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1 引言
隨著低碳經濟的來臨,國家對節能減排工作日益重視。2009年12月哥本哈根氣候變化會議上,中國政府承諾到2020年,單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。
隨著新一代移動通信和下一代互聯網等新技術蓬勃發展以及視頻、圖像等新業務新應用帶來數據業務快速增長,大規模數據中心的建設使得集成度高、能耗大的數據單架設備大量增加,能源消耗總量呈指數增長。綠色數據中心已經成為數據中心發展的必然。
眾所周知,空調系統是數據中心中能耗占比較大系統,僅次于IT系統。因此本文將重點闡述數據中心供電制冷系統中應用的主要節能技術的原理、應用情況以及其標準化工作進展情況等。
2 數據中心制冷系統架構及節能技術
據美國采暖制冷與空調工程師學會(ASHRAE)技術委員會9.9(簡稱TC9.9)統計報告顯示,數據中心各部分的用電量分布大致如圖1所示。
由圖可見,IT系統、空調系統和供電系統是數據中心能耗大戶。
本文主要介紹數據中心制冷系統總體架構,其典型的系統架構如圖2所示。3 數據中心制冷系統節能技術
為了滿足IT設備正常運行環境條件,數據中心需配備制冷系統。多個國內國標標準中提出了對數據中心的環境條件要求,如在GB/T50174數據中心設計規范中提出數據中心主機房的環境溫度應保持在18～27℃,允許工作溫度為15～32℃;而在ITU-TL.1300《數據中心最佳實踐》標準中提出最佳環境溫度范圍為18～32℃;在YD/T1821標準中提出的大型和超大型數據中心環境溫度范圍為18～26℃,中小型數據中心環境溫度范圍為15～27℃。在滿足數據中心環境條件要求的基礎上,各綠色數據中心開展了一系列的節能舉措。
其中,應用比較廣泛的節能技術有近端制冷技術、氣流組織控制技術、自然冷卻技術和相變材料冷卻技術等。這里將針對上述技術的原理、數據中心應用情況及相關標準化工作進行詳細的介紹。
(1)近端制冷技術
傳統數據中心的空調制冷率低,散熱能力有限,無法滿足中高熱密度機柜的散熱需求,容易出現機柜局部過熱的情況,使機柜無法負載過多的服務器設備,從而導致機柜的容積率和機房的空間利用率降低。
①列間制冷技術
目前行業通常使用的一種制冷技術為采用把制冷設備安裝在機柜間,靠近服務器熱源,向電子設備提供諸如空氣循環、空氣過濾、冷卻、再熱及濕度控制的溫控設備,簡稱“列間制冷設備”。列間制冷技術在冷通道封閉采用組合模塊對冷通道區域進行封閉處理,隔離機柜的冷熱通道,有效地減少冷量浪費,極大地提高了精密空調的效能,把空調設備安裝到IT設備近端,滿足數據中心機房不斷上升的散熱要求。具體平面俯視圖如圖3所示。
該項技術已在中國通信標準化協會立項為《通信高熱密度機房溫控設備第1部分:列間式溫控設備》標準,目前已進入報批階段。該標準中規定的工況條件為冷水式列間空調表冷凝器進水溫度為7～21℃,水冷式列間空調冷凝器進水溫度為4～34℃,風冷式列間空調室外冷凝器環境溫度為-15～+45℃;配置適于低溫運行的選配件或方案,可適應最低室外環境溫度至-35℃。其規定的主要指標如能效比如表1所示。其冷風比要求為在標準測試工況下,不應大于5。
②背板熱管制冷技術
該技術利用熱管原理,結合通信機房設備發熱量大,需全年不間斷制冷的熱環境特點,當室外溫度低于機房溫度時,熱管中的液態工質在室內的蒸發端吸收熱量后蒸發變為氣態,上升至室外的冷凝端,氣體工質經冷凝后將熱量釋放至室外環境變為液態,并在重力作用下流回室內,完成室內熱量轉移至室外環境的制冷循環。同時,該產品充分考慮機房機柜的背板排風溫度最高,設備的熱量都由背板處排至機房環境的工藝特點。因此將熱管蒸發端布置在熱管背板處,直接吸收設備散發的熱量,提高熱管換熱溫差與熱管的換熱效率。其原理如圖4所示。
