数据中心的免费制冷扫盲与进阶

PUXIN 作者:Robert McFarlane 来源:TechTarget中国 2011-12-05 [评论]

    数据中心制冷在基础设施能耗中占很大的比重。所以我们看到很多人把注意力集中在效率度量方面就不足为奇了,比如通过计算电力使用效率(PUE值)以及最近新出来的炭使用效率(CUE值),以帮助数据中心运营者计算为支撑基础设施浪费的电力能耗。

    在许多的气候环境下,数据中心负责人可以通过利用室外天气条件对IT设备进行制冷,来帮助他们减少制冷费用。在合适的条件下,这些技术能节约很多电力支出,这就是我们常说的“免费制冷”。本文中,SearchDataCenter.com的现场助理编辑Nick Martin与Shen Milson&Wilke公司负责数据中心设计的主管Bob McFarlane对话,告诉了我们更多关于免费制冷技术的知识。

    Nick Martin:现在都有哪些类型的免费制冷技术?然后这些技术都有哪些优缺点呢?

    McFarlane:有三种免费制冷技术:

    空气侧免费制冷,这也是人们首先想到的。这种方式是指室外空气直接通过滤网或者是间接通过换热器将冷量带入到数据中心内。

    绝热变换是空气侧免费制冷的一种变种。这种方式是通过把室外空气导入某种腔内和水蒸发器一起进行冷却。

    水侧自然冷是指一种像水或者乙二醇的制冷剂,直接通过冷却塔循环带走热量,而不是通过制冷机或者压缩机流循环来散热。

    要讲这些方式的优缺点就有点复杂了。水侧自然冷是最容易的,大多数数据中心采用冷冻水来冷却系统,所以使用水侧自然冷就很符合逻辑了,因为其管路和冷却塔都已经是现成的了,这使得建设成本相对较小。当然,这种情况下水泵和冷却塔的运行仍需要用电,但这毕竟是一种容易做到的方法。

    主要的问题是切换控制。你不想让免费制冷模式太频繁得切换到机械制冷模式,因为短时间内不断启动压缩机不太好。人工切换看起来要简单些,但会需要很需要精力且不容易脱身。很多的案例表明如果不真正打算使用免费制冷的话,带来的收益抵不上投入的精力。自动控制可以解决切换的问题,但这会使得系统变得复杂,然后需要一个很长的时间调整优化来确保系统不会在免费制冷与机械制冷之间来回的切换。

    没有解决这个问题的简单答办法,使用空气侧免费制冷比水侧免费制冷更不可容易。实际上我常碰到某些人甚至简单认为只要打开角落的那个窗户就可以实现了。问题是冷却整个数据中心需要很大的风量,带走每千瓦每分钟的热量大约需要160立方英尺的空气,或者说每分钟的速度为2500英尺,大约每小时28英里的速度的空气量,所以说空气实际上是从管道飞速通过的。那意味着一个250千瓦的数据中心需要吸收40,000CFM的空气和需要2*8英尺大的进风口让空气进来。一兆瓦的数据中心会需要4*15英尺大的进风口才能让足够的空气进入数据中心。这将是一个很大的进气口,且需要很多的管道工程。

    但是空气侧免费制冷真正的问题是空气质量。即使是干净的空气还需要过滤,滤网减少气流速度,在气流通过过滤网会耗费能源,且滤网需要清洗和更换,这就会增加人力成本,同时也需要控制空气湿度。免费制冷最好的地理位置通常是低湿度的地方。湿度高的地方还需要除湿,这仍需要机械冷却。我们应尽量减少机械冷却而采用免费制冷,是因为机械制冷需要大量能源。因此没有简单的能一应俱全的答案。

    采用蒸发方式的绝热冷却是空气侧免费制冷的一种变体,只能在低湿度的环境中使用,但是可以很大程度的延长免费制冷的时间。

    Martin:关于免费制冷管理,机房管理人员需要考虑些什么呢?

    McFarlane:这确实关系到这些基础设施运营者是否有能力管理好你选择的系统和设备。作为IT的一部分,即便作为管理者你可以控制这些系统,但是基础设施运营者才是参与到大型机械设备系统中的人。他们懂得系统切换的能力以及设置参数吗?是你有控制权,还是他们有?自动的控制系统故障可能会发生故障。如果室外气温开始上升,他们能快速反应吗?我想说管理人员必须主要关注的是他们的基础设施方面。

    Martin:免费制冷的成本是什么以及投资回报是?

