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【菱泰能源】数据中心研究(7):自然冷却

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2017-12-07

0预言

能耗是目前数据中心建设和运行过程中最受关注的问题之一。由于冷却能耗在数据中心的总能耗中所占比例居高不下,因此如何降低数据中心冷却耗能成了当今数据中心节能的最主要课题。自然冷却是目前国内外公认的数据中心节能重要措施之一,合理地利用自然冷却技术可以明显减少数据中心的全年能耗。近十几年来,各种自然冷却技术应运而生,极大地推进了自然冷却技术在数据中心的应用和发展,但无论是相关产品的开发还是推广应用,在国内仍然处于起步阶段,节能效果与预期的结果相差甚远,更关键的是商业炒作不断地误导着设计师和用户,因此数据中心的自然冷却技术值得深入研究和反思。

自然冷却技术在数据中心的应用有三大制约因素:1)数据中心所处地理位置和该地区的全年气候条件;2)相关规范和标准对数据中心热环境的限制;3)不同自然冷却技术的适用范围和合理应用。下面分别加以讨论。关于液化天然气(LNG)冷能的利用,笔者将另外撰文介绍。

1自然冷却的气象条件

自然冷却就是利用室外冷源如空气或水(自来水、海水、江河水、湖水、地下水)对数据中心热源进行冷却,替代或部分替代机械制冷,因此室外气候条件在很大程度上决定了自然冷却的可行性和经济性。

我国地域广阔,从北到南,从东到西,跨越了多个气候区。图1GB 50352—2005《民用建筑设计通则》给出的我国建筑气候区划图。表1列出了GB 50352—2005《民用建筑设计通则》给出的我国不同分区气候主要指标。对于某个具体的数据中心,如果采用自然冷却,除了要了解项目所在地所属的气候区,更关键的是要掌握当地历年的气象参数。国内研究人员在进行自然冷却的节能性分析时,采用的气象资料或源于DeST、或源于2005年出版的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》。由于全球气候变暖,各地气象参数发生了明显的变化,进行自然冷却的可行性和节能性分析时应不断更新气象资料,目前国内可采用的最新的气象资料可由JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》获得。


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1 我国建筑气候区划图

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2为根据JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》统计的主要城市完全自然冷却和部分自然冷却的时间。一般将空气侧自然冷却的完全自然冷却的转换干球温度tg定为0 ℃以下,部分自然冷却的转换干球温度定为0 ℃<tg≤10 ℃0 ℃<tg≤15 ℃。水侧自然冷却,根据冷却塔逼近度(即室外空气湿球温度与冷却塔出水温度之差值)计算方法计算,当机房空调机组的进水温度分别为71012 时,完全自然冷却所对应的湿球温度tsh分别为-4.11,-0.412.06 ;部分自然冷却所对应的湿球温度tsh分别为1.895.598.10 (冷水温差为6 ℃)。目前国内外数据中心机房环境温度和冷水进水温度均有升高的趋势,所以自然冷却转换的干湿球温度也会相应升高。数据中心自然冷却的室外环境转换温度如何确定是一个值得研究的课题,本文将详细分析和讨论。

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2自然冷却的热环境范围

数据中心要求系统必须可靠,不同等级的数据中心的可用性必须达到规范或标准规定的等级,因此设计时,往往过分强调系统的可靠性和可用性,结果导致能源浪费和投资增加。为减少这种过于保守的设计带来的浪费,ASHRAE标准和ETSI欧洲电信标准根据IT设备的发展和数据中心热环境的最新研究成果,不断扩大数据中心机房环境参数范围,这使得自然冷却的应用范围得以扩大。图2ASHRAE 2015Thermal guidelines for data processing environments》给出的A1~A4分级推荐和允许环境参数分布图,图3ETSIEN 300Classification of environmental conditionsstationary use at weather protected locations》给出的3.1分级推荐和允许环境参数分布图。

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GB 50174—2017《数据中心设计规范》中环境参数的推荐值为18~27 ,露点温度为5.5~15℃,相对湿度不大于60%;允许值为15~32 ,相对湿度为20%~80%,露点温度不高于17 

目前欧美标准中规定的数据中心环境参数的推荐值和允许值比GB 50174—2017标准范围广,因此数据中心中可使用自然冷却的时间也相应延长。随着IT设备允许的温湿度范围逐年扩大,数据中心环境参数的推荐值和允许值也会随之变更。目前欧美数据中心的标准更新时间越来越短,值得关注。

