基于價值工程的數據中心液冷與風冷比較分析

郭方圓

（上海普平數據服務有限公司，上海 200032）

據不完全統計，預計2030年數據中心的用電量達到社會總用電量的1.5%～2%，而數據中心的制冷空調系統用電量占整個數據中心的30%～50%，制冷空調系統用電產生的碳排放量巨大[1]，故優化制冷空調系統對減少能源消耗起著關鍵性的作用。

目前，數據中心的主要制冷模式為風冷，冷源采用集中式冷凍水系統，空調末端采用房間級精密空調，主要配置為冷卻塔+板換+冷機+末端空調，如果負載率達到80%以上，PUE值能保持在1.3左右；經過技術人員多年的研究、探討及小規模實踐，證實浸沒式液冷和冷板式液冷適用于數據中心，并能大大降低PUE值使其保持在1.1內，對于能耗指標的降低做出了巨大的貢獻。

以上海某數據中心風冷改液冷的實際案例，結合成熟的價值工程的理論方法，對比風冷空調系統與浸沒式液冷的制冷模式的設計PU E和對應之成本，從浸沒式液冷的建設成本（CAPEX）和運營成本（OPEX）角度提出費用優化的方法。

1 工程概述

1.1 施工項目背景

本工程為上海某數據中心DC01，鋼筋混凝土結構，共計2層，樓高16.1 m，建筑面積23 000 m2，總IT負載14 MW。原設計，一層集中設計10 kV配電間、冷凍機房、配電室、消控室、運營商接入間；二層為8個包間及其輔助用房，制冷模式采用風冷，冷源采用集中式冷凍水系統。因客戶需求變動，需將其中1個包間C05共1750 kW體量的IT負載改變制冷模式，由原來的風冷改成浸沒式液冷模式。

浸沒式液冷包含HVDC的配電、列頭的配電、CDU設備、管線及支架、tank設備、CDU一次側的管道、CDU二次側的管道、樓板的承載、弱電工程、自控系統等的設計工作，相對應常規的風冷制冷模式，根據以上內容，結合圖紙及技術資料，進行全方位的價格分析，比對兩者成本差異。

1.2 浸沒式液冷難點

（1）資料的不完備：相比國內所有數據中心，歷史數據中心用液冷技術所承載的tank數量基本保持在6～8個，還處于試施工和運行階段，而本次承載的規模較大，tank數量為84臺，故未有非常完善的技術資料來支撐出圖和計算成本。

（2）多元化溝通：從技術熟悉—技術深入探討—方案圖紙—施工圖紙—工作界面—工程量清單—成本談判—定標—施工—竣工驗收等環節，與客戶、合作伙伴、同事從技術層面、施工層面、成本層面進行全方面的溝通及探討研究，溝通任務量巨大，溝通質量以及信息的暢通性如何保證也成為難點。

（3）專業性強：一是樓板承重，浸沒式液冷是將服務器整體直接浸沒在液體中，依靠流動的工程液體吸收服務器的發熱量，故tank裝的氟化液的單體質量遠遠高于機柜，需對樓板進行荷載測算并進行樓板加固處理；二是綜合管線的布置，列頭柜到tank的布線、配電箱到CDU的布線、CDU一次側的管道、CDU二次側的管道及弱電、自控等管線的整體布局；三是CDU集成化產品，包含1臺不銹鋼板式換熱器、一臺冷卻液循環泵、一套冷卻液循環過濾裝置、閥門、管道、排氣裝置、壓力傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器等自控儀表、強電接線盒、弱電接線盒、接地用接線柱及與之配套的外框和支腳等；四是CDU與tank的精度要求，大大提升了成本，均為預制化產品，法蘭、閥門、管道、軟連接必須滿足法蘭日標要求、不銹鋼管無縫鏈接、閥桿和閥體不銹鋼材質、進口軟連接等苛刻的要求。

1.3 數據分析及一般假設

通過對數據中心C05包間液冷和風冷制冷技術的比對，發現兩種模式的差異點較多，為能更好地進行PUE及建設成本的對比，假定在液冷施工工藝完全成熟的情況下，風冷和液冷的施工進度、施工質量能保持同步，并以客戶服務器的一次側為成本測算的分界點為前提，再結合成熟的價值工程的理論方法比較風冷和浸沒式液冷兩種模式。

本次通過研究分析本案例中的所有資料，包括但不限于液冷圖紙、技術文件等，對本項目所使用的浸沒式液冷制冷模式從技術角度、施工角度、成本角度等方面進行技術溝通、施工界面安排、成本對比，得出最優成本方案，并與之功能做對比，得出價值系數，并從價值系數中的功能值和成本值入手，提出如何實現價值最優的解決方案。

2 液冷模式實例分析

價值工程（Value Engineering），也稱價值分析（Value Analysis），是對產品或勞務的功能進行充分的成本分析，從而找出提高產品或勞務功能降低成本的有效且可行的方法。價值工程的主要原則就是用最低的總成本滿足所需要的功能。價值工程（V）主要是指產品或勞務的功能（F）（功能指的是產品的用途或作用）與產品或勞務的成本（C）（成本指的是滿足產品的所需要的功能所付出的周期成本）的對比值，即V=F/C。

價值分析是個相對比較復雜的過程，研究者會利用經驗分析法、ABC分析法及百分比分析法選定研究對象，而本文主要通過經驗分析法選定數據中心的重要指標PUE作為研究對象，用04評分法進行PUE值得功能評分，并通過成本精準測算，進而得出價值指數。

