【數(shù)據(jù)中心節(jié)能】制冷系統(tǒng)分析
1、數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能的界定數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng),遵循制冷系統(tǒng)的原理和技術(shù)架構(gòu),影響能耗的要素是溫度差、壓力差、傳導(dǎo)路徑,換熱工質(zhì)、設(shè)計(jì)選型、設(shè)備效率、自然冷卻利用空間等,但也有與民用建筑制冷系統(tǒng)的不同特點(diǎn):高顯冷(應(yīng)對(duì)IT設(shè)備高顯熱)、大風(fēng)量(高功耗)、連續(xù)運(yùn)行(24*7)、冗余備份(避免單點(diǎn)故障,可用性99.99%+)。 在數(shù)據(jù)中心能耗中,IT設(shè)備的能耗居首,其次為制冷能耗;以一個(gè)PUE=1.5的數(shù)據(jù)中心為例,電力系統(tǒng)消耗5~10%,接近25%~35%是制冷能耗。探索低能耗提升效率,優(yōu)化TCO成本的綠色節(jié)能制冷系統(tǒng)方式是本文探索的重點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的綠色節(jié)能,希望通過(guò)三個(gè)主要的指標(biāo)來(lái)界定和評(píng)估,即**化制冷效率和*小化能量傳遞能耗,系統(tǒng)成本**,即快,好,省。因此對(duì)于數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能方式將從兩個(gè)維度進(jìn)行分析評(píng)估,即從熱量傳遞途徑橫向進(jìn)行剖析和制冷系統(tǒng)縱向的比對(duì)。通過(guò)對(duì)制冷系統(tǒng)的分解,可以劃分為四個(gè)級(jí)別;從冷卻數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備的芯片級(jí)別開(kāi)始,是設(shè)備部件級(jí)別的冷卻級(jí),為第一級(jí);再次為IT硬件設(shè)備散熱到機(jī)架,是硬件設(shè)備的冷卻級(jí),為第二級(jí);然后是若干設(shè)備組成的機(jī)架和機(jī)架列散熱,是機(jī)架和模塊級(jí)別的冷卻級(jí),為第三級(jí);**機(jī)房?jī)?nèi)部熱量被冷卻系統(tǒng)傳導(dǎo)到室外,完成整個(gè)制冷冷卻系統(tǒng)的流程,為第四級(jí)別,主要是縱向的不同類型制冷系統(tǒng)的對(duì)比。這四個(gè)級(jí)別可以在每個(gè)層級(jí)進(jìn)行分析對(duì)比,尋找每個(gè)級(jí)別*佳節(jié)能方式。**,運(yùn)營(yíng)管理和能效管控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這些節(jié)能方式,發(fā)揮效果的重要手段。 2、第一級(jí)別制冷系統(tǒng)節(jié)能方式:芯片/IT節(jié)點(diǎn)設(shè)備冷卻 1)風(fēng)冷散熱片風(fēng)冷散熱片是*常見(jiàn)的散熱器件,一般是導(dǎo)熱性能比較好鋁或銅等材料經(jīng)過(guò)加工成散熱翅片增加散熱面積和效率,然后通過(guò)特殊的介質(zhì)(通常是導(dǎo)熱硅脂)緊貼住發(fā)熱量很大的芯片,然后再在散熱片上固定一個(gè)風(fēng)扇,增加流速提升換熱能力更快帶走熱量,從而達(dá)到對(duì)芯片散熱的目的。提升風(fēng)冷散熱片的途徑是提高散熱面積,提高換熱系數(shù),提升輻射散熱效率以及使用散熱效率更佳的材料粘合充分接觸保證降低傳導(dǎo)熱阻。如下圖2。風(fēng)冷散熱片的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)用,且價(jià)格低廉;但其缺點(diǎn)在于: ①冷卻效率不高,不能完全將CPU發(fā)熱量散發(fā)出去,僅依靠傳導(dǎo)和對(duì)流容易達(dá)到風(fēng)冷法散熱器導(dǎo)熱極限;②隨著風(fēng)扇的功率和轉(zhuǎn)速的增大,產(chǎn)生的噪聲也隨之增大; ③由于風(fēng)扇是運(yùn)動(dòng)部件,相對(duì)容易損壞,可靠性有一定影響。2)、熱管散熱器熱管散熱器對(duì)比常規(guī)的風(fēng)冷散熱片有所改變,在*貼近CPU部分使用**的熱管替代常規(guī)金屬基座。熱管是通過(guò)封閉的金屬腔體和毛細(xì)芯,充分利用了換熱工質(zhì)在熱端蒸發(fā)后在冷端冷凝相變(即利用液體的蒸發(fā)潛熱和凝結(jié)潛熱)和熱傳導(dǎo)原理,使熱量快速傳導(dǎo)透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導(dǎo)熱能力高于同等質(zhì)量金屬達(dá)到數(shù)量級(jí)級(jí)別,而且平板型熱管的熱溫度場(chǎng)均勻,局部換熱量大,成為更佳的散熱解決方案,當(dāng)然成本有所增加。