在当前企业的数据中心,大约40%的总能耗是用于其IT相关设备冷却的。因此,冷却成本可以说是大型数据中心总电费的主要贡献因素之一。在本文中,将与广大读者朋友们共同研究影响数据中心冷却能耗的两大关键性的因素,即数据中心内部的气流管理及其选址。文章中,介绍了一种具有垂直冷却气流的独特机架布局,同时还将与您一起分析两种冷却系统,计算机房空调(CRAC)冷却系统和空气侧节能器(ASE)。基于这两种不同的冷却系统,作者在全球范围内选择了位于四处不同城市选址地理位置的数据中心进行了对比。文中还采用了包括诸如电力使用效率(PUE)、制冷系数(COP,Coefficient Of Performance)和冷却器采用运行小时数在内的许多种能效指标来对数据中心的冷却进行了深入的探索。通过分析冷却器采用运行时长和节能器的采用运行时长的比较,得出两种不同的冷却系统所提供的冷却功率成果。结果表明,在不同的气候因素、能源价格和冷却技术条件下,冷却效率和运行成本差异很大。而有鉴于气候条件是影响空气侧节能器的主要因素,因此在寒冷气候下使用空气侧节能器可以大大降低数据中心的能耗和运行成本。

全球范围内,数据中心业界的能耗急剧增加,目前约占到全球总耗电量的1.3%。同时,在过去几十年中,数据中心行业通过在数据中心基础设施管理(DCIM)中采用更有效的技术和实践方案也取得了相当显著的进展。2016年,全球数据中心行业市场已经达到1520亿美元,同时整个市场将继续保持约5%的年增长。当前有一种趋势是建设容量超过40兆瓦的大型数据中心。能源效率显然是数据中心的一个重要问题,可以最大限度地减少对环境的影响,降低能耗成本,并优化数据中心的运营绩效。

现代数据中心有一个大的操作环境空间,内有许多排机架,里面装满了大量的服务器和其他用于处理、存储和传输数字信息的IT设备。这些成千上万的服务器和其他IT设备将会产生大量的散热。为了保持数据中心内服务器和其他IT设备的可靠运行,保持适当的操作环境温度和湿度条件非常重要。下图1显示了针对10处数据中心进行随机调查的结果。图中显示了具有代表性的功耗分布和变化情况,并展示了冷却数据中心IT设备所消耗的总能量的30%到55%之间的差异。平均而言,冷却和通风系统的能耗占到数据中心总能耗的约40%。因此,在构建数据中心之前,企业必须慎重考虑如何降低功耗,电力成本,提高冷却效率,并最大化可用性。

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图1:数据中心功耗分布和变化。

通过垂直气流实现数据中心的通风和气流管理

现代数据中心有一个大的操作环境空间,内有许多排机架,里面装满了大量的服务器和其他用于处理、存储和传输数字信息的IT设备。通常,服务器和其他IT设备被安置在机架中。在具有热通道/冷通道的传统数据中心中,由冷却系统产生的冷空气通过室内地板下方的增压室供应。在机架的两侧,在地板上安装了穿孔的气流板,以便让冷空气进入。理想情况下,冷空气将从穿孔的气流板向上流动,从服务器的一侧进入服务器之间的微小空间,然后从另一侧流出。因此,来自一侧的冷空气形成冷通道,另一侧形成一个暖通道,以便将冷热通道彼此隔离,并消除了从一排机架排出的热空气进入另一排机架的入口。该方法奏效的原因就在于冷空气在服务器之间流动时会被加热。但这种布置有几个缺点,主要是因为不能很好地控制气流。特别是,冷空气和暖空气将在机架的上侧混合,因为冷空气比在服务器之间流动更容易向上流动,这会使得冷却效率降低。由于水平流过服务器并且空气流过穿孔板的布置,带来了更高的压降,这导致了很大的空气流动阻力,并限制了冷却空气和服务器之间的热传递。因此,会使得冷却系统的能量消耗更高。