3自然冷却主要技术的适用范围

按照国际上通用的分类方法,国内外数据中心现行的自然冷却技术可以分为两大类:即空气侧自然冷却(air side economizer)和水侧自然冷却(water side economizer)。这两类自然冷却方式又可以分成若干不同类型,如表3所示。

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3.1  室外新风直接自然冷却

直接采用室外低温空气实现数据中心的冷却。如图4所示,当室外新风自然冷却系统增加喷雾和挡水板功能时,在数据中心自然冷却技术分类时也有学者将这一方式列入直接蒸发冷却方式。

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室外新风自然冷却系统的特点是:1)在气候条件适合的地区使用,从能耗角度考虑该系统能耗最低;2)无法避免室外空气污染(粉尘和有害气体)对IT设备的危害;3)无法很好地控制机房内温湿度,所以目前除了采用带喷雾和挡水板功能段的室外新风自然冷却系统外,这种室外新风直接自然冷却方式在国内外数据中心中十分罕见。国内由于室外空气质量难以保证,更是使用困难,据悉国内已有室外新风直接自然冷却的个别数据中心案例,根据室外空气质量进行新风/回风/排风的转换。

3.2 直接蒸发冷却

蒸发冷却是我国已经达到世界先进水平的一项技术,近年来已经在数据中心和基站得到应用。表4为蒸发冷却技术分类。

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直接蒸发自然冷却系统是指送入数据中心的室外空气先与水大面积直接接触,因水的蒸发吸收汽化潜热而使空气的温度下降,低温空气用于数据中心的冷却。图5为直接蒸发自然冷却系统示意图。除了图4所示采用喷淋和挡水功能的直接蒸发冷却方式外,目前主要采用的是图5所示的滴水填料式直接蒸发冷却方式。

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直接蒸发冷却系统的特点是:1)增设了空气过滤器,保证了循环水或蒸发板不被室外空气污染物污染;2)利用水蒸发带走的汽化潜热,进一步降低了室外空气的温度,提高了节能效果;3)空气被加湿,无法很好地控制机房内温湿度。

如表4所示,蒸发自然冷却系统有2种形式,其一是直接蒸发冷却空调机组,其二是直接蒸发冷却冷水机组。目前国际上采用喷淋式直接蒸发冷却方式最著名的是Facebook在美国普林维尔建造的大数据中心,该数据中心采用了全新风直接蒸发冷却方式,这是因为普林维尔地处高原沙漠,气候非常干燥,虽然全年最高室外干球温度为40.56 ,但是Facebook数据中心IT设备可适应43.3 的高温,因此节能效果十分显著。目前国内采用滴水填料式直接蒸发冷却系统(国内称之为蒸发式冷气机)的有福州某通讯基站,但是工程实践表明其存在以下问题:1)蒸发式冷气机无法满足GB 50174—2017标准规定的机房环境;2)在蒸发式冷气机关闭、机房专用空调开启后,基站内部存在结露的风险;3)蒸发式冷气机使室内空气含湿量增加,从而增加了机房专用空调的负荷,空气除湿的能耗费用高于单独运行机房专用空调的能耗费用。可见,蒸发式冷气机虽然初投资较低、节能效果明显,但是只能在气候和室外空气质量均满足要求的条件下使用。直接蒸发冷却冷水机组一般是采用滴水填料式直接蒸发冷却装置与风冷冷水机组的冷凝器串联,室外空气先通过直接蒸发预冷,再通过冷凝器进一步降温,这样使得冷水机组的COP值得以提高,但是在数据中心的自然冷却中却很少用到这一技术。

3.3 转轮空气直接自然冷却

转轮式空气直接自然冷却系统即利用转轮内填料的储能功能,让转轮在2个封闭的风道内缓慢旋转,利用被室外空气冷却的填料来冷却室内空气,实现数据中心的冷却。由于转轮价格昂贵,效率有限,体积庞大,所以主要用于工业除湿,用于空气直接自然冷却的工程实例很少。

3.4 热管间接自然冷却

指采用热管传递室外冷量的一项冷却技术,属于一种间接式空气侧自然冷却方式。数据中心热管自然冷却系统是国内诸多高校一个热门研究课题,这种系统在国外研究和应用都较少,主要是我国(包括台湾地区)和韩国在研究。目前国内提出了几种不同的热管自然冷却方式,作为产品主要有:热管空调一体机和热管空调分体机(包括背板式、吊顶式和列间式)。图6a所示热虹吸管热管空调机组利用室外冷空气将机房内热量排出室外,室外温度低于20 即可实施自然冷却;图6b所示为背板式热管空调系统,这种空调末端需要与带自然冷却功能的机械制冷系统结合,图中RCU为制冷剂冷凝单元。


