數據中心的合理化冷卻方案

文 張穎琪

數據中心的合理化冷卻方案

文 張穎琪

大型數據中心環境保障的重要系統—機房制冷系統不僅是保障服務器正常運行的環境條件，還是占數據中心總能耗25%—40%的耗能大戶。為此，在制定數據中心設計方案中，必須對機房制冷系統給予高度的重視，為創建一個安全可靠、綠色節能的數據中心而設計一個最合理的冷卻方案。

大型數據中心機房制冷系統的能耗分析

大型數據中心由于采用不同的設計標準和不同的節能措施，PUE的量化數據相差甚遠，現在取用三個代表性的數據中心能耗分析圖來演示PUE的數據；

案例1：設計標準為A類的銀行系統的數據中心，地點在上海浦東，建設時間為2000年，機柜數2000臺，機房制冷系統采用精密空調，雙總線供電系統，供電設備采用2N+1模式，平均PUE為2.0，具體如下圖所示：

案例2：設計標準參照ANSI/TIA942-2005標準的T3級的通用數據中心，地點在上海閔行，建設時間為2016年，機柜數4000臺，機房制冷系統為大型水冷制冷空調，采用自然冷技術，應用于冬季自然冷和過渡期的預冷，機房設置集中式加濕器，雙總線供電系統，供電設備采用N+1模式，平均PUE為1.5，具體如下圖所示：

案例3：Google 比利時的數據中心位于 Saint -Ghislain，2008 年初啟動該數據中心的第一階段，2011 年 Q1 完成全部階段設計，2011年Q1的PUE可以低達1.09，全年平均PUE為1.11；該數據中心利用運河的冷水帶走熱量：在自己修建水處理廠處理好運河水后給數據中心提供冷量，只采用冷卻塔而非制冷機組來散熱，這個實現了 100%水側自然冷的機房，是谷歌的第一個完全自然冷的數據中心。

上述三個案例，可以直觀地告訴我們，數據中心的制冷系統的節能措施是與建設和設計者的主觀理念和客觀事實相結合的產物。

機房制冷系統的安全性、可靠性分析

數據中心的屬性決定了它對機房環境的高標準、嚴要求，即安全性、完整性和可靠性；我們采用風險管理的風險評估模型對數據中心機房制冷系

表示說明：表中藍色區域內（1—12）屬于可接受風險范圍，白色區域內（13—25）屬于不可接受風險。

從機房空調運行統計數據可以知道，機房空調威脅發生的可能性為3級，影響程度可達到4級，得出的風險系數是18，是一個無法接受的風險。

從上述風險模型得出機房空調系統的風險是一個無法接受的風險，也就是說機房空調系統出現故障將直接導致服務器宕機且業務中斷。

為了保持數據機房的業務連續性，國標（GB50174-2008）對數據中心機房設計提出具體的要求，根據各類機房用途不同，采用的空調備用機組數量不同，最高級A類機房空調數采用2N的數量配置，主要是將空調機組故障的空調威脅發生的可能性從3級降至1級，做到可在線維修，保持機房空調的可用率達到99.995%，從而將風險系數降到11，達到一個可接受的范圍內。

而機房水冷型制冷系統存在一個難以處理的威脅發生可能性降級的方法，從機房水冷型制冷系統結構圖可以看出，制冷設備、水泵等都容易做到2N配置，而水冷系統（供冷管道部分）很難做到2N，主要是受機房場地和造價的限制，所以，目前我們看到的機房水冷型制冷系統的管道部分基本上都是單一的，最好的也只能做到機房區域環形布置，可隔離某區域故障，而全系統很難做到雙冗余；所以機房水冷型制冷系統空調威脅發生的可能性還是3級，風險系數18，是一個無法接受的風險。

統面臨的風險進行分析：

判斷影響程度：

計算風險：相乘，矩陣：

數據中心的最佳冷卻方案

創建一個安全可靠、綠色節能的數據中心是數據中心建設者不懈努力的方向，隨著技術的不斷發展，在建設者的不斷努力下，我們看到一個嶄新的綠色節能高等級的數據中心正在逐步成熟和發展中；如上述提及的Google 比利時的數據中心，可以把數據中心建設在北緯45度以上的寒冷地區，實現全年自然冷（Feel cooling）。

我們在亞熱帶地區，也可以把風冷的精密空調和自然冷結合在一起，既提升了機組全年的EER，又滿足數據中心高可靠性的要求，本文提出了數據中心最佳的冷卻方案如下。

綜合數據中心高可靠性和綠色節能的要求，提出數據中心最佳的冷卻方案為帶自然冷的精密空調為數據中心冷卻解決方案；帶自然冷的精密空調是由精密空調室內機組、帶自然冷的模塊、控制模塊和室外機組組成，它可以利用冬季、過渡季的室外低溫，通過控制模塊的控制自然冷模塊進行室內外冷熱交換，自然冷模塊是一個獨立的熱交換設備（目前可以看到的產品有乙二醇系統、氟泵系統等），從而達到在冬季完全停止精密空調壓縮機、過渡季部分停止（或預冷作用）壓縮機工作，實際運行節能效果明顯，帶自然冷的精密空調機組全年能效比可以達到5左右（上海地區），下面以氟泵自然冷模塊的精密空調舉例。

該系統由室內機、智能控制系統、氟泵自然冷節能單元和室外冷凝器組成，如圖所示。

機組有三種模式運行。

第一種為夏季高溫模式（一般精密空調的通常模式），如下圖：

第二種為過渡期模式，機組運行在”雙擎“混合制冷模式，通過氟泵增壓系統輔助壓縮機運行，降低冷凝溫度，節省壓縮機功耗，提升整機能效比，如下圖：

第三種為冬季運行模式，機組根據室外環境溫度和室內負荷需求智能判斷，切換至氟泵自然冷節能模式，以低功率氟泵系統代替壓縮機運行，充分利用室外冷源，大大提高機組能效比，如下圖：

綜上所述，創建綠色節能的數據中心不僅是減少企業用電成本,也是社會責任感的體現；但節能措施也是一個將安全可靠性、投資成本的綜合平衡的設計思路；隨著技術不斷的進步、新的節能產品不斷涌現，加上不斷提升的設計水平，數據中心制冷系統的建設將會越來越科學、合理。

（作者就職于上海超級計算中心）