为解决上述这些问题,数据中心业界转向采用在机架内垂直安置服务器的方案,如图2(左)所示。而再不是采用传统的水平放置服务器的方案,这使得服务器之间的空间很小,所有服务器都垂直放置,服务器之间的空间优化被限制到小于30毫米。该限制考虑了数据中心空间利用率以及用于传热的冷却空气通道。这种服务器机架可以放置在封闭的机柜中或开放空间中。通过垂直气流管理很好地利用自然对流。服务器机架也可以分为两个部分,以避免机架底部服务器和机架顶部服务器之间的温差很大。如图2(右)所示,冷却空气不是通过机架之间的通道供气,而是直接从机架底部供应冷却空气。因此避免了冷和热流混合。不再需要穿孔地板瓷砖,这导致了冷却空气流动的阻力降低,风扇功耗降低。由于空气密度差异导致的自然重力,通过向上流动的冷却空气和增加通风来增强热传递。为了实现分布式冷却控制,提供了多个空气供应管并将其放置在数据中心的地板下方,包括每个管道中的入口可调节开口。

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图2:数据中心垂直服务器机架布局,可调节入口。(左)具有垂直放置服务器的数据中心机架布局。(右)数据中心垂直服务器机架布局中的气流图示。

通风系统由主风扇和多个子风扇组成,具体取决于数据中心操作空间的规模大小,以便为多处安装了机架区域提供冷却空气。通过子风扇和开放调节可以实现对于空气流动模式的很好地控制。确定风扇速度和供应冷却空气的入口以最小化用于通风的实际总功率,同时满足服务器温度和无热点需求。冷却空气可以是来自室外的新鲜空气,也可以来自外部的冷却站或CRAC单元,带有独立的控制系统或集成到数据中心基础设施管理的控制系统。

数据中心选址的影响

01、CRAC和空气侧节能器案例研究方案

典型的数据中心冷却解决方案是通过使用具有空气处理单元(AHU)、冷却器和冷却塔等设备的计算机房空调(CRAC)完成的,这些设备通过地板下方的压力通风系统向每台机架供应冷空气,并再循环将热空气排出到冷却设备。当外部温度低于数据中心的返回空气的设定点温度时,空气侧节能器将直接使用来自外部环境的低温空气来冷却内部服务器。而当室外温度不适合冷却服务器的情况下,则使用计算机房空气处理器(CRAH)。由于空气侧节能器不包括湿度控制,因此需要借助专用的加湿系统来稳定相对湿度(RH)的波动。空气侧节能器可以提供更长的节能时间,更节能,并降低数据中心的冷却负荷和冷却成本。

这项工作包括三种方案:基准方案;COP为2.1的空气侧节能器方案;COP为4.0的空气侧节能器方案。一处位于美国的具有传统CRAC冷却方案的数据中心案例被定义为基准的冷却解决方案。该数据中心通风布局使用传统的热通道/冷通道布置。而在采用空气侧节能器的情况下,COP被分别假定为2.1和4.0两种情况。由于外部空气温度通常高于CRAC冷却空气温度,因此基准CRAC风扇的功率为232 kW,ASE风扇功率为410 kW。为了保持足够的热传递,ASE需要更多的风扇功率。为此,我们选择了四处气候条件差异很大的城市作为数据中心选址进行比较。

02、冷冻机小时,节能器小时和湿度的分析

每当需要机械冷却以维持最大允许的IT进气温度时,就需要记录冷却器采用的时长。收集节能器的采用时长以确定外部空气条件满足所需数据中心条件的小时数。冷却器采用的时长和节能器采用的时长都适用于两个区域,即数据中心完全由冷却器冷却的区域和过渡区域,其中一些冷却负载由免费的自然冷却系统满足,其余部分由冷却器满足。

对于基准情况,冷却器运行小时数等于数据中心年度运行小时数,因为该运行实际上可以不利用室外气候条件,因此意味着数据中心全年都由冷却器系统实施冷却。根据ASHRAE热环境推荐的数据中心范围和四个城市10年气候统计温度和湿度数据的分析,我们计算了ASE场景设计下每处数据中心的节能器使用小时数和冷却器使用小时数(如下表1和表2所示)。其中瑞典的吕勒奥具有零冷却器运行时长的特殊优势。这意味着在该地区的数据中心不需要采用机械冷却设备。而美国西雅图是空气侧节能器最受欢迎的城市,因为那里所需要的冷却器运行时长较短(仅62小时)。