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热管式自然冷却系统的特点是:1)与空气侧直接自然冷却相比,不会影响室内空气质量和湿度;2)与水侧自然冷却相比,由于内部为相变传热,传热效果及自然冷源利用率更高;3)机组制冷量较小,即使是分体机制冷量也小于40 kW,所以一体机主要用于基站空调,分体机则适合于小型计算机房空调。

热管式自然冷却系统需要解决以下问题:1)热虹吸管热管空调机组与机械制冷的空调机组的配合;2)制冷剂分配问题、制冷剂泄漏问题、室外机连接管长和高差问题、冷量衰减问题、新风问题等。

热管式自然冷却系统尚属于试用阶段,图7为国外开发的一种无风管、无水泵、无制冷剂的热管式自然冷却系统。利用热管将服务器的散热排到两侧保温散热风道中,然后由上部的风管排到室外,这个专利技术十分简单,但是需要有相应的服务器配合,值得国内借鉴和参考。

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3.5  间接蒸发自然冷却

指室外空气经过表面式换热器与经蒸发冷却的水或空气进行换热而被冷却,低温空气用于数据中心的冷却。

如表5所示,间接蒸发冷却有2种形式,即间接蒸发冷却空调机组和间接蒸发冷却冷水机组。同时采用直接蒸发和间接蒸发冷却对空气进行冷却,又可以组合成复合式蒸发冷却空调机组。《蒸发冷却通风空调系统设计指南》一书中详细介绍了这些蒸发冷却技术、设备和设计方法。图8为间接蒸发冷却系统示意图。

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间接蒸发冷却系统的特点是:

1)在气候条件适合地区应用时,计算机模拟结果和西北地区数据中心工程实践表明,节能效果明显。其中乌鲁木齐开发区联通数据中心和新疆阿勒泰北屯电信数据中心是2个完全不采用机械制冷、仅用复合式蒸发冷却即可全年为数据中心供冷的典型工程。对于其他地区,尤其是我国南方各省,蒸发冷却节能效果必须通过具体工程的现场实测得到。

2)复合蒸发冷却系统适合与机械制冷系统联合供冷。由于蒸发冷却受室外气象条件的制约很大,因此蒸发冷却与机械制冷组合应该是一种互补的节能措施。例如蒸发冷却复合高温冷水机组,可以根据室外环境湿球温度的变化,尽量采用蒸发冷却技术制取高温冷水进行供冷,而减少机械制冷机组的运行时间和其运行时所承担的负荷而节省能源;在室外环境不满足要求时,采用机械制冷制取高温冷水,以保证制取的冷水温度的稳定性。

3)水消耗将引发电能利用效率PUE和水利用效率WUE计算问题。根据美国绿色网格等公司的调查,蒸发冷却需要使用大量清洁水,因此在计算PUE时,应该加以考虑。他们认为,如果将蒸发掉的水所使用的电能加入计算,将使PUE数值变大。根据计算,使用直接蒸发冷却技术的数据中心,不考虑水所使用的电能时,PUE1.1,考虑水所使用的电能时其PUE1.42;同样,使用间接蒸发冷却技术的数据中心,考虑水所使用的电能时,其PUE2.18。目前国内并未重视蒸发冷却对PUE,尤其是对WUE的影响,查阅几十篇相关文献,均未发现详细计算采用蒸发冷却或蒸发冷却和机械制冷联合系统的数据中心的PUEWUE。关于数据中心耗水量问题笔者将另外撰文讨论。

4)风量和机组体积过大,且需要置于室外,因此只适合中小型数据中心。蒸发冷却由于送风温度较高,加上需要使用排风机,所以机组风量和体积均很大。以一个已经采用蒸发冷却机组的数据中心为例,IT机房面积为440 m2,设备发热量为178 kW,蒸发冷却机组外形尺寸为5280 mm×2 450 mm×2 700 mm,设计风量为42 000 m3/h,额定功率为27.5 kW。再以一个气候条件与上述工程相近、1万个机架、冷负荷为70 MW的超大型数据中心为例,如果采用相同的蒸发冷却机组,风量将达到1 650m3/h,即使不考虑冗余,机组也将达到393台,仅机组本身占地面积将达到5 000 m2。因此蒸发冷却技术应该因地制宜地使用,一般只适合小型数据中心。

