1 引言

隨著低碳經(jīng)濟的來臨,國家對節(jié)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(nèi)生產(chǎn)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(lián)網(wǎng)等新技術蓬勃發(fā)展以及視頻、圖像等新業(yè)務新應用帶來數(shù)據(jù)業(yè)務快速增長,大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設使得集成度高、能耗大的數(shù)據(jù)單架設備大量增加,能源消耗總量呈指數(shù)增長。綠色數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然。

眾所周知,空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心中能耗占比較大系統(tǒng),僅次于IT系統(tǒng)。因此本文將重點闡述數(shù)據(jù)中心供電制冷系統(tǒng)中應用的主要節(jié)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(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)架構及節(jié)能技術

據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學會(ASHRAE)技術委員會9.9(簡稱TC9.9)統(tǒng)計報告顯示,數(shù)據(jù)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(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心能耗大戶。

本文主要介紹數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)總體架構,其典型的系統(tǒng)架構如圖2所示。3 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能技術

為了滿足IT設備正常運行環(huán)境條件,數(shù)據(jù)中心需配備制冷系統(tǒng)。多個國內(nèi)國標標準中提出了對數(shù)據(jù)中心的環(huán)境條件要求,如在GB/T50174數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范中提出數(shù)據(jù)中心主機房的環(huán)境溫度應保持在18～27℃,允許工作溫度為15～32℃;而在ITU-TL.1300《數(shù)據(jù)中心最佳實踐》標準中提出最佳環(huán)境溫度范圍為18～32℃;在YD/T1821標準中提出的大型和超大型數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度范圍為18～26℃,中小型數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度范圍為15～27℃。在滿足數(shù)據(jù)中心環(huán)境條件要求的基礎上,各綠色數(shù)據(jù)中心開展了一系列的節(jié)能舉措。

其中,應用比較廣泛的節(jié)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(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)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(xiàn)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(yè)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(huán)、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(qū)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(diào)的效能,把空調(diào)設備安裝到IT設備近端,滿足數(shù)據(jù)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(xié)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(guī)定的工況條件為冷水式列間空調(diào)表冷凝器進水溫度為7～21℃,水冷式列間空調(diào)冷凝器進水溫度為4～34℃,風冷式列間空調(diào)室外冷凝器環(huán)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(huán)境溫度至-35℃。其規(guī)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(fā)熱量大,需全年不間斷制冷的熱環(huán)境特點,當室外溫度低于機房溫度時,熱管中的液態(tài)工質(zhì)在室內(nèi)的蒸發(fā)端吸收熱量后蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài),上升至室外的冷凝端,氣體工質(zhì)經(jīng)冷凝后將熱量釋放至室外環(huán)境變?yōu)橐簯B(tài),并在重力作用下流回室內(nèi),完成室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移至室外環(huán)境的制冷循環(huán)。同時,該產(chǎn)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(huán)境的工藝特點。因此將熱管蒸發(fā)端布置在熱管背板處,直接吸收設備散發(fā)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(xié)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(diào)末端部署位置從遠離負荷中心的機房兩側(cè)移至機柜頂部的空調(diào)末端側(cè)的優(yōu)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(nèi)部回風,往兩側(cè)送風。頂置冷卻單元與列間空調(diào)系統(tǒng)制冷循環(huán)很相似,但頂置冷卻單元僅由表冷盤管、水路調(diào)節(jié)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(nèi),通過熱壓的作用,熱空氣自然上升,經(jīng)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(xiàn)垂直方向的空氣循環(huán)。頂置式空調(diào)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(huán),降低空調(diào)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(xié)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(yè)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(shù)據(jù)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(xié)會立項為《通信電源及機房環(huán)境節(jié)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(guī)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(shù)據(jù)中心應用較為廣泛的水側(cè)自然冷源制冷技術,在常規(guī)空調(diào)冷水系統(tǒng)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(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷,提供機房空調(diào)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(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷凍水溫度一般為7/12℃,以北京地區(qū)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(fā)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(nèi)技術領先的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)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(xié)會歸口并在工業(yè)和信息化部立項研究的行業(yè)標準《通信電源及機房環(huán)境節(jié)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(wěn)轉(zhuǎn)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(tǒng)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(huán),逐步釋放相變材料的冷量,吸收通信設備產(chǎn)生的熱量,使通信設備的環(huán)境溫度滿足基本要求,直至完成釋冷過程?；謴凸╇姾?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(tài)。

工業(yè)和信息化部于2016年發(fā)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(shù)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(shù)據(jù)中心基礎設施制冷系統(tǒng)中所涉及的節(jié)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(shù)據(jù)中心領域內(nèi)的研發(fā)和應用技術人員提供參考。

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