湿度控制是数据中心运营中的另一大问题。湿度应根据ASHRAE所推荐的最严格的范围进行控制,即5.5°C露点温度至60%相对湿度和15°C露点温度。基准情况使用水冷式冷却机组通过热交换器冷却水,从而在数据中心保持更恒定的湿度水平。空气侧节能器的主要缺点是缺乏湿度控制。用于加湿的额外能量可以抵消ASE的一部分节能,并且在ASE效益评估中必须考虑额外的加湿成本。

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表1、在四处不同城市数据中心空气侧节能器和冷却器采用时长小时数的比较

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表2:ASE系统的加湿成本

03、三种冷却方案的能耗比较

如下图3和图4所示,是根据冷却器的运行小时数和PUE所计算得出的三种不同的冷却设计方案各自的冷却功耗和年度运行成本。其中已考虑了四个城市不同的能源价格。与纽约和西雅图的每千瓦时0.08美元的能源价格相比,休斯顿和吕勒奥的每千瓦时0.05美元的低能源价格显示出了优势。在基准情况下,总设施能耗与服务器能耗的性能比为1.55,这对于所有四处数据中心都是相同的。采用空气侧节能器情况下的PUE比率低于基准情况,这表明空气侧节能器在大多数情况下可以降低能耗。此外,PUE的微小变化则能够带来非常显著的节能效果。由于假设基准情景中的冷却系统操作与气候条件无关,因此所有四处数据中心的冷却功率消耗相同,这相当于全年冷却系统运行所使用的电功率。假设冷却能耗与冷却机和节能器采用时长成比例相关。冷却的总耗电量使用冷却的全功率负载和每年8760小时计算。运营中未考虑冷却设备折旧和IT停机时间。图4(左)中的结果表明,空气侧节能比基准情景中消耗的电能少。由于气候寒冷,吕勒奥的空气侧节能提供了最大的节能效果,而休斯顿的空气侧节能所实现的能源节约最少。上表2中还显示,吕勒奥的冷却器采用时长为零,而空气侧节能器的采用时间最长,而休斯顿的冷却器采用时长最长,空气侧节能器的采用时间最短。因此,四处数据中心的冷却能耗与不同的气候条件有关。

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图3、数据中心PUE的案例研究。

ASE系统利用凉爽的室外空气来调节数据中心的室内操作运营空间,从而降低冷却成本。在三种冷却设计方案中,空气侧节能器与基准情况相比可以节省能源;具有较高COP和较低PUE的ASE 2场景比ASE 1节省了更多的能量。与基准情况相比,ASE可以节省高达35%的电力成本。

但是,有许多因素会影响数据中心的运营成本,特别是数据中心所在当地的气候条件、当地的电价和运营政策。在吕勒奥,凉爽的气候可能有助于ASE系统在一年中的所有时间顺利使用。此外,由于吕勒奥享有最低的能源价格和最低的工业税率,因此该城市显然是运营数据中心的最具冷却效率的选址地。由于ASE的使用带来了与湿度相关的水分问题,因此加湿成本也是不容忽视的问题之一。尽管加湿成本是一笔巨大的费用,但瑞典吕勒奥的ASE方案的结果表明,加湿成本是总冷却节能的27%。

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图4:(左)冷却功耗。(右)业务费用。数据中心冷却功耗和年运营成本的案例研究。

结论

采用垂直方式放置的服务器机架进行数据中心通风和气流管理,可提供有效的热传递,减少气流压降,有助于数据中心节能。

影响数据中心总能耗和成本的因素有很多,特别是数据中心所在当地的气候条件、当地的电价和运营政策以及冷却解决方案设计。对于空气侧节能器系统,主要因素是气候条件或数据中心选址地的选择。数据中心管理运营人员还必须考虑温度和湿度情况。尽管加湿成本是一笔巨大的费用,但目前的研究表明,寒冷气候条件所带来的好处远远大于湿度调节的成本。

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