5)室内可能出现凝露现象。当蒸发冷却与机械制冷机房空调机组组合时,由于蒸发冷却无法除湿,进风空气露点温度较高,如果处理不好,与机械制冷机房空调机组的出风混合,很可能在室内出现凝露现象,需要高度重视。

6)冬季防冻技术有待研究和实践。无论是直接蒸发还是间接蒸发,在冬季室外温度低于0时,目前均是采取关闭冷却水系统的做法,对于采用表面式换热器的间接式蒸发冷却系统可以采用乙二醇溶液循环,成为一种干冷器,继续运行。事实上,蒸发冷却与开式冷却塔相似,国内对于开式冷却塔冬季防冻运行已积累了丰富的经验,蒸发冷却应该在冬季防冻技术方面开展深入研究,扩大蒸发冷却应用范围,使间接蒸发也可以用于数据中心的完全自然冷却。

3.6 冷却塔自然冷却

指利用室外较低的干球温度或湿球温度通过冷却塔来制备冷水,部分或全部替代机械制冷的一项技术,冷却塔自然冷却属于水侧自然冷却,冷却塔自然冷却是目前数据中心采用最多的自然冷却技术之一。

冷却塔自然冷却包括:1)开式冷却塔直接自然冷却,冷却塔的冷水直接供给机房空调机组使用;2)开式冷却塔间接自然冷却,冷却塔的冷水通过板式换热器与机房空调机组的循环冷水换热后向空调机组供冷;3)闭式冷却塔自然冷却,闭式冷却塔也称蒸发式空冷器或湿式冷却器,是将管式换热器置于塔内,利用喷洒在换热器上的水蒸发将热量排至室外环境中的排热装置,直接向机房空调机组提供冷水或乙二醇溶液;4)干式冷却器(dry cooler)自然冷却,干式冷却器是将管式换热器置于塔内,通过流通的空气冷却管内乙二醇或水达到排热降温效果,直接向机房空调机组提供冷水或乙二醇溶液;5)混合型冷却塔,全年大部分时间按干式冷却器运行,其余时间向干式冷却器喷洒水,成为蒸发式空冷器,即湿式冷却器。

9为开式冷却塔间接自然冷却系统的示意图。图9ab分别为串、并联模式(图中打叉图例表示该运行工况下此阀门关闭),左图均为机械制冷工况,右图均为自然冷却工况。

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开式冷却塔直接自然冷却方式的特点是:由于水质容易被污染,会严重影响机房空调机组换热器运行的可靠性,因此在数据中心中很少使用。

湿式冷却器和干式冷却器的特点是其中换热器内的水直接进入机房空调机组中,无水质污染。事实上这几种冷却塔也可归于间接式蒸发冷却装置。

目前冷却塔自然冷却中使用最多的是开式冷塔间接自然冷却方式。开式冷却塔间接自然冷却有2种方式:1)串联式,冷却塔冷水流过板式换热器和冷水机组,根据室外空气湿球温度进行转换,可以让冷却塔冷水流过板式换热器和开启的冷水机组实施局部自然冷却;或是关闭冷水机组,冷却塔冷水旁通流过板式换热器,进行完全自然冷却,如图9a所示。2)并联式,板式换热器与冷水机组并联,当室外空气的湿球温度低于冷却塔逼近度和板式换热器的温升(宜按1设计)之和时,关闭冷水机组,由冷却塔供冷水。并联式只能用于完全自然冷却模式,如图9b所示。

开式冷却塔间接自然冷却的优点是:1)当气候条件适宜时,节能效果明显;2)适合各种规模数据中心使用;3)技术相对简单;4)机房空调机组的水质可以得到保证。缺点是:1)水阻力(板式换热器、阀门和管道)明显增加,导致能耗上升,如果设计不合理很可能将自然冷却的节能获益抵消殆尽;2)初投资增加;3)室外湿球温度影响十分明显;4)冷却塔的性能,尤其是热质交换效率影响自然冷却节能率;5)冷却塔的水耗量(蒸发、飘逸、排污等)直接影响数据中心的WUE值,即影响数据中心的经济性;6)冷却塔水质污染转移到板式换热器,板式换热器容易堵塞。

开式冷却塔间接自然冷却,串联模式有3种工况:1)完全自然冷却;2)部分自然冷却;3)完全机械制冷。并联模式没有部分自然冷却模式,只有2种工况。不同工况的转换温度如何取值,由于涉及到自然冷却的使用时间长短,也就是节能量的多少,值得深入研究。

