數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)自然冷卻節(jié)能方案探討

于洪爽

YU Hong-shuang

（紫光華山科技服務(wù)有限公司）

(Huashan Science and Technology Service Co., Ltd.)

1 概述

對(duì)于數(shù)據(jù)中心，制冷系統(tǒng)通常按照其滿負(fù)載，高室外溫、濕度的最惡劣情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)數(shù)據(jù)中心負(fù)載較少且室外涼爽時(shí)，系統(tǒng)必須降低功率以減少向數(shù)據(jù)中心供冷。制冷機(jī)組的各種裝置在這種情況下利用率相當(dāng)不充分，工作效率極低。為了提高在這種情況下的工作效率，制冷裝置經(jīng)過改進(jìn)，配置了變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、分級(jí)控制或者其他功能。但是，仍然非常耗能。于是，工程師開始利用他們的知識(shí)與智慧，設(shè)法降低數(shù)據(jù)中心電力消耗，由此節(jié)能冷卻模式應(yīng)運(yùn)而生。

采用節(jié)能冷卻模式的制冷系統(tǒng)在節(jié)約能源和降低碳消耗方面具有很大的潛力。因?yàn)樵谶@一模式下，冷水機(jī)組等一些高能耗的制冷組件便可以取消、關(guān)閉或者低容量運(yùn)行。經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員調(diào)查顯示，節(jié)能冷卻模式可平均降低20%左右的制冷成本和能源消耗。筆者根據(jù)近幾年做的項(xiàng)目以及前輩們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)中心的風(fēng)側(cè)自然冷卻節(jié)能方案進(jìn)行總結(jié)與探討。風(fēng)側(cè)自然冷卻方案包含直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式，其原理是在室外溫度較低時(shí)利用室外空氣對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行冷卻，下文對(duì)其進(jìn)行簡述對(duì)比。

2 直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式

當(dāng)室外空氣條件滿足室內(nèi)機(jī)房溫度的設(shè)定值時(shí)，直接引進(jìn)新風(fēng)，新風(fēng)經(jīng)過初效和中效過濾器后，經(jīng)風(fēng)機(jī)送入數(shù)據(jù)中心。設(shè)有新風(fēng)閥、回風(fēng)閥和排風(fēng)閥，通過控制這些風(fēng)閥，混合風(fēng)量，保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)機(jī)房的送風(fēng)溫度。但是，盡管送風(fēng)口已經(jīng)經(jīng)過過濾，但是并不能完全消除微顆粒，例如一些煙霧和化學(xué)氣體，仍然會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，所以直接風(fēng)側(cè)冷卻模式結(jié)合蒸發(fā)輔助，效果會(huì)更好些。如果與蒸發(fā)輔助合用時(shí)，室外新風(fēng)在進(jìn)入數(shù)據(jù)中心之前，首先要穿過濕膜，在一些干燥地區(qū)，這種做法能有效降低溫度，大大延長了直接風(fēng)側(cè)冷卻模式的可利用時(shí)間。

但是，結(jié)合蒸發(fā)輔助方法的利用，需要綜合考慮投資回報(bào)率。因?yàn)槔谜舭l(fā)輔助，無疑會(huì)增加數(shù)據(jù)中心內(nèi)機(jī)房的濕度，這就需要消耗另外的除濕能耗，因此額外消耗掉的能源可能會(huì)抵消節(jié)能冷卻模式所節(jié)省的能源，得不償失。

3 間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式

當(dāng)室外空氣條件滿足室內(nèi)機(jī)房溫度的設(shè)定值時(shí)，也可利用間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式。利用室外空氣間接為數(shù)據(jù)中心制冷。增加板換熱交換器，或者熱輪換熱器，均可隔離室外污染物或者室外空氣濕度的影響，從而滿足機(jī)房送風(fēng)條件。熱管也是間接風(fēng)側(cè)冷卻的一種隔離技術(shù)，目前使用還不廣泛。

3.1 板換熱交換器冷卻模式

這種模式是在直接風(fēng)側(cè)冷卻基礎(chǔ)上增加板式熱交換器，室外新風(fēng)先經(jīng)過板換或盤管，繼而冷卻穿過盤管或者板換的數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的熱回風(fēng)，完全隔離了室內(nèi)外空氣。這種節(jié)能冷卻模式也可與蒸發(fā)輔助結(jié)合使用，通過向盤管或者板換的外表面噴水，從而使得室外空氣溫度進(jìn)一步降低，冷卻機(jī)房內(nèi)的熱回風(fēng)。這種結(jié)合方式，并不會(huì)只能加機(jī)房內(nèi)的濕度，僅需要補(bǔ)充少量新風(fēng)，從而滿足機(jī)房內(nèi)的溫濕度要求。如果室外溫濕度太高或者太濕，就需要選擇機(jī)械制冷作為輔助。

3.2 熱輪熱交換器冷卻模式

熱輪換熱器技術(shù)，和板換熱交換技術(shù)原理類似，利用風(fēng)機(jī)通過旋轉(zhuǎn)熱輪，交換室內(nèi)外冷熱空氣，間接冷卻室內(nèi)熱回風(fēng)。熱輪換熱器采用換熱材質(zhì)較為特殊，能有效防止污染物進(jìn)入數(shù)據(jù)中心機(jī)房。這種類型的節(jié)能冷卻模式既能支持在完全節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行也能支持在部分節(jié)能冷卻模式下運(yùn)行。