該項技術同樣已在中國通信標準化協會立項為《通信高熱密度機房溫控設備第2部分:背板式溫控設備》標準,目前已討論通過征求意見稿。在標準中所涉及的熱點問題為機柜的出風口溫度、顯熱比、能效比、安全要求等部分。由于該標準目前還在討論過程中,因此對于一些指標的具體要求不宜進行詳細的描述。
③頂置式制冷技術
這是一種將空調末端部署位置從遠離負荷中心的機房兩側移至機柜頂部的空調末端側的優化技術。該技術通常應用于封閉熱通道的模塊化機房,送、回風方式是從熱通道內部回風,往兩側送風。頂置冷卻單元與列間空調系統制冷循環很相似,但頂置冷卻單元僅由表冷盤管、水路調節裝置、溫濕度傳感器等組成,設備本身不再配置風機,表冷盤管設置于機柜頂部。IT機柜風扇將排出的熱空氣聚集到封閉的熱通道內,通過熱壓的作用,熱空氣自然上升,經過機柜頂部的頂置冷卻單元表冷盤管降溫后,因熱壓作用開始下降,并再由IT機柜風扇吸進IT設備降溫,實現垂直方向的空氣循環。頂置式空調因其本身就沒有配置風扇,熱壓作用維持了空氣的自然流動循環,降低空調末端設備的能耗消耗。具體原理圖如圖5所示。
該項技術同樣已在中國通信標準化協會立項為《通信高熱密度機房溫控設備第3部分:頂置式溫控設備》標準,工業和信息化部已下達計劃編號,且為部重點項目。
(2)氣流組織控制技術
數據中心一般采用冷熱通道封閉方式,可采用冷通道封閉或熱通道封閉等。而從送風方式分為下送風方式(示意圖如圖6所示),上送風方式(示意圖如圖7所示)。
而對于機柜的送風方式主要分為前進風機柜排列(如圖8所示),下進風標準機柜排列(如圖9所示)。
關于氣流組織控制方式,中國通信標準化協會立項為《通信電源及機房環境節能技術指南第5部分氣流組織》標準,目前已進入報批階段。該標準中規定了氣流組織的基本原則、機柜的功率密度、氣流組織形式(分為下送上回風方式、上送下回風方式、機柜排級送風方式)和機柜送風方式等。
(3)冷卻塔自然冷卻技術
大型數據中心應用較為廣泛的水側自然冷源制冷技術,在常規空調冷水系統基礎上增設部分管路和設備,當室外濕球溫度低到某個值以下時,關閉冷水機組,以流經冷卻塔的循環冷卻水直接或間接向空調系統供冷,提供機房空調所需的冷負荷。用冷卻塔來替代冷水機組供冷,達到降低能耗的目的。
冷卻塔供冷大致有如下3種方式:①開式冷卻塔加過濾器;②開式冷卻塔加熱交換器;③閉式冷卻塔直接供冷。最常見的冷卻塔供冷方式是開式冷卻塔加熱交換器。詳見圖10。
傳統數據中心的冷凍水溫度一般為7/12℃,以北京地區為例,全年39%的時間可以利用自然冷卻,如果將冷凍水提高到10/15℃,全年自然冷卻時間將延長至46%。同時由于蒸發溫度的提高,冷水機組COP可以提升10%。另一方面,隨著服務器耐受溫度的提升,冷凍水溫度可以進一步提高,全年自然冷卻的時間也將進一步延長。目前國內技術領先的數據中心已經將冷凍水溫度提高至15/21℃,全年自然冷卻時間可以達到70%甚至更長。
關于該項技術在中國通信標準化協會歸口并在工業和信息化部立項研究的行業標準《通信電源及機房環境節能技術指南第2部分應用條件》(修訂)標準中提出了應用條件、同模式間的平穩轉換和防凍措施等。目前該標準處于報批階段。
(4)相變材料技術
相變材料制冷系統在正常工作時(供電正常時),給電信設備制冷的同時,使相變材料蓄冷能,冷能蓄滿后,不再吸收冷量;在斷電時,通過冷媒循環,逐步釋放相變材料的冷量,吸收通信設備產生的熱量,使通信設備的環境溫度滿足基本要求,直至完成釋冷過程。恢復供電后,冷媒溫度逐步降低,逐步完成蓄冷過程,直至過渡到正常狀態。
工業和信息化部于2016年發布了YD/T3033-2016《通信局(站)用相變蓄能設備》標準,主要定義了其工況條件,蓄能密度(不小于25kWh/m3),釋冷過程時間和蓄冷過程時間等參數指標。但此項技術目前應用的范圍不是很大。
4 結束語
本文對數據中心基礎設施制冷系統中所涉及的節能減排的技術進行了分析,并對與此相對應的標準化工作進行了介紹和解讀,希望能給數據中心領域內的研發和應用技術人員提供參考。