    McFarlane:这要看主要取决于什么。装有节能装置的冷凝器系统可能是投资最低的,你可以订购装有节能盘管的空调而不需要花很多额外的费用。你可能还需要给冷却塔装备一些特殊的功能防止在一些极端的其气候里会冻结,但这些都不需花费太多。如果你选用冷冻水制冷方式,冷水机组的投资就会很昂贵。人工切换系统相对便宜,但当然这对于使用成本更高的自动转换系统来说是一个问题。

    即使使用更为吸引人的热交换器,空免费制冷系统也会需要大量的投资成本。试图让空气通过一组组的过滤网不是最好的选择。应用越来越普遍的且经过验证的京都转轮技术(Kyoto wheel)是指一个大直径的,慢速旋转的空气到空气模式的热交换器。施耐德电气底下的APC也给这个市场带来了一款叫做EcoBreeze的冷却系统,把使用绝热制冷和制冷机以及切换系统结合起来。所以说这不是一种完全的空气侧免费制冷,而是具有所有的自动控制环节。

    这些都是大型的实体项目,需要大量资金。所以投资回报率取决于地理位置,气候条件和监管的有效性。一年中有多少时间可以不用机械制冷?通过自动控制系统,就以意味着有可能 实现任何时候你都可以使用免费制冷。还有投资还取决于你的电力成本。电费越高,更快获得投资回报的可能性也越大。如果大多数情况下你的免费制冷时间是晚上,那么电力成本在晚上是否会低些?大多数地方晚上的电费要低些。

    你的数据中心运行温度是多少?你是否遵照ASHRAE TC 9.9 的推荐,服务器设备进风温度达到27摄氏度(即80.6 华氏)?这个温度范围设置可以让你在一年中有更多的时间实现免费制冷。如果你那样做,那么和传统的尽量让机器在低温状态下运行相比,你的投资回报就会好很多。

    Martin:这些免费制冷方法是否也适用于已建成数据中心的优化改进,还是仅仅适合于新建项目才更实际且才能节省成本?

    McFarlane:水侧免费制冷的数据中心可以用于已有数据中心的优化改进,但仍取决于设计。如果是水冷机房,是有可能可实现的。但也可能会扰乱现有系统,除非你有完全冗余的系统。在像这样的优化改进工程中,你可以切断使用冰冻水或者冷凝器而启动水侧免费制冷。

    空气侧免费制冷几乎只适用于新修的建筑。如果把巨大的风管以及进气口放进已有的设施中就会对现有机房产生严重的破坏作用,除非你可以分割出已有数据中心的一部分,并创建出一个独立待建的新单元。同时也取决于已有的制冷设计方式。室外空气需要导入某种分配系统。这通常意味着是大型的管道而不是地板下空间。如果没有这种管道,那么要装备那样巨大尺寸规格的管道的改进工程是庞大的。所以我得说免费制冷在新修建筑中比改进工程中更实用。

    Martin:你觉得在未来会有更多的数据中心采用免费制冷吗?

    McFarlane:绝大多数的数据中心项目负责人告诉我们,他们至少会考虑免费供冷。这些需求常被环境和能源设计领先性认证(LEED认证)所驱使,渴望能够节约能源,还有公司理念或者有时只是好奇心所驱使,因为现在免费制冷还只是一个漂浮不定的时髦词汇,并且也不是每一个人都知道他的真正意义以及这意味着需要什么。

    现在真正了不起的是ASHRAE 90.1,它将被写入成为标准,这意味着它是一种要求而不是一个选择。ASHRAE 90.1会排除现在一些数据中心的例外情况,将会在数据中心设计的时候要求要把免费制冷包括进去。如果说在你评判的时候把ASHRAE 90.1作为一种标准或者规范,很可能就意味着在做数据中心设计的时候你就要考虑把免费供冷给加进去。ASHRAE 90.1不会考虑任务的重要性,所以你不能使用原来的那老一套,因为可能会降低你的可靠性。随着时间的推移,在数据中心中采用供免费供冷会被广泛接受。

 标签:数据中心
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