3)、液冷液體冷卻,通常采用特種或特殊處理液體直接或近距離間接換熱冷卻芯片或者IT整體設(shè)備。液體冷卻分間接液冷和直接液冷。間接液冷,實(shí)質(zhì)是冷媒與發(fā)熱元件被導(dǎo)熱材料分離,不直接接觸,而是通過(guò)液冷板、液冷頭等**熱傳導(dǎo)部件將被冷卻對(duì)象的熱量傳遞到冷媒中,冷媒再通過(guò)制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷媒的循環(huán)和降溫。采用間接冷卻的液冷散熱系統(tǒng),對(duì)IT設(shè)備沒(méi)有明顯改動(dòng),僅需將原風(fēng)冷散熱片替換為液冷散熱片,增加冷媒換熱系統(tǒng)。常規(guī)情況下,芯片工作溫度常規(guī)為20-60℃區(qū)間,可以使用無(wú)相變的水(離子水+銅緩蝕劑)或者水氟轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行換熱,通過(guò)外部冷卻水或冷凍水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)換熱。該系統(tǒng)重點(diǎn)在于選擇合適的冷媒,并且設(shè)計(jì)復(fù)雜的冷媒管路到達(dá)每個(gè)機(jī)架,為每個(gè)IT設(shè)備結(jié)合設(shè)計(jì)無(wú)滴漏的快速接頭,保證液冷系統(tǒng)支持熱插拔實(shí)現(xiàn)維護(hù)時(shí)不中斷整個(gè)系統(tǒng),及避免換熱介質(zhì)流出。另外,數(shù)據(jù)中心中較多的循環(huán)管路的故障維護(hù)和水力平衡都是難題。直接冷卻,是采用密閉的氟化液等礦物質(zhì)直接浸泡冷卻IT設(shè)備的芯片、內(nèi)存等發(fā)熱部件,形成密封的一級(jí)散熱循環(huán)系統(tǒng),而二級(jí)循環(huán)系統(tǒng)可以采用自然風(fēng)冷或者冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。對(duì)比間接制冷系統(tǒng),發(fā)熱元器件冷卻均勻度更好,冷卻液溫度可以更高,尤其是選擇一定溫度下相變的液體,局部散熱能力強(qiáng),散熱效果更好;比如對(duì)于60℃度的芯片,可以采用50℃冷卻水,冷卻蒸發(fā)溫度在55-60℃的冷媒流體,因此,即使夏季45℃高溫天氣,也可以實(shí)現(xiàn)直接新風(fēng)冷卻或者冷卻塔,從而數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)全年自然冷卻,降低能耗,這對(duì)于全球溫帶和熱帶區(qū)域?qū)崿F(xiàn)制冷系統(tǒng)的**帶來(lái)了突破,是有競(jìng)爭(zhēng)力的制冷方案。但是液體冷卻面臨較多挑戰(zhàn):1)目前液冷更適合于高功率密度和全新的服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì),無(wú)法兼容目前主流的風(fēng)冷的服務(wù)器架構(gòu)和數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì),改造難度大。2)因規(guī)模和應(yīng)用范圍的限制,尤其是部分IT設(shè)備部件材料在直接冷卻液體中的兼容性和化學(xué)穩(wěn)定特性需要長(zhǎng)期測(cè)試驗(yàn)證,液體冷卻的成本較高。3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有待項(xiàng)目驗(yàn)證和優(yōu)化,如對(duì)于每個(gè)IT設(shè)備液冷需要大量的管路優(yōu)化設(shè)計(jì)和水力平衡及流量控制,冷媒冷卻溫度的控制和二級(jí)循環(huán)冷卻管路的匹配聯(lián)動(dòng)控制等。4)IT設(shè)備的維護(hù)更換需要液冷支持快速插拔無(wú)滲漏的更換,供電電纜和傳輸?shù)墓饫|連接器等有源部件的密封和散熱都需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這一級(jí)別的換熱環(huán)節(jié)中,不論散熱片還是熱管均需要IT設(shè)備級(jí)別的風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流換熱,二者的區(qū)別無(wú)非是使用換熱效率和溫度場(chǎng)均勻度方面存在差異,風(fēng)冷散熱片的散熱極限一般為40W/cm2 ,利用腔體內(nèi)的沸騰或者熱管配合風(fēng)冷強(qiáng)制換熱,常規(guī)做到100W/cm2 ,利用 IC工藝制成的多根微型熱管陣列的水冷泵循環(huán) ,其冷卻功率可達(dá)200 W/cm 2,而當(dāng)水的流量為10cm3/s,水的溫升為71℃時(shí),冷卻熱流高達(dá)790w/cm2,是目前散熱能力**的水冷裝置。