浅谈数据中心制冷系统的节能冷却模式与应用

摘要

数据中心作为通信系统的重要组成部分，承担着繁重的通信任务。数据中心能耗大，对机房环境的要求比较高，尤其对制冷系统的要求也特别高，是通信行业节能减排的重点部位，应得到通信运营商的普遍关注。本文就数据中心制冷系统的节能冷却模式及实际应用问题进行描述与分析。

前言

节能减排作为我国的一项基本国策已经推进将近十年了，各行各业围绕这项基本国策进行了卓有成效的工作，取得了令人满意的成绩，通信行业也不例外。然而，能源成本的不断攀升以及人们对绿色环保的愈加重视程度，促使节能需求越来越强烈。如何在通信机房的数据中心搞好节能减排一直是通信界普遍关心的问题。通过研究表明，数据中心的节能冷却模式在某些天气条件下的节能潜力对 IT 环境非常具有吸引力。如果在数据中心配置了节能冷却模式，寒冷月份可以利用室外空气制冷，让需要使用制冷剂的制冷组件，比如冷水机和压缩机，可以关停不用或在以较低负荷运行，从而起到很好的节能减排效果。

数据中心节能冷却模式的基本概念

尽管节能冷却模式的概念已经在数据中心行业内得到认可，但是相关的术语还未标准化并且定义也容易引起混淆。其中最容易引起混淆的一点是使用“节能冷却”这一术语来形容制冷系统内的一个组件或制冷系统的子设备。而实际上“节能冷却”不是指一个物体，而是指一种运行模式。节能冷却模式有时也被称作“自然冷却”。这个术语可以用来说明节能冷却模式的一般情况，但应注意以下两点：其一，节能冷却模式下，制冷机组的压缩机会部分或完全转为旁通运行。大多数使用节能冷却模式的系统大部分时间是将压缩机部分转为旁通运行，因此节省了部分能源，但是制冷并不是“免费”的。其二，即使节能冷却模式将压缩机完全转为旁通运行，在利用风机或泵排放热量时还是会有所耗能，并且很可能还会用到其它需要耗能的功能 ，比如加湿，也就是说即使在完全节能冷却模式下，制冷也并不是“免费”的。只不过是节能冷却模式节省了大部分的制冷能耗，提高了能源利用率。

数据中心制冷系统具备的基本要素

要搞清楚数据中心的节能冷却模式，有必要知道制冷系统的基本要素及原理。通过归纳我们知道：第一要素为排热：即利用制冷系统的风机或泵，通过电能将流体（比如空气或水）携带的热量从数据中心室内运送至室外环境，达到热量排放的目的。第二要素为换热：即利用盘管或通风孔将热量从一道热流体转换到下一道热流体。不论哪种，最后都需通过热交换将热量排到室外。第三要素为压缩机：即制冷系统使用制冷剂的高压和低压形态使热量逆势从冷区（数据中心）流向热区（夏天户外）。高压制冷剂比室外温度高许多。正是这种“温度提升”让热量可以从数据中心流向室外环境。第四要素为蒸发辅助：即利用冷却塔、湿式过滤器或喷头将水蒸发以帮助将热量排到室外。

数据中心的主要几种节能冷却模式及支持的节能运行

数据中心的节能冷却模式大体上可以分为风侧节能冷却模式和水侧节能冷却模式。风侧节能冷却模式又可以分为以下三种：

1、采用直接新风作为空调的旁通

这种节能冷却模式有时也称作“直接通风”模式，它是当室外空气条件在设定值范围内时，利用风机和百叶从室外经过过滤器抽取一定数量的冷风并直接送入数据中心。这种类型的节能冷却模式也可以结合蒸发辅助一起使用，这样室外空气在进入数据中心前需要先穿过潮湿的网状介质，它支持在部分节能冷却模式下运行。

2、采用空气换热器作为空调的旁通

这种节能冷却模式有时称作“间接通风”模式，它是当室外空气条件在设定值范围内时，利用室外空气间接为数据中心制冷。这种模式使用风机将室外冷风吹到一组板或盘管上面，冷却板或管的另一侧的数据中心内的热空气，将数据中心内的空气与室外空气完全隔离。这种类型的节能冷却模式也可以与蒸发辅助结合使用，它既能支持在完全节能冷却模式下运行也支持在部分节能冷却模式下运行。

3、采用热轮换热器作为空调的旁通

这种节能冷却模式是当室外空气条件在设定值范围内时，利用风机将室外冷风吹入热轮换热器，以使数据中心空间保持较为干燥的环境。这种类型的节能冷却模式也可以与蒸发辅助结合使用，室外空气在进入数据中心前需要先穿过潮湿的网状介质。它既支持在完全节能冷却模式下运行也支持在部分节能冷却模式下运行。

水侧节能冷却模式分为以下三种：

1、采用热交换器作为冷水机组的旁通

这种节能冷却模式是当室外空气条件在设定值范围内时，利用冷凝水间接冷却数据中心的冷冻水。泵将冷凝水送入并穿过板式换热器，从计算机房空气处理装置（CRAH） 使用的冷冻水得以冷却，而无需将两种水混合。冷水机组的旁通阀可以根据冷凝水的冷冻温度决定是否关闭。这种类型的节能冷却模式在热交换器与冷水机组串联连接时可以支持部分节能冷却模式下运行。

