如何選擇數據中心空調自然冷卻方案

文｜艾默生網絡能源有限公司 王前方 張海濤

1 必須關注數據中心空調系統能耗

隨著技術的發展，人們之間的信息交流也逐漸豐富，社會對信息的需求和交流在迅速的增加，社交、微博、云計算也迅速成為熱門詞匯，從而也帶動了數據中心的建設。數據中心是信息存儲、交互、處理的地方，是容納計算機設備、服務器設備、網絡設備、存儲設備的物理空間，為了保證大發熱量的電子設備的可靠運行，機房空調系統必不可少。近年來數據中心建設規模的擴大，能耗的不斷增加，其能耗也越來越受關注。根據能源研究所的統計，2009年中國數據中心能耗高達364億千瓦時，美國在2010年數據中心的能耗高達1000億千瓦時，預計到2011年中國的數據中心總能耗將超過500億千瓦時。據EYP報告，數據中心能耗中的37%被空調系統消耗，此時PUE（能源利用效率）的制冷因子為0.74。數據中心能耗分布，如圖1所示。

圖1 數據中心能耗分布

無論從減少對能源的消耗，還是降低數據中心的運行成本獲取商業價值的角度，都需要降低數據中心的能耗，空調就是重要的一環。而且隨著近幾年來數據中心空調方案的發展，能采用的節能措施也越來也多。

2 數據中心空調系統節能措施

數據中心空調內主要是大發熱量的電子設備，有它本身的特殊要求。如恒溫恒濕控制、大風量小焓差、高顯熱比、高可靠性、有冗余備份、全年制冷運行等。圖2詳細描述了數據中心的熱量來源和影響空調系統能耗的多種因素。

從熱量來源來看，主要是設備發熱量和室外傳熱量。要減少室外傳遞的熱量可以從提高數據中心環境設定溫度、提高建筑結構隔熱能力、加強機房密封性能、減少太陽輻射熱量等方面進行。

在數據中心熱負荷確定后，要降低空調系統能耗，就需要從空調應用方案和空調制冷方式入手。空調應用方案的節能措施主要包括采用高能效空調機組、選擇最優空調送風方案、機柜采用冷熱通道布局、采用高熱密度設計、選擇變容量空調設備、應用智能群控技術、加強日常維護等。其中任何一項都有值得深入研究的內容。

空調制冷方式近年來逐漸受到廣泛關注，主要就是采用自然冷卻方案（Free Cooling）。數據中心需要全年制冷，室外溫度低于數據中心內部溫度時，仍然需要空調提供冷量，如果把室外自然界的低溫冷源直接用來冷卻機房，就可以節約能源消耗，這類方案稱為自然冷卻方案。

圖2

3 數據中心自然冷卻方案

自然冷卻方案由于利用自然界的低溫冷源，降低機械制冷的運行時間，所以節能的潛力非常大。從空調應用方案方面采用節能措施，主要是提高機械制冷的效率和利用率，做到最優時，PUE的制冷因子可低至0.35～0.4，而采用自然冷卻，如果條件允許時，最低PUE制冷因子可以小于0.05。但采用自然冷卻也有諸多限制，其中最重要的是要受數據中心所在地的氣候條件限制，溫度越低，低溫時間越長越有利于自然冷卻方案的實施。所以在大部分情況下，自然冷卻方案并不能單獨應用，而需要和機房空調系統結合采用，在條件達到時采用自然冷卻方案。

自然冷卻方案有多種方式，主要分為兩大類：空氣節能自然冷卻系統和液體節能自然冷卻系統。空氣節能自然冷卻系統是向數據中心內引入適當量的冷空氣以滿足制冷需要。系統上的傳感器測量數據中心內外的空氣狀態，若使用外部空氣進行制冷的條件合適，節能系統把外部空氣引入以對數據中心進行完全或部分冷卻，減少或消除對空調機械制冷的運行需求。液體節能系統一般集成在基于制冷劑、冷凍水或乙二醇的制冷系統中。此類系統包含換熱器盤管、泵循環系統和冷卻塔或干冷器以滿足制冷需求。節能自然冷卻系統工作時，系統中的低溫液體通過換熱器盤管冷卻數據中心，從而減少空調/壓縮機的工作量，下面將分別介紹。