关于自然冷却转换温度的取值,目前国内学术界和工程界观点并不一致,其中具有代表性的几篇文献存在明显的差异。祝伟民认为完全自然冷却转换温度应该取湿球温度3.5 ℃;杨毅等人认为完全自然冷却转换温度应该取湿球温度1 ℃,部分自然冷却的转换温度应该取湿球温度8.23 ℃(冷却塔出水温度为16 ℃);折建利等人在实际工程中是按室外空气湿球温度连续5 h以上、空气湿球温度低于时采用完全自然冷却操作。

之所以在自然冷却转换温度上出现如此明显的差异,主要有以下三方面的原因:

1)缺乏对开式冷却塔的实际性能的了解。对自然冷却效果影响大的冷却塔性能指标一个是逼近度,另一个是冷却水温差。郑钢等人根据某品牌逆流冷却塔数据拟合,得出室外空气湿球温度tsh与逼近度Δt的数学关系式及冷却塔出水温度tc1tsh的关系式:

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10显示了逆流冷却塔湿球温度与逼近度关系。

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由图10可知,当湿球温度为28 时,逼近度为4.0 ℃,即冷却塔出水温度为32 ℃,与国家标准GB/T 7190.1—2008《玻璃纤维增强塑料冷却塔 1部分:中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔》标准设计工况的规定相符,说明以上公式可以使用。

2)国内文献往往对冷却塔的性能评价过高,例如杨毅等人认为,完全自然冷却转换温度取湿球温度为6.5 时,对应的冷却塔出水温度为11 ℃,即逼近度为4.5 ℃。按此推算当湿球温度为28 ℃时,逼近度竟然可以达到0.4 ℃,也就是说对应的冷却塔出水温度只有28.4 ℃,显然这是不可能的。事实上,即使是性能优良的冷却塔,当湿球温度为6.5 ℃时,对应的冷却塔出水温度也只能达到14.6 ℃,逼近度为8.1 ℃

另一方面,为了标榜冷却塔的产品性能优良,国内部分冷却塔厂家采用降低冷却塔进出水温差的办法来缩小逼近度。GB/T 7190.1—2008规定,冷却塔的进出水温差应为,图11显示了采用折建利等人的模拟数据给出的冷却塔不同进出水温差和湿球温度下的逼近度。由图11可以看出,减小冷却塔进出水温差可以明显减小冷却塔的逼近度,但付出的代价是需要大幅度提高冷却水的水量,水泵初投资和能耗相应增加。

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对于间接式冷却塔自然冷却的转换温度,目前国际上推荐以下计算方法:

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式中 tPW为部分自然冷却室外空气湿球温度,tRW为冷水回水温度,DA为冷却塔逼近度,tTR为板式换热器温升,

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式中 tTW为完全自然冷却室外空气湿球温度,tSW为冷水供水温度,

按照GB 50174—2017《数据中心设计规范》的规定,数据中心的冷水供水温度为7~21 。实际运行的数据中心常用的冷却塔冷水供水温度(板式换热器温升按1 ℃设计)主要有69111420 。如果采用冷却塔完全自然冷却,根据式(4),相对应的湿球温度应该分别为-4.11-0.412.15.813.2 。如果采用冷却塔部分自然冷却,根据式(3),相对应的湿球温度应该分别为1.895.598.111.819.2 (冷水温升按6 ℃考虑)。

对于冷却塔自然冷却来说,冷却塔的冷却能力与所处地区气象条件有关,所处地区的气象条件决定了冷却塔自然冷却的时间。由于室外气候除了季节变化,还有同一季节不同时间、甚至一天内的变化,因此采用冷却塔自然冷却技术时,必须注意冷水温度变化的影响。应通过可靠的自控系统实现冷水机组供冷和冷却塔供冷2种运行工况间的平稳转换。严寒和寒冷地区,数据中心冷却塔自然冷却系统必须设置可靠的防冻技术措施,包括报警、调控和必要的应急加热防冻措施。

3.7  带自然冷却的风冷冷水机组

指在传统的风冷冷水机组的基础上并联自然冷却盘管,使得风冷冷水机组同时具备机械制冷和自然冷却的功能。由于风冷冷水机组体积紧凑,不用专门的机房,所以应用广泛。但是当风冷冷水机组冬季在全年需要供冷的数据中心运行时,可能出现冷水冻结,低环境温度下启动困难、出现低压保护等问题。为解决上述问题,带自然冷却的风冷冷水机组应运而生。图12为带自然冷却的风冷冷水机组工作原理示意图。

