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浅谈数据中心基础设施节能技术及标准化(二)

2017-02-20 11:16  《UPS应用》杂志  

核心提示: 随着低碳经济的来临,国家对节能减排工作日益重视。2009年12月哥本哈根气候变化会议上,中国政府承诺到2020年,单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%.

1 引言

随着低碳经济的来临,国家对节能减排工作日益重视。2009年12月哥本哈根气候变化会议上,中国政府承诺到2020年,单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%.

随着新一代移动通信和下一代互联网等新技术蓬勃发展以及视频、图像等新业务新应用带来数据业务快速增长,大规模数据中心的建设使得集成度高、能耗大的数据单架设备大量增加,能源消耗总量呈指数增长。绿色数据中心已经成为数据中心发展的必然。

众所周知,空调系统是数据中心中能耗占比较大系统,仅次于IT系统。因此本文将重点阐述数据中心供电制冷系统中应用的主要节能技术的原理、应用情况以及其标准化工作进展情况等。

2 数据中心制冷系统架构及节能技术

据美国采暖制冷与空调工程师学会(ASHRAE)技术委员会9.9(简称TC9.9)统计报告显示,数据中心各部分的用电量分布大致如图1所示。

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由图可见,IT系统、空调系统和供电系统是数据中心能耗大户。

本文主要介绍数据中心制冷系统总体架构,其典型的系统架构如图2所示。

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3 数据中心制冷系统节能技术

为了满足IT设备正常运行环境条件,数据中心需配备制冷系统。多个国内国标标准中提出了对数据中心的环境条件要求,如在GB/T50174数据中心设计规范中提出数据中心主机房的环境温度应保持在18~27℃,允许工作温度为15~32℃;而在ITU-TL.1300《数据中心最佳实践》标准中提出最佳环境温度范围为18~32℃;在YD/T1821标准中提出的大型和超大型数据中心环境温度范围为18~26℃,中小型数据中心环境温度范围为15~27℃。在满足数据中心环境条件要求的基础上,各绿色数据中心开展了一系列的节能举措。

其中,应用比较广泛的节能技术有近端制冷技术、气流组织控制技术、自然冷却技术和相变材料冷却技术等。这里将针对上述技术的原理、数据中心应用情况及相关标准化工作进行详细的介绍。

(1)近端制冷技术

传统数据中心的空调制冷率低,散热能力有限,无法满足中高热密度机柜的散热需求,容易出现机柜局部过热的情况,使机柜无法负载过多的服务器设备,从而导致机柜的容积率和机房的空间利用率降低。

①列间制冷技术

目前行业通常使用的一种制冷技术为采用把制冷设备安装在机柜间,靠近服务器热源,向电子设备提供诸如空气循环、空气过滤、冷却、再热及湿度控制的温控设备,简称“列间制冷设备”。列间制冷技术在冷通道封闭采用组合模块对冷通道区域进行封闭处理,隔离机柜的冷热通道,有效地减少冷量浪费,极大地提高了精密空调的效能,把空调设备安装到IT设备近端,满足数据中心机房不断上升的散热要求。具体平面俯视图如图3所示。

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该项技术已在中国通信标准化协会立项为《通信高热密度机房温控设备第1部分:列间式温控设备》标准,目前已进入报批阶段。该标准中规定的工况条件为冷水式列间空调表冷凝器进水温度为7~21℃,水冷式列间空调冷凝器进水温度为4~34℃,风冷式列间空调室外冷凝器环境温度为-15~+45℃;配置适于低温运行的选配件或方案,可适应最低室外环境温度至-35℃。其规定的主要指标如能效比如表1所示。其冷风比要求为在标准测试工况下,不应大于5.

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②背板热管制冷技术

该技术利用热管原理,结合通信机房设备发热量大,需全年不间断制冷的热环境特点,当室外温度低于机房温度时,热管中的液态工质在室内的蒸发端吸收热量后蒸发变为气态,上升至室外的冷凝端,气体工质经冷凝后将热量释放至室外环境变为液态,并在重力作用下流回室内,完成室内热量转移至室外环境的制冷循环。同时,该产品充分考虑机房机柜的背板排风温度最高,设备的热量都由背板处排至机房环境的工艺特点。因此将热管蒸发端布置在热管背板处,直接吸收设备散发的热量,提高热管换热温差与热管的换热效率。其原理如图4所示。

