数据中心制冷技术的应用及发展

本文简要回顾了数据中心制冷技术的发展历程,列举并分析了数据中心发展各个时期主流的制冷技术,例如:风冷直
摘要

随着云计算为核心的第四次信息技术革命的迅猛发展,信息资源已成为与能源和材料并列的人类三大要素之一。作为信息资源集散的数据中心正在发展成为一个具有战略意义的新兴产业,成为新一代信息产业的重要组成部分和未来 3-5 年全球角逐的焦点。数据中心不仅是抢占云计算时代话语权的保证,同时也是保障信息安全可控和可管的关键所在,数据中心发展政策和布局已上升到国家战略层面。

数据中心是一整套复杂的设施。它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备(例如通信和存储系统),还包含配电系统、制冷系统、消防系统、监控系统等多种基础设施系统。其中,制冷系统在数据中心是耗电大户,约占整个数据中心能耗的30~45%。降低制冷系统的能耗是提高数据中心能源利用效率的最直接和最有效措施。制冷系统也随着数据中心的需求变化和能效要求而不断发展。下文简要回顾和分析了数据中心发展各个时期的制冷技术应用,并展望了未来数据中心的发展方向。

2、风冷直膨式系统及主要送风方式

1994年4月,NCFC(中关村教育与科研示范网络)率先与美国NSFNET直接互联,实现了中国与Internet全功能网络连接,标志着我国最早的国际互联网络的诞生。1998~2004年间中国互联网产业全面起步和推广,此时的数据中心正处于雏形阶段,更多的被称为计算机房或计算机中心,多数部署在如电信和银行这样需要信息交互的企业。当时的计算机房业务量不大,机架位不多,规模也较小,IT设备形式多种多样,单机柜功耗一般是1~2kw。受当时技术所限,IT设备对运行环境的温度、湿度和洁净度要求都非常高,温度精度达到±1℃,相对湿度精度达到±5%,洁净度达到十万级。依据当时的经济和技术水平,计算机房多采用了风冷直膨式精密空调维持IT设备的工作环境,保证IT设备正常运行。

风冷直膨式精密空调主要包括压缩机、蒸发器、膨胀阀和冷凝器以及送风风机、加湿器和控制系统等,制冷剂一般为氟里昂,单机制冷量10-120KW。原理如图1所示。每套空调相对独立控制和运行,属于分散式系统,易于形成冗余,可靠性较高,具有安装和维护简单等优点,是这个时期数据中心大量采用的空调方案。缺点是设备能效比较低,COP(Coefficient Of Performance)值小于3.0,室内外机受到管道距离限制。 

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图1  风冷直膨式精密空调原理图

风冷直膨式精密空调室内机一般部署在机房一侧或两侧,机房内的气流组织方式一般采用两种:送风管道上送风方案和架空地板下送风方案。风管上送风方式是指在机房上空敷设送风管道,冷空气通过风管下方开设的送风百叶送出,经IT设备升温后负压返回空调机。该方法的优点在于安装快速,建造成本低。缺点是受到各种线缆排布和建筑层高限制,送风管道截面无法做大,导致风速过高,送风量无法灵活调节。这种送风方式在低热密度的机房应用较多。

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图2  风管上送风案例

地板下送风是另一种,即使是现在,也是大量数据中心项目中仍在使用和新建采用的一种气流组织方式。这种方式利用架空地板下部空间作为送风静压箱,减少了送风系统动压,增加静压并稳定气流。空调机将冷空气送至地板下,通过送风地板通孔送出,由IT设备前端进风口吸入。该方法的优点在于机房内各点送风量可以通过送风地板通孔率调整,同时,通过合理布置数据中心机房线缆和管道,可以少量敷设在地板下,保证美观。缺点是随着使用需求的增长和调整,地板下敷设的电缆不断增加,导致送风不畅,甚至形成火灾隐患。

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图3  地板下送风案例

3、水冷系统

2005~2009年间互联网行业高速发展,数据业务需求猛增,原本规模小、功率密度低的数据中心必须要承担更多的IT设备。此时的单机柜功率密度增加至3~5kw,数据中心的规模也逐渐变大,开始出现几百到上千个机柜的中型数据中心。随着规模越来越大,数据中心能耗急剧增加,节能问题开始受到重视。

传统的风冷直膨式系统能效比COP(Coefficient Of Performance)较低,在北京地区COP约为2.5~3.0,空调设备耗电惊人,在数据中心整体耗电中占比很高。而且,随着装机需求的扩大,原来建设好的数据中心建筑中预留的风冷冷凝器安装位置严重不足,噪音扰民问题凸显,都制约了数据中心的扩容。此时,在办公建筑中大量采用的冷冻水系统开始逐渐应用到数据中心制冷系统中,由于冷水机组的COP可以达到3.0~6.0,大型离心冷水机组甚至更高,采用冷冻水系统可以大幅降低数据中心运行能耗。

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