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大型数据中心节能冷却系统
近年来,数据中心建设成为全球各行业的 IT 建设重点,国内数据中心建设的投资年增
长率超过 20%,金融、制造业、政府、能源、交通、教育、互联网和运营商等各个行业都在
规划、建设和改造各自的数据中心,数据中心已经成为企业 IT 系统的心脏。然而,随着企
业信息化发展的不断深入和信息量的爆炸式增长,数据中心的建设正面临着前所未有的挑
战,而为数据中心配套服务的通风空调系统同样也正面临巨大的变化与挑战。
挑战之一:数据机房的高负荷密度和高可靠性要求。数据机房的发热负荷密度已从以前
的每平方米几百瓦提高到目前的几千瓦,数据机房设备正在朝着高密度、集成一体化及系统
模块化的方向发展,机房的通风空调设计完全脱离了常规的方法。同时数据机房的建设涉及
到金融、通讯、政府等行业,这些行业的重要性决定了数据机房运行时的高可靠性、高安全
性,其中当然包括环境的温湿度、洁净度的可靠性和稳定性。这些都对暖通专业的设计提出
了新的挑战。
挑战之二:在我国大力提倡节能减排、建设绿色家园的今天,对于全年能耗巨大的数据
机房,通风空调设计具有相当的挑战性。从目前完成的工程项目看,设计人员在这方面已经
做了很好的尝试,如充分利用自然冷源、采用专供的高温冷水机组等,都体现了设计人员的
智慧。
一、PUE
目前就职于微软的数据中心最有影响的专家 Chrisan Belady 在 2006 年提出数据中心能
源利用率(PUE)的概念。如今,PUE 已发展成为一个全球性的数据中心能耗标准。数据中
心的 PUE 的值等于数据中心总能耗与 IT 设备能耗的比值,比值越小,表示数据中心的能源
利用率越高,该数据中心越符合低碳、节能的标准。
目前国内一些小规模的传统数据中心,PUE 值可能高达 3 左右,这意味着 IT 设备每消
耗 1 瓦特电力,数据中心基础设施便需要消耗 2 瓦特电力。据网络上收集的相关信息,目前
GDS 在建的 4 个机房在与第三方设计单位签约时,都是按照 PUE 值等于 1.8 的标准进行规划
的。世纪互联近五年建设的水冷数据中心的 PUE 值在 1.5 左右。鹏博士酒仙桥大型数据中
心的 PUE 设计值不超过 1.5。根据收集相关网站信息,全球最最节能的 5 个数据中心分别是:
雅虎“鸡窝”式数据中心(PUE=1.08)
■
雅虎在纽约洛克波特的数据中心,位于纽约州北部不远的尼亚加拉大瀑布,每幢建筑看
上去就像一个巨大的鸡窝,该建筑本身就是一个空气处理程序,整个建筑是为了更好的‘呼
吸’,有一个很大的天窗和阻尼器来控制气流。
Facebook 数据中心(PUE=1.15)
■
Facebook 的数据中心采用新的配电设计,免除了传统的数据中心不间断电源(UPS)和配
电单元(PDUs),把数据中心的 UPS 和电池备份功能转移到机柜,每个服务器电力供应增加了
一个 12 伏的电池。同时 Facebook 也在使用新鲜空气进行自然冷却。
谷歌比利时数据中心(PUE=1.16)
■
谷歌比利时数据中心竟然没有空调!根据谷歌公司工程师的说法,比利时的气候几乎可
以全年支持免费的冷却,平均每年只有 7 天气温不符合免费冷却系统的要求。夏季布鲁塞尔
最高气温达到 66 至 71 华氏度(19-22℃),然而谷歌数据中心的温度超过 80 华氏度(27℃)。
惠普英国温耶德数据中心(PUE=1.16)
■
1
惠普英国温耶德数据中心利用来自北海的凉爽的海风进行冷却。
微软都柏林数据中心(PUE=1.25)
■
微软爱尔兰都柏林数据中心,采用创新设计的“免费冷却”系统和热通道控制,使其
PUE 值远低于微软其他数据中心的 1.6。
从上面可以看出,降低 PUE 最有效的措施是采用免费自然制冷措施和替代传统的 UPS