3.1 直接新風自然冷卻方案

在室外溫度低于室內溫度時，直接引入室外新風冷卻機房是最容易想到的自然冷卻方案。直接新風自然冷卻方案由于其鮮明的優缺點一直受到大家的關注，也產生了巨大的爭議。其優勢是初始投資低，實現方案簡單，而且節能效率非常高。但其缺點也同樣突出，新風引入機房內會污染機房，主要包括灰塵、濕度、二氧化硫等化學成分，會威脅到設備的安全運行，造成總成本上升。改進的新風直接自然冷卻方案可以將符合溫度條件的室外冷空氣通過化學過濾、濕度等手段處理，達到數據中心空氣環境標準的冷空氣，然后送入數據中心，但這種方案會提高濕度控制和化學過濾等方面的成本，在很多地區都會得不償失，所以需要認真核算投資回報率。目前在國內僅僅有幾個數據中心在進行相關的嘗試和試點。如果想進一步提高直接新風冷卻的效率，可以在新風冷卻的基礎上增加噴淋段，采用蒸發冷卻的原理降低空氣溫度。

3.2 間接新風自然冷卻方案

為避免傳統的直接新風自然冷卻的缺點，可以采用間接新風自然冷卻方案。這類方案采用一個空氣—空氣換熱器，使室外低溫空氣的冷量通過換熱器傳遞給室內高溫空氣，室內外空氣完全隔離，避免因外部新風進入機房內而造成污染等問題。但此方案也有比較明顯的缺點，由于空氣—空氣換熱效率的問題，換熱設備尺寸非常大，占用巨大的空間，而且節能效率也大受影響，所以在數據中心領域的應用也較為少見。

3.3 風冷機房空調自然冷卻方案

目前風冷機房空調的應用仍然占據了主流地位，在風冷機房空調機組上實現自然冷卻方案將會給行業帶來很好的節能效果。在室外低溫時采用制冷劑泵代替壓縮機循環制冷劑，在室外機吸收室外冷量，在室內換熱器釋放冷量冷卻機房，可以實現自然冷卻，泵的功耗僅僅是壓縮機的十分之一到幾十分之一，節能效果非常顯著。由于循環的制冷劑在室內外換熱器會有蒸發和冷凝過程，所以所需的流量小于水，泵的功率小，效率較高。方案原理如圖3所示。

以前受制于各種技術因素，在風冷機房空調上采用自然冷卻的方案均沒有成熟的產品，但近幾年已經有廠家推出了相關的產品，其應用領域可以覆蓋到秦嶺以北的廣大北方區域。如果能隔離機房冷熱氣流，使回風溫度升高，甚至能在長江流域推廣使用。

此方案的優勢是可以在采用風冷機房空調的任何大小和種類的機房中使用，應用面極廣，較好的利用原有風冷機房空調的設備，共用了風機、散熱器等部件，既可在新建機房中使用，也可為老機房進行改造，其節能率較高。艾默生公司在內蒙古某機房掛電表實測，在室外0℃時，制冷運行工況節能率達到40%。

圖3

3.4 冷水系統自然冷卻方案

目前越來越多的冷水系統應用于數據中心，在冷水系統上如何高效安全地應用自然冷卻是近年來人們所關注的熱點。數據中心冷水系統分為風冷系統和水冷系統。風冷型的自然冷卻方案一般集成在冷水機組上，由廠家直接提供帶自然冷卻功能的風冷冷水機組。原理如圖4所示。

圖4

水冷系統的自然冷卻一般是在冷卻水和冷水回路之間增加換熱器，如圖5所示。在室外溫度較低時，部分開啟冷水機組或者關閉冷水機組，直接用低溫冷卻水作為冷源來冷卻冷水。水冷系統的自然冷卻方案一般由設計單位設計，可以有多種設計方案和控制邏輯，并由相關的廠商提供相應的設備。在北方寒冷地區采用自然冷卻時，需要注意冷卻水系統的防凍問題，或者選擇采用防凍劑。

圖5

冷水自然冷卻一般應用于中大型數據中心，可以根據具體情況選擇不同的自然冷卻方案，但需要充分考慮切換時的邏輯設計，并考慮出現意外時的應急方案，避免風險。

3.5 乙二醇自然冷卻方案

如果機房采用乙二醇機房空調系統，就可以采用乙二醇自然冷卻方案。乙二醇機房空調室外采用干冷器散熱，冷卻液為乙二醇的水溶液，在冷凝器中與制冷劑交換熱量。如果在室內機組上增加節能換熱盤管可實現自然冷卻，如圖6所示。當室外溫度低于室內合適溫度時，可以直接把經過室外冷卻的乙二醇溶液導入節能換熱盤管，直接冷卻機房，可以減少壓縮機的運行時間，降低能耗。

