文 張穎琪

數(shù)據(jù)中心的合理化冷卻方案

文 張穎琪

大型數(shù)據(jù)中心環(huán)境保障的重要系統(tǒng)—機(jī)房制冷系統(tǒng)不僅是保障服務(wù)器正常運(yùn)行的環(huán)境條件，還是占數(shù)據(jù)中心總能耗25%—40%的耗能大戶。為此，在制定數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)方案中，必須對(duì)機(jī)房制冷系統(tǒng)給予高度的重視，為創(chuàng)建一個(gè)安全可靠、綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心而設(shè)計(jì)一個(gè)最合理的冷卻方案。

大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系統(tǒng)的能耗分析

大型數(shù)據(jù)中心由于采用不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和不同的節(jié)能措施，PUE的量化數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，現(xiàn)在取用三個(gè)代表性的數(shù)據(jù)中心能耗分析圖來演示PUE的數(shù)據(jù)；

案例1：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為A類的銀行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，地點(diǎn)在上海浦東，建設(shè)時(shí)間為2000年，機(jī)柜數(shù)2000臺(tái)，機(jī)房制冷系統(tǒng)采用精密空調(diào)，雙總線供電系統(tǒng)，供電設(shè)備采用2N+1模式，平均PUE為2.0，具體如下圖所示：

案例2：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照ANSI/TIA942-2005標(biāo)準(zhǔn)的T3級(jí)的通用數(shù)據(jù)中心，地點(diǎn)在上海閔行，建設(shè)時(shí)間為2016年，機(jī)柜數(shù)4000臺(tái)，機(jī)房制冷系統(tǒng)為大型水冷制冷空調(diào)，采用自然冷技術(shù)，應(yīng)用于冬季自然冷和過渡期的預(yù)冷，機(jī)房設(shè)置集中式加濕器，雙總線供電系統(tǒng)，供電設(shè)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(shí)的數(shù)據(jù)中心位于 Saint -Ghislain，2008 年初啟動(dòng)該數(shù)據(jù)中心的第一階段，2011 年 Q1 完成全部階段設(shè)計(jì)，2011年Q1的PUE可以低達(dá)1.09，全年平均PUE為1.11；該數(shù)據(jù)中心利用運(yùn)河的冷水帶走熱量：在自己修建水處理廠處理好運(yùn)河水后給數(shù)據(jù)中心提供冷量，只采用冷卻塔而非制冷機(jī)組來散熱，這個(gè)實(shí)現(xiàn)了 100%水側(cè)自然冷的機(jī)房，是谷歌的第一個(gè)完全自然冷的數(shù)據(jù)中心。

上述三個(gè)案例，可以直觀地告訴我們，數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)的節(jié)能措施是與建設(shè)和設(shè)計(jì)者的主觀理念和客觀事實(shí)相結(jié)合的產(chǎn)物。

機(jī)房制冷系統(tǒng)的安全性、可靠性分析

數(shù)據(jù)中心的屬性決定了它對(duì)機(jī)房環(huán)境的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，即安全性、完整性和可靠性；我們采用風(fēng)險(xiǎn)管理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系

表示說明：表中藍(lán)色區(qū)域內(nèi)（1—12）屬于可接受風(fēng)險(xiǎn)范圍，白色區(qū)域內(nèi)（13—25）屬于不可接受風(fēng)險(xiǎn)。

從機(jī)房空調(diào)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以知道，機(jī)房空調(diào)威脅發(fā)生的可能性為3級(jí)，影響程度可達(dá)到4級(jí)，得出的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)是18，是一個(gè)無法接受的風(fēng)險(xiǎn)。

從上述風(fēng)險(xiǎn)模型得出機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)無法接受的風(fēng)險(xiǎn)，也就是說機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障將直接導(dǎo)致服務(wù)器宕機(jī)且業(yè)務(wù)中斷。

為了保持?jǐn)?shù)據(jù)機(jī)房的業(yè)務(wù)連續(xù)性，國(guó)標(biāo)（GB50174-2008）對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)提出具體的要求，根據(jù)各類機(jī)房用途不同，采用的空調(diào)備用機(jī)組數(shù)量不同，最高級(jí)A類機(jī)房空調(diào)數(shù)采用2N的數(shù)量配置，主要是將空調(diào)機(jī)組故障的空調(diào)威脅發(fā)生的可能性從3級(jí)降至1級(jí)，做到可在線維修，保持機(jī)房空調(diào)的可用率達(dá)到99.995%，從而將風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)降到11，達(dá)到一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。