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夏季冷水机组按正常模式运行,关闭自然冷却盘管,冷水旁通;过渡季节开启自然冷却盘管,冷水先进入自然冷却盘管预冷,再进入蒸发器进一步降温;冬季则关闭冷水机组,开启自然冷却盘管,冷水在自然冷却盘管内冷却,再供给机房空调系统。

目前带自然冷却的风冷冷水机组采用的压缩机有:磁悬浮离心式压缩机、螺杆式压缩机和涡旋式压缩机。

带自然冷却的风冷冷水机组,不同厂家设置的自然冷却的室外环境切换温度有所不同,当冷水进出水温度为12 ℃/7 ℃时,完全自然冷却的室外环境切换温度为0 ℃以下,部分自然冷却的室外环境切换温度为0~10 ℃10 ℃以上全部机械制冷。

带自然冷却的风冷冷水机组选型时,应注意以下问题:1)气候的变化,除了季节转换,还有日变化和小时变化,因此如果只根据某一个环境温度进行上述3种运行模式的切换,很可能出现制冷压缩机频繁启动,影响自然冷却的节能效果,同时也可能导致冷量不够。邱育群提出的以进水温度与环境温度的差值作为判断条件的控制方法值得关注,该方法简单有效,增加成本较少,在最大限度地利用自然冷源的同时,可实现纯压缩式制冷、压缩式制冷与自然冷却混合制冷、纯自然冷却制冷3种模式的自动切换,并最大化地利用自然冷源。

2)目前有多种带自然冷却功能的风冷冷水机组可供选择,压缩机具备无级调速功能极为重要,这种功能可以确保机组在所有负荷工况和温度环境下高效运行。磁悬浮离心式压缩机由于在部分负荷下具有明显高于其他形式压缩机COP的特性,对于采用多台冷水机组的数据中心,在混合模式运行时,可以启动多台磁悬浮离心式机组,使其在部分负荷工况下运行,节能效果更加明显。

3)带自然冷却功能的风冷冷水机组应具备智能化控制功能,优化全年能源使用,动态评估外部环境,在自然冷却功能关闭时,通过控制旁通阀减少水泵能耗,当需要设定新的参数时,可以通过冷水机组控制面板进行调节。

4)恶劣的室外环境会影响风冷冷凝器和自然冷却换热器的换热性能,风冷冷凝器和自然冷却换热器本身换热能力也会随着运行时间而衰减。为避免带自然冷却风冷冷水机组因性能变化导致系统参数与原设定的工况转换条件不符,以致影响到系统的可靠性,冷水机组的控制系统应设置自动或手动置换功能,确保系统的可靠性。

3.8  制冷剂自然冷却

制冷剂自然冷却系统,国内亦称氟泵自然冷却系统,是国内数据中心业界近年来炒作的一项技术。何谓氟泵空调?在制冷空调界却鲜为人知。查阅GB/T 50155—2015《供暖通风与空气调节术语标准》,既无氟泵自然冷却系统,也无氟泵空调的术语。事实上,氟利昂是美国杜邦公司对一系列碳氟化合物所取的通用商品名,所以国家标准名词术语采用的是制冷剂,国内将制冷剂溶液泵俗称为氟泵,但俗称是不能作为名词术语的,正规的说法应该是制冷剂溶液泵。又据百科全书,氟泵的定义是:内衬氟塑料的泵,按照其结构形式一般可分为衬氟离心泵、衬氟磁力泵、衬氟自吸泵。出于商业目的,将一项业界已经耳熟能详的技术重新冠名、重新包装,大肆宣传的现象并非少见,需要及时甄别。

根据工作原理,IT行业使用的所谓氟泵自然冷却系统,或者双动力源空调系统,实际上就是制冷剂自然冷却系统,这是从上世纪70年代开始在国外就有人研究和应用的一项技术。国内从上世纪90年代开始也有人开始研究这项技术,并有相应产品研发成功。ASHRAE TC9.9《数据中心电力设备热指南和最佳实践》将这一系统称之为制冷剂经济器refrigeranteconomizer),并对其优缺点进行了评述。事实上这种系统还是应该划分到空气侧自然冷却,该系统已有正式产品进入市场,并在数据中心应用多年。

制冷剂自然冷却系统的工作原理十分简单。夏季,制冷压缩机制冷;冬季,