此方案的優勢在于室內外機組的距離基本不受限制，但節能效率低于風冷機房空調自然冷卻與冷水系統自然冷卻方案，而且必須是在用乙二醇冷卻的機組上進行，應用的范圍較窄。

4 選擇自然冷卻方案需考慮的因素

選擇自然冷卻方案時，需要考慮多種因素。如方案的可行性、投資回報率、可靠性、可維護性等。

圖6

4.1 方案的可行性

自然冷卻的方案受到多重因素的影響，如數據中心地理位置、建筑結構、空調系統的冷卻方式等。特別是老的數據中心改造或者擴容，更需要詳細的考慮多種因素。

選擇自然冷卻方案首先要考慮據數據中心所在地理位置的氣候情況，能否采用自然冷卻方案？采用哪種制冷方案？一般來講，直接新風自然冷室內外溫差小于1℃就可以應用，而液體節能自然冷卻一般要達到10℃以上的溫差。

建筑結構也對自然冷卻的方案有影響，有許多自然冷卻方案占地空間較大，數據中心能否提供足夠的空間，另外空調自然冷卻系統對空間的占用是否會減少數據中心使用面積等因素同時需要考慮。

空調系統的冷卻方式對自然冷卻方案有很大的影響，自然冷卻方案要和空調系統配合使用，例如采用風冷機房空調就需要選擇與之配套的自然冷卻方案，如果采用其他方案，就需要更大的投資和空間占用。

4.2 自然冷卻的可靠性

對于數據中心來講，方案的可靠性是非常重要的，因為數據中心內有大量的發熱電子設備，如空調系統故障，幾分鐘內設備就會宕機，可能會造成巨大的損失。帶自然冷卻的空調系統可靠性要求不能降低。例如下面的一些因素需要考慮：

◆新風自然冷卻方案使得數據中心溫濕度范圍擴大、潔凈度下降、硫化物等濃度上升，對電子設備可靠性的影響需要重新評估，溫濕度要控制在一定的范圍內；

◆機械制冷和自然冷卻切換過程的可靠性；

◆自然冷卻系統如果失效，啟動機械制冷的時間要滿足要求；

◆自然冷卻系統是否會對空調系統本身的可靠性造成影響。

4.3 自然冷卻系統的可維護性

方案的可維護性也非常關鍵，特別是對于新風自然冷卻方案，過濾器的更換周期、難易程度等因素要詳細評估，需要有良好的可維護性。

4.4 投資回報周期

自然冷卻方案需要對空調系統增加投資，投資回報周期需要進行評估。當一種或幾種方案確定后，需要對方案的初始投資、每年的節省費用、其他費用進行計算。節能量的計算需要根據氣象部門提供的當地多年氣候數據，根據具體方案的設計參數，評估出能采用自然冷卻的時間，并逐時計算能節省的能耗，全年累加得出節能量和節省的費用。但很多時候大家會忘記其他的一些費用，如下面的情況：

◆由于采用自然冷卻使數據中心的溫濕度控制范圍擴大、潔凈度下降、硫化物等濃度上升，造成IT設備故障率升高，IT設備的成本升高；

◆設備故障率升高，提供的服務質量下降，會造成業務損失；

◆由于可靠性的下降造成數據中心宕機，增加了風險成本；

◆空調系統維護量的增加而造成的費用。

如果自然冷卻方案對這些方面造成了影響，就需要對這部分費用進行核算評估，并在計算投資回報周期時考慮。

表1根據上文描述的因素和方案給出了具體的一些方法和數據，供大家選擇參考。

表1

5 結束語

本文通過對目前常見的數據中心自然冷卻方案進行了分析，指出其優缺點、適應的情況。并提出選擇數據中心自然冷卻不僅僅要考慮可行性、節能量，還要考慮可靠性、維護性。在計算投資回收周期時，不僅要考慮初始投資、節能費用，也需要計算由于自然冷卻方案造成的其他費用的支出。