系统。对于数据中心,其能耗一般由 IT 设备能
源消耗、UPS 转化能源消耗、制冷系统能源消
耗、照明系统和新风系统的能源消耗以及门禁、
消防、闭路电视监控等弱电系统能源消耗五部
分组成。如果需要降低 PUE 的值,就需要从以
下四个方面采取措施。
采用转换效率高的 UPS 系统。目前,新
■
一代数据中心的设计基本 采用新型的高频
(IGBT 技术)UPS 系统,电源转换效率和功率
因数都比传统的工频(可控硅技术)UPS 系统
有非常大的提升,而且重量轻和体积小。由于
UPS 的电源转换效率和负载率成正向关系,因此在设计和运维时要尽可能提高 UPS 的负载
率。目前国内电信和联通都在提倡使用高压直流 UPS 系统,取消了传统意义上 UPS 的逆变
功能,不仅电源转换效率提高 3 到 5 个百分点,而且可靠性大大提高。上面介绍 Google 和
Facebook 干脆在数据中心取消了传统的 UPS 系统,把电池和服务器的电源相结合,在正常
运营时完全没有额外的能源消耗。
采用高效节能的绿色制冷系统。主要是采用水冷空调和自然制冷措施,下面做详细
■
介绍。
采用 LED 绿色节能光源取代或部分取代传统光源,据了解,目前在世纪互联和鹏博
■
士的数据中心部分机柜上已经安装 LED 光源。另外就是运维管理,做到人走灯关,根据人员
情况确定新风系统的运行时间和风量。
弱电系统总的能源消耗很小,一般不需要过多关注。但是如果可能的话,最好采用
■
集中的高效直流供电系统,因为一般分布式的小型直流电源系统转换效率低,功率因数也低。
等级
1 级
2 级
3 级
4 级
5 级
简称
淡绿
浅绿
草绿
碧绿
深绿
PUE 值范围
1.8>PUE≥1.7
1.7>PUE≥1.6
1.6>PUE≥1.5
1.5>PUE≥1.4
PUE<1.4
二、空调系统解决方案
(一)、 风冷精密空调
这是数据中心最传统的制冷解决方案,单机制冷能力一般都在 50 到 200KW 之间,一个
数据机房一般都是安装多台才能满足需要。下面是风冷精密空调的工作原理图。
2
风冷精密空调一般采用涡旋压缩机制冷(一般安装在精密空调内),能效比相对比较低,
一般在 1.5 到 3 之间(夏天低,冬天高)。风冷精密空调在大型数据中心中使用存在以下不
足:
安装困难。大量的室外冷凝器安装需要非常大的场地,铜管过长不仅影响制冷效率,
■
成本高,安装难度大,而且影响建筑物外观。室外冷凝器的安装位置受空间限制,极可能出
现热岛效应,大大降低制冷效率。
精密空调内部风机盘管的工作温度大大低于露点温度,大量产生冷凝水,为了维持
■
数据中心的湿度,需要启动加湿功能。除湿和加湿都要消耗大量的能源。为了加湿,需要将
自来水进行软化,即便如此,还需要经常清洗加湿罐中的水垢。
(二)、水冷空调系统
1、大型数据中心的水冷空调系统一般由以下五部分组成,示意图如下。
离心式冷冻机组,一般为 N+1 配置,有一台备机,安装在冷站机房。
■
■
冷却塔,安装在室外,一般一台冷冻机组对应一组冷却塔(便于维修和保证备机系
统正常待机)。冷却水通过冷却塔来降温,由于水在大气中蒸发,因此要设计安装水处理系
统来除垢、除沙尘、除钠镁离子和病菌等,否则将大大降低制冷效率。另外,由于数据中心
是全年连续运行,还要设计冬季防结冰措施。
环形冷冻水管道或备用冷冻水管。
■
水冷精密空调机。其实就是一个温差小风量大的大型风机盘管,一般推荐采用地板
■
下送风和天花板上回风。为了保证 IT 设备的绝对安全和便于设备检修,推荐设置物理上独
立的空调设备间,四周做拦水坝,地面做防水处理和设置排水管道,安装漏水报警设备。推
3
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