2、采用蒸发冷却器作为风冷冷水机的旁通

这种节能冷却模式是当室外空气条件在设定值范围内时，利用一种叫做干式冷却器的热交换器直接冷却数据中心内的冷冻水。泵将冷冻水送入并穿过干式冷却器，在这里利用室外冷风冷却冷冻水，然后将冷却后的冷冻水送往 CRAH。冷水机的旁通阀可根据室外冷风的冷冻程度决定关闭或在更高效率下运行。只有当热交换器与冷水机串联连接时才支持在部分节能冷却模式下运行。

3、采用次级盘管作为计算机房空气调节装置（CRAC）压缩机的旁通

在这种类型的节能冷却模式下，直膨式CRAC 包含一个独立的次级冷凝水盘管，可在节能冷却模式时使用。当室外空气条件在设定值范围内时，泵将冷凝水送入并穿过干式冷却器，在这里利用室外冷风使冷凝水冷却，然后将冷却后的冷凝水送到 CRAC 的次级盘管。这种类型的节能冷却模式支持部分节能冷却模式下运行。

影响数据中心节能冷却模式运行的因素

数据中心节能冷却模式的运行主要受以下三方面因素的影响：

1、地理位置

节能冷却模式的使用完全取决于数据中心的地理位置。即使在部分节能冷却模式下工作时，地理位置的季节性气候条件也至关重要。

2、制冷系统制冷设定值

增加节能冷却模式可用时间的方法主要有两种：一是将数据中心搬到较为寒冷的地区，二是提高服务器的设计进风温度。第一种方法对于已有数据中心来说显然是不现实的。第二种方法则具有可行性，而且现在不论是新建数据中心还是已有数据中心都适用。

3、热冷气流隔离

如果机柜布置不合理或者气流管理不当，数据中心内的热风和冷风会发生混合。

几种节能冷却模式的量化分析及在实际应用时考虑问题

下面对几种节能冷却模式进行量化分析，具体情况见下表所示：

我国地大物博幅员辽阔，各地气象条件及资源利用情况有所不同，所以通信运营商在各自的数据中心具体采用哪种节能冷却模式，要做到具体情况具体分析。制冷系统在完全节能冷却模式下运行可以节省不少能源，是大家都想做到的，但也要付出一定的代价。在我国北方地区，天气干燥，风力资源较为丰富，寒冷季节也长一些，数据中心适合采用风侧节能冷却模式，但由于受沙尘暴影响，应切实做好防尘除暴工作，以免影响数据中心通信设备正常运行。在南方地区，天气潮湿，风力资源相对丰富，炎热季节长一些，数据中心适合采用水侧节能冷却模式，但要做好失水控制，避免宕机风险，同时做好机房湿度控制，保证机房设备运行条件。中部地区气象条件介于南北部地区之间，在节能冷却模式上可采用风侧节能冷却模式和水侧节能冷却模式兼而有之。有研究表明，对于小于1000平方米的数据中心适用于风侧节能冷却模式，但对于超过1000平方米的大型数据中心，如果采用冷冻水形的机组的水侧节能冷却模式在经济性上是比较占优势的。有些制冷系统供应商可以提供多种冷冻水的空调，包括高密度的解决方案，以及中、低密度的解决方案，都可以用冷冻水空调，冷冻水机组他们可以提供，包括水冷的，包括自然冷却的冷水机组，他们都可以提供全套的设备。无论何种地区采用何种节能冷却模式，均应得到制冷系统供应商在技术上强有力的支援。

总体上说，数据中心的节能冷却模式原则上要考虑因地制宜，做到投资省、能源利用率高、建设周期短、充分利用现有资源，此外，还要从楼体的兼容性及可改造性、控制的复杂程度、数据中心的湿度控制、平均寿命、可用性风险、占地面积、是否需要制冷剂作为后备等多方面的问题加以综合考虑。

结语

以前，制冷系统节能冷却模式在大多数数据中心内并没有得到广泛重视。这主要是因为那时电力成本较低，IT设备供风温度较低，并且还没有颁布碳排放法规。现在，随着电力成本越来越高，加之社会对通信的需求日益增大，数据中心的设备扩容也随之增大，数据中心的节能减排作为一个突出问题摆在通信运营商面前。为了降低碳排放，我国把节能减排作为基本国策，并且出台了各种标准和各项法规，这就需要数据中心减少耗能。一些节能冷却模式在许多气候条件都能有效减少能耗。数据中心操作员可以根据自己所处的气候条件找出可以作为系统首选工作方式的节能冷却模式，并将机械制冷系统作为辅助工作方式或后备。在某些天气条件时，一些制冷系统在节能冷却模式下运行可以节省超过70%的年度制冷能源成本，相应的年度能源利用率也会有超过15%的改善，从而为本行业的节能减排作出了应有贡献。

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