而機(jī)房水冷型制冷系統(tǒng)存在一個(gè)難以處理的威脅發(fā)生可能性降級(jí)的方法，從機(jī)房水冷型制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，制冷設(shè)備、水泵等都容易做到2N配置，而水冷系統(tǒng)（供冷管道部分）很難做到2N，主要是受機(jī)房場(chǎng)地和造價(jià)的限制，所以，目前我們看到的機(jī)房水冷型制冷系統(tǒng)的管道部分基本上都是單一的，最好的也只能做到機(jī)房區(qū)域環(huán)形布置，可隔離某區(qū)域故障，而全系統(tǒng)很難做到雙冗余；所以機(jī)房水冷型制冷系統(tǒng)空調(diào)威脅發(fā)生的可能性還是3級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)18，是一個(gè)無法接受的風(fēng)險(xiǎn)。

統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析：

判斷影響程度：

計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)：相乘，矩陣：

數(shù)據(jù)中心的最佳冷卻方案

創(chuàng)建一個(gè)安全可靠、綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心建設(shè)者不懈努力的方向，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在建設(shè)者的不斷努力下，我們看到一個(gè)嶄新的綠色節(jié)能高等級(jí)的數(shù)據(jù)中心正在逐步成熟和發(fā)展中；如上述提及的Google 比利時(shí)的數(shù)據(jù)中心，可以把數(shù)據(jù)中心建設(shè)在北緯45度以上的寒冷地區(qū)，實(shí)現(xiàn)全年自然冷（Feel cooling）。

我們?cè)趤啛釒У貐^(qū)，也可以把風(fēng)冷的精密空調(diào)和自然冷結(jié)合在一起，既提升了機(jī)組全年的EER，又滿足數(shù)據(jù)中心高可靠性的要求，本文提出了數(shù)據(jù)中心最佳的冷卻方案如下。

綜合數(shù)據(jù)中心高可靠性和綠色節(jié)能的要求，提出數(shù)據(jù)中心最佳的冷卻方案為帶自然冷的精密空調(diào)為數(shù)據(jù)中心冷卻解決方案；帶自然冷的精密空調(diào)是由精密空調(diào)室內(nèi)機(jī)組、帶自然冷的模塊、控制模塊和室外機(jī)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(jìn)行室內(nèi)外冷熱交換，自然冷模塊是一個(gè)獨(dú)立的熱交換設(shè)備（目前可以看到的產(chǎn)品有乙二醇系統(tǒng)、氟泵系統(tǒng)等），從而達(dá)到在冬季完全停止精密空調(diào)壓縮機(jī)、過渡季部分停止（或預(yù)冷作用）壓縮機(jī)工作，實(shí)際運(yùn)行節(jié)能效果明顯，帶自然冷的精密空調(diào)機(jī)組全年能效比可以達(dá)到5左右（上海地區(qū)），下面以氟泵自然冷模塊的精密空調(diào)舉例。

該系統(tǒng)由室內(nèi)機(jī)、智能控制系統(tǒng)、氟泵自然冷節(jié)能單元和室外冷凝器組成，如圖所示。

機(jī)組有三種模式運(yùn)行。

第一種為夏季高溫模式（一般精密空調(diào)的通常模式），如下圖：

第二種為過渡期模式，機(jī)組運(yùn)行在”雙擎“混合制冷模式，通過氟泵增壓系統(tǒng)輔助壓縮機(jī)運(yùn)行，降低冷凝溫度，節(jié)省壓縮機(jī)功耗，提升整機(jī)能效比，如下圖：

第三種為冬季運(yùn)行模式，機(jī)組根據(jù)室外環(huán)境溫度和室內(nèi)負(fù)荷需求智能判斷，切換至氟泵自然冷節(jié)能模式，以低功率氟泵系統(tǒng)代替壓縮機(jī)運(yùn)行，充分利用室外冷源，大大提高機(jī)組能效比，如下圖：

綜上所述，創(chuàng)建綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心不僅是減少企業(yè)用電成本,也是社會(huì)責(zé)任感的體現(xiàn)；但節(jié)能措施也是一個(gè)將安全可靠性、投資成本的綜合平衡的設(shè)計(jì)思路；隨著技術(shù)不斷的進(jìn)步、新的節(jié)能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，加上不斷提升的設(shè)計(jì)水平，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的建設(shè)將會(huì)越來越科學(xué)、合理。

（作者就職于上海超級(jí)計(jì)算中心）