关键业务应用,此外分布式部署,也使得个别服务器故障,并不影响业务。通过负载均衡,系统可以克服局部服务器故障。

  如果用户业务应用,对服务器可靠性要求比较高,就必须保持机房恒温恒湿环境,没有办法直接采用外部冷空气。也就是说,FreeCooling方案不能够影响数据中心机房的密封环境。

  在保持数据中心机房密闭环境的前提下,数据中心FreeCooling之道,就存在很多不同的方案。

  京都冷却系统

  FreeCooling不仅与空调方案有关,与数据中心的建筑也有关。美国库根建筑事务所有限公司大中华区总裁金丽昌表示,与国外相比,国内用户对绿色建筑重视不够。

  “美国纽约早期的建筑也令人感觉压抑,但近年来,通过绿色建筑改造,纽约环境得到很大改善,人类生活更加舒适。” 金丽昌说。中国没有必要重复纽约先建设后改造的发展模式。

  目前国内对数据中心建筑重视不够,很多数据中心机房都是在办公楼基础上改造而成,在设计之初,没有充分考虑到数据中心的需求,没有兼顾数据中心绿色运维要求。

  金丽昌指出,兼顾绿色运维、节能减排的需要,是没有建筑设计师的使命和义务。建筑设计师有责任义务为绿色节能做出应该有贡献。

  “数据中心建筑设计,就应该充分考虑数据中心的特点,在设计上,就应该考虑到FreeCooling的需要。”金丽昌说。

  据了解,美国库根给国内很多大型数据中心提供了建筑设计方案,结合世界上先进高效的数据中心机房冷却解决方案——京都冷却系统(KyotoCooling),具有85%的节能效果。其中,京都冷却系统利用小型马达转动轮子,把数据中心设备所产生的热量散发到外面。高效、高容量和低压的风扇被用来通过轮子移动气流,在那里,热量传导到高表面面积波纹铝装置并得到冷却。这种热轮装置技术,在办公室和工业环境的热回收领域已经有四十多年历史。通过简单的自主性和自我控制,能够确保能够动态调整以适应不断变化的数据中心内外部的不同条件。

  京都冷却系统能够提供从90KW到850KW之间的各种解决方案,在北美和欧洲范围内,采用该技术设计得数据中心,其能源效率(PUE)可以达到1.05~1.15。

  “绿色数据中心从建筑开始,国内数据中心用户要树立这样的意识。” 金丽昌说。据了解,京都冷却系统的轮转转轮,所要求层高是6米,如果不是从建筑之初进行考虑,这种方案很难得到应用。

  世图兹间接动态自由冷却DFC

  轮转换热是一种FreeCooling方式。除此之外,还有很多方式。例如德国世图兹(STULZ)所推出的间接动态自由冷却(DFC)方式。它综合了混合间接自由冷却精密空调机组、风机速度受控型干冷器以及速度受控型中心泵,形成一种高效率的精密制冷系统。

  DFC系统主要包括安装在数据中心机房侧的室内机组、安装在建筑物外的干冷器、室内机组与干冷器之间的封闭液体管路、以及乙二醇循环泵等。室内机组侧主要包括高温季节压缩机制冷循环系统组件、板式换热器,以及低温季节运行的表冷器和两个二通水量调节阀等。

  DFZ系统可根据数据中心机房室内温度、实际负载统筹控制系统所有的动态部件(室外干冷器EC风机、循环变频水泵、室内侧EC风机、水量调节阀、压缩机的开关)。根据室外温度变化,通过调节压缩机、室内外EC风机、循环水泵等部件,来达到节能的效果。其中,在室外机温度较低,压缩机停止运行,室外风机低速运行,系统具有最好的绿色节能效果。

  “世图兹DFZ系统在长江以北地区,非常具有推广的价值。” 世图兹中国区售前技术支持经理曾春利 说。

  施耐德EcoBreeze解决方案

  施耐德“EcoBreeze”是另外一款FreeCooling解决方案,这是一个“间接制冷”系统,它不是将室外气流送入静压地板,而是利用IEC热交换器来防止IT气流和室外气流混合。

  施耐德的这个系统的首选制冷方式是“空对空(air-to-air)”制冷,也可以采用间接蒸发制冷。自由制冷可以保证数据中心实现高效, EcoBreeze很多创新功能也能够进一步提高数据中心制冷效率,例如每个发动机都配置变速驱动器,不论是压缩机还是风机,它们的功率都能被调节到正确水平。

  施耐德“EcoBreeze”在室外安装,不需占用室内空间。它基于50KW的独立模块进行设计,允许按照数据中心的实际使用需求组合扩大。它的容器式外观便于运输,安装也非常快速。EcoBreeze的最大进步就是为自由冷却解决方案提供了一个标准化的“普适”产品,而不需要像过去一样每个项目都进行漫长的重新设计。

  阿尔西热管空调系统

  热管空调系统是阿尔西推出的非常具有特色一款节能产品。它由室内机组与室外机组组成,两部之间用2根气体管和液体管连接,从而使室内机与室外机形成一个密封管路系统,其内部充入适量制冷剂。

  室外机组安装于比室内机组高一些的位置。当室外温度低于室内温度时,制冷剂会在室外机的传热管路内部凝结成液体,并自然往下流动,然后通过液体管自然向下自然流动到室内机组的下部,并进入室内机组。同时,室内机组的传热管内部的制冷剂液体吸收室内空气中的热量,变成气体,并沿室内机组的传热管及气体管路自然向上流动到室外机组的上部,进入室外机组的传热管,再次被冷凝成液体向下流动。如此,制冷剂不断循环,将室内空气中的热量转移到室外空气中,从而使室内温度降

  考虑到能量效率的因素,该产品的风机一般只在室外温度比室内温度低 4℃以上时才工作(就是说:当室外温度比室内温度低4℃时,其能效比一般情况下比采用压缩机制冷更高,采用强制通风换热更合算;相反,如果内外温差小于4℃时,本产品强制换热不合算)。

  采用热管空调系统,室内与室外之间只有两根小管路连接,与整体式换热机组相比,不需要在墙上开大型通风口,墙面孔洞的处理容易很多,只需要在墙面开两个制冷剂管路进出小孔,室内的安装与布局灵活性大大增强。此外,机器的一部份安装在室外,整机在室内的安装空间也大幅度减小。该产品在室内外温差达10℃时,其能效比可达10 以上,远高于压缩机制冷的能效比;而且温差越大,能效比越高。

  “热管空调系统优势特色明显,非常适合国内用户使用。”阿尔西制冷工程技术(北京)有限公司国内销售副总监朱洪波博士说。“除了热管空调系统之外,合理地使用新风系统,同样可以实现良好的节能目的,新风系统的综合能效比可以达到20 以上,通过此系统可以有效减少空调的运行时间,节约空调用电的同时延长空调的使用寿命,减少空调的维护费用,从而减少客户开支,提高能源利用率。”

  总之,数据中心高效制冷应该引起国内用户的高度重视。对此,本刊特约专家中科院计算所教授汤钟才指出,数据中心高效制冷不仅是节能的问题。只有采用高效制冷,数据中心机柜/机架空间才可以得到充分利用。对于寸土寸金的数据中心而言,可以有效延长机房的使用寿命。此外,改善数据中心制冷,对于数据中心7~24小时稳定运行,也具有重要的意义。

                        
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