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该项技术同样已在中国通信标准化协会立项为《通信高热密度机房温控设备第2部分:背板式温控设备》标准,目前已讨论通过征求意见稿。在标准中所涉及的热点问题为机柜的出风口温度、显热比、能效比、安全要求等部分。由于该标准目前还在讨论过程中,因此对于一些指标的具体要求不宜进行详细的描述。

③顶置式制冷技术

这是一种将空调末端部署位置从远离负荷中心的机房两侧移至机柜顶部的空调末端侧的优化技术。该技术通常应用于封闭热通道的模块化机房,送、回风方式是从热通道内部回风,往两侧送风。顶置冷却单元与列间空调系统制冷循环很相似,但顶置冷却单元仅由表冷盘管、水路调节装置、温湿度传感器等组成,设备本身不再配置风机,表冷盘管设置于机柜顶部。IT机柜风扇将排出的热空气聚集到封闭的热通道内,通过热压的作用,热空气自然上升,经过机柜顶部的顶置冷却单元表冷盘管降温后,因热压作用开始下降,并再由IT机柜风扇吸进IT设备降温,实现垂直方向的空气循环。顶置式空调因其本身就没有配置风扇,热压作用维持了空气的自然流动循环,降低空调末端设备的能耗消耗。具体原理图如图5所示。

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该项技术同样已在中国通信标准化协会立项为《通信高热密度机房温控设备第3部分:顶置式温控设备》标准,工业和信息化部已下达计划编号,且为部重点项目。

(2)气流组织控制技术

数据中心一般采用冷热通道封闭方式,可采用冷通道封闭或热通道封闭等。而从送风方式分为下送风方式(示意图如图6所示),上送风方式(示意图如图7所示)。

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而对于机柜的送风方式主要分为前进风机柜排列(如图8所示),下进风标准机柜排列(如图9所示)。

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关于气流组织控制方式,中国通信标准化协会立项为《通信电源及机房环境节能技术指南第5部分气流组织》标准,目前已进入报批阶段。该标准中规定了气流组织的基本原则、机柜的功率密度、气流组织形式(分为下送上回风方式、上送下回风方式、机柜排级送风方式)和机柜送风方式等。

(3)冷却塔自然冷却技术

大型数据中心应用较为广泛的水侧自然冷源制冷技术,在常规空调冷水系统基础上增设部分管路和设备,当室外湿球温度低到某个值以下时,关闭冷水机组,以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷,提供机房空调所需的冷负荷。用冷却塔来替代冷水机组供冷,达到降低能耗的目的。

冷却塔供冷大致有如下3种方式:①开式冷却塔加过滤器;②开式冷却塔加热交换器;③闭式冷却塔直接供冷。最常见的冷却塔供冷方式是开式冷却塔加热交换器。详见图10.

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传统数据中心的冷冻水温度一般为7/12℃,以北京地区为例,全年39%的时间可以利用自然冷却,如果将冷冻水提高到10/15℃,全年自然冷却时间将延长至46%.同时由于蒸发温度的提高,冷水机组COP可以提升10%.另一方面,随着服务器耐受温度的提升,冷冻水温度可以进一步提高,全年自然冷却的时间也将进一步延长。目前国内技术领先的数据中心已经将冷冻水温度提高至15/21℃,全年自然冷却时间可以达到70%甚至更长。

关于该项技术在中国通信标准化协会归口并在工业和信息化部立项研究的行业标准《通信电源及机房环境节能技术指南第2部分应用条件》(修订)标准中提出了应用条件、同模式间的平稳转换和防冻措施等。目前该标准处于报批阶段。

(4)相变材料技术

相变材料制冷系统在正常工作时(供电正常时),给电信设备制冷的同时,使相变材料蓄冷能,冷能蓄满后,不再吸收冷量;在断电时,通过冷媒循环,逐步释放相变材料的冷量,吸收通信设备产生的热量,使通信设备的环境温度满足基本要求,直至完成释冷过程。恢复供电后,冷媒温度逐步降低,逐步完成蓄冷过程,直至过渡到正常状态。

工业和信息化部于2016年发布了YD/T3033-2016《通信局(站)用相变蓄能设备》标准,主要定义了其工况条件,蓄能密度(不小于25kWh/m3),释冷过程时间和蓄冷过程时间等参数指标。但此项技术目前应用的范围不是很大。

4 结束语

本文对数据中心基础设施制冷系统中所涉及的节能减排的技术进行了分析,并对与此相对应的标准化工作进行了介绍和解读,希望能给数据中心领域内的研发和应用技术人员提供参考。



责任编辑:Archer

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