首先，確定研究對象的功能值（F）：組織技術部的技術總監、暖通技術負責人、弱電技術負責人、施工項目經理、運維總監、運維經理、運維值班員等7人，完全獨立地對設計PUE實際所達到的功能（Fa、Fb）進行打分，計算總分和平均分，從而得出功能值，計算結果如表1所示。

表1 功能測算表

其次，確定研究對象的成本值（C）：根據施工工作界面，對液冷涉及的4個標段機電總包工程（CDU一次側工程、弱電工程、CDU二次側工程及甲供設備）分別進行成本測算及核對，為了方便成本計量，將4個標段的總成本換算成成本指標（元/kW），用于評價研究對象的成本值，如表2所示。

表2 成本測算表

最后，確定價值：價值（V）=功能（F）/成本（C），計算結果如表3所示。

表3 價值測算表

從功能測算表可以得出液冷的制冷模式功能值（即PUE值越低，功能值得分越高）非常高，高出風冷模式100%，功能性能完美，但其成本值過高，比風冷模式高出267%，導致價值數遠遠低于1。為了實現價值數趨向于1，則在保持功能值（即PUE）絕對優勢的情況下，如何降低成本值將作為液冷技術的改進方向。

3 液冷方案優化改進

3.1 數據中心全生命周期成本

數據中心作為互聯網行業的基礎設施，對于像第三方數據中心供應商而言，全生命周期成本包括建設成本（CAPEX）和運營成本（OPEX），而運營成本（OPEX）又分租電分離模式和包租包電模式。假設項目類型屬于包租包電模式，并在固定的IT負載量下（假設1750 kW），電費0.6元/度，在不同的PUE下，測算每年的電費價格，如表4所示。通過上述分析，采用液冷在包租包電模式下電費有較大幅度的節約，并與國家號召的打造綠色節能數據中心相匹配。從成本角度分析，液冷技術雖然在建設成本（CA PEX）的投資中費用有所上升，但結合2～3年的運營成本（OPE X）價值數趨于1，達到功能與成本的平衡，所以基于建設成本（CAPEX）和運營成本（OPEX）的兩者綜合考慮，利用液冷技術的制冷措施，在提高功能值的同時，也能有效控制成本。

表4 電費測算表

3.2 基于建設成本（CAPEX） 液冷技術價值優化改進

3.2.1 規模化投產運營

近幾十年在很長的一段時間內，早期數字信息需求量小，之前主要運用在電信的IDC服務器托管企業或政府單位的數據業務，單機柜容量主要以4 kW以下機柜為主，限制了液冷技術的有效發展；其次，與風冷技術相比，液冷技術在系統部署、制冷原理以及技術方向等方面存在較大的研發及應用困難[3]。近兩年，隨著業務量需求的日益劇增，單機柜趨于10 kW以上，甚至20 kW以上，高功率的機柜的散熱量極具加大，制冷面積不斷加大，導致相同面積高密度機柜的產出率大大降低，而且提高制冷要求，利用傳統的風冷制冷模式，不管從產出率還是成本方面，都不是最好的選擇。由此，液冷技術開始慢慢運用在數據中心，但由于技術的壁壘，局限于個別互聯網企業的研發和實踐階段，但隨著時間的推移，液冷技術逐步會趨于成熟化和規模化，經濟價值會日益顯現。

3.2.2 技術優化

（1）CDU到tank間的管道連接，產品材料及施工工藝要求極高，如使用的管道（要求：無縫、預制成段）及其配套的閥門（要求：日標）、法蘭（要求：日標）、軟連接、三通、彎頭等均要求為316不銹鋼材質，CDU內用的液體循環泵需采用協磁（ASSOMA）原裝進口品牌，并進行高精度的預制組裝，而隨著液冷技術的不斷革新，產品材料及施工工藝是否能優化，比如管道是否能從無縫不銹鋼管變成有縫鍍鋅鋼管，或者預制成品能變成現場直接焊接產品，又或者進口產品能慢慢用國產品牌替換等，從而在滿足tank運行需求的同時能有效降低成本，提高價值（V）。

（2）承重要求高，tank是承載液體、服務器及配套設施的大容器，它所要求的濕荷載為4T，遠遠大于機柜的荷載。對于改造建筑，一般情況建筑荷載只有1T左右，那采取何種加固措施的性價比最高，就需要通過加固多方案討論及成本測算，得出最優加固方案，從而降低成本投入；而對于新建建筑，則可以采用性價比高的抗壓材料做為結構材料，并合理安排tank的放置位置，較少配筋率及混凝土的使用量，從而降低成本，提高價值（V）。

（3）服務器浸沒的液體，據目前了解，該液體的價格等同于黃金價格，極其昂貴。如果優化和選擇冷卻液，也需進一步的研究，該液體直接與服務器接觸，就必須保證該液體與服務器是絕緣的，還必須從環保性能、穩定性能、電化學反映、pH值、液體濃度、微生物總數指標、導熱系數、散熱能力等方面全面研究測試，結合經濟指標，選出性價比高的冷卻液，從而可大幅度的降低后期運維成本。

4 結束語

本文運用價值方法僅對浸沒式液冷與風冷的技術PUE功能和成本差異進行簡單的分析比較，液冷屬于高功能產品，為了得到更合理的價值數，本文最后提出三方面的改進措施，一是從建設成本（CAPEX）和運營成本（OPEX）兩方面成本整體考慮，加入運營成本（OPEX）的液冷攤銷成本情況；二是荷載方面，針對不同的建筑提出不同的荷載方案來優化成本；三是從建設成本（CAPEX）把控方向考慮，從技術優化角度，通過現實的技術要求及實際運用的液體材料分析，提出優化方案，最終給出液冷制冷技術的可行性。■