3.3 熱管技術(shù)

熱管技術(shù)的主要原理是在室內(nèi)外空氣接觸的地方增加一套熱管，風(fēng)機(jī)將室外新風(fēng)吹過熱管，從而冷卻熱管內(nèi)的流體，流體被冷卻后，再冷卻數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的熱回風(fēng)。這種技術(shù)原理與熱輪交換技術(shù)類似，也能保證機(jī)房內(nèi)的濕度和潔凈度。

4 直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻的比較選擇

根據(jù)筆者近幾年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及總結(jié)，對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)者和用戶經(jīng)常提及的幾項(xiàng)指標(biāo)，包括投資成本，運(yùn)營成本，性能，可用性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行簡要分析對(duì)比。

從投資成本方面來看，間接節(jié)能冷卻系統(tǒng)一般高于直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)。但從整個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目角度來看，增加的附加費(fèi)用相對(duì)較小。直接風(fēng)側(cè)冷卻模式有一定的限制性，若該地區(qū)露點(diǎn)溫度超過ASHRAE推薦溫度15℃，則需考慮備用系統(tǒng)。然而，即便在最差的情況下，找出低于露點(diǎn)15℃限制的數(shù)據(jù)中心地點(diǎn)，非常艱難而且不切實(shí)際。在此情況下，若選擇直接風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的地點(diǎn)都需要完全后備系統(tǒng)，這就大大增加了投資成本，包括支持?jǐn)?shù)據(jù)中心所需的上游配電設(shè)備及發(fā)電機(jī)的投資成本，此時(shí)采用直接風(fēng)側(cè)節(jié)能方案并不是個(gè)明智的選擇。

從運(yùn)營成本方面來看，直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)由于直接引進(jìn)室外新風(fēng)，需要頻繁更換過濾器，這也使得維護(hù)的成本增加，尤其是在高溫高濕地帶。即便室外條件較為適宜，根據(jù)相關(guān)數(shù)字比較，成本和間接風(fēng)側(cè)節(jié)能模式相近。間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)與地理位置關(guān)聯(lián)度低，室外空氣完全通過空—空交換器隔離，這樣延長了節(jié)能冷卻模式運(yùn)行的時(shí)間，從而降低了運(yùn)行和維護(hù)成本。

從效率方面來看，在室外條件適宜的情況下，直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)不需要傳熱。但是隨著過濾器堵塞，將會(huì)是風(fēng)機(jī)的功耗增加。間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)因?yàn)槭覂?nèi)和室外之間增加了一個(gè)熱交換過程，所以效率有所降低。

從可用性風(fēng)險(xiǎn)方面來看，直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)需要根據(jù)室外空氣質(zhì)量的好壞，定期更換過濾器，若系統(tǒng)使用高M(jìn)ERV級(jí)過濾，在發(fā)生火災(zāi)的情況，若采用潔凈滅火劑滅火，必須關(guān)閉該系統(tǒng)，從而使該系統(tǒng)的人為失誤風(fēng)險(xiǎn)增加。間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)消除了空氣質(zhì)量不佳或滅火時(shí)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，也降低了因停水而宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。從以上分析可知，直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)的可用性風(fēng)險(xiǎn)只能通過提高成本和運(yùn)行的成熟度來防御。然而，支付這些安全保證費(fèi)用會(huì)對(duì)財(cái)務(wù)造成不良影響。因此，數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營者必須提前考慮好直接風(fēng)側(cè)冷卻系統(tǒng)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提前做好安全措施。由此對(duì)比便知，間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻方案才是最佳選擇。

5 總結(jié)

數(shù)據(jù)中心選擇直接風(fēng)側(cè)節(jié)能還是間接風(fēng)側(cè)節(jié)能，取決于諸多因素，地理位置、投資成本、運(yùn)營成本、可用風(fēng)險(xiǎn)以及獲益情況等等都需要綜合考慮，需要進(jìn)行充分的比較和分析。根據(jù)對(duì)以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，這兩種模式都能通過極少使用或不使用機(jī)械制冷的情況下為數(shù)據(jù)中心機(jī)房提供冷量。從全球范圍來看，間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式消耗的能源明顯低于直接風(fēng)側(cè)節(jié)能模式，而且可用風(fēng)險(xiǎn)降低，但是投資成本相對(duì)高些。為規(guī)避直接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻系統(tǒng)的這些風(fēng)險(xiǎn)，從而需要增設(shè)的額外投資成本，降低了該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。所以，間接風(fēng)側(cè)節(jié)能冷卻模式是大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心用戶的最佳選擇。

[1]姜益強(qiáng)，數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器節(jié)能分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào).2016,35(10)：80-82.

[2]汪興源，數(shù)據(jù)中心機(jī)房風(fēng)冷節(jié)能措施的探討[J] 智能建筑 ,2013 (4) :34-35.

[3]曹連華，風(fēng)側(cè)自然冷卻及其自控系統(tǒng)探討.智能建筑,2013 (3) :59-61.