A、溫度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制冷系統(tǒng)的節(jié)能影響《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50174-2008)》附錄A明確要求A級(jí)和B級(jí)機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)房的溫度為23±1℃(開(kāi)機(jī)時(shí)),C級(jí)別的數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的工作溫度范圍為18~28℃(開(kāi)機(jī)時(shí)); ASHRAE(美國(guó)暖通空調(diào)協(xié)會(huì))發(fā)布的數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)中,在2008年版本中,數(shù)據(jù)中心的溫度范圍為18-27℃;而在2011年溫度范圍擴(kuò)大為10-35℃,以適應(yīng)IT設(shè)備的設(shè)計(jì)的工作溫濕度范圍的擴(kuò)大。對(duì)于數(shù)據(jù)中心溫濕度標(biāo)準(zhǔn)建議溫濕度標(biāo)準(zhǔn)的放寬,對(duì)自然冷卻時(shí)間的影響有多大,我們可以抽樣國(guó)內(nèi)區(qū)域環(huán)境溫度來(lái)說(shuō)明。選擇位于京津冀一體化區(qū)域中數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移地之一的張家口,如下表1: 2014年全年逐時(shí)室外干球溫度。全年8760小時(shí)內(nèi)假定不考慮污染和其他沙塵天氣,如果設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度為18℃,全年新風(fēng)自然冷時(shí)間為86.04%;而提高到A級(jí)和B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)風(fēng)溫度23℃,自然冷卻時(shí)間全年可以提升10.25%;而當(dāng)溫度提升到27℃時(shí),全年新風(fēng)自然冷時(shí)間可以提升到99.98%;到28℃時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全年新風(fēng)冷卻,意味著可以實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的完全調(diào)整實(shí)現(xiàn)無(wú)冷水機(jī)組配置,節(jié)能空間大且減少投資。因此,從系統(tǒng)角度而言,IT設(shè)備的工作溫度范圍決定了數(shù)據(jù)中心溫濕度設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn),將決定架構(gòu)和節(jié)能的空間。張家口2014年逐時(shí)干球溫度統(tǒng)計(jì)溫度區(qū)間低于18℃18~23℃23~27℃27~28℃時(shí)間75378983232比率86.04%10.25%3.69%0.02%B、濕度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制冷系統(tǒng)節(jié)能影響《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50174-2008)》附錄A中明確要求A級(jí)和B級(jí)機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)房的濕度為40-55RH%(開(kāi)機(jī)時(shí));C級(jí)別的數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的工作溫度范圍為35-75RH%(開(kāi)機(jī)時(shí));ASHRAE(美國(guó)暖通空調(diào)協(xié)會(huì))公布的數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn), 2008版本和2011版本的濕度范圍由40-70RH%則擴(kuò)展到了20-80RH%。濕度放寬標(biāo)準(zhǔn),主要是保證數(shù)據(jù)中心中IT設(shè)備避免產(chǎn)生靜電和濕度過(guò)大造成的凝露和增加腐蝕可能性,因此數(shù)據(jù)中心加濕系統(tǒng)可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)中能耗較高的電極加濕器和紅外加濕器均被更低能耗的濕膜加濕器及高壓細(xì)水霧系統(tǒng)或超聲波加濕器所替代。以典型應(yīng)用的濕膜加濕系統(tǒng)或直接噴霧系統(tǒng)為例,僅需要系統(tǒng)水泵加壓將水形成水霧,由送風(fēng)氣流送出實(shí)現(xiàn)等焓加濕,無(wú)需水加熱形成蒸汽的能耗,僅需要水泵的能耗和風(fēng)機(jī)的能耗,加濕10kg/h的水,濕膜加濕系統(tǒng)僅需要耗能0.6-0.8KWH,而采用紅外加濕或電極加熱系統(tǒng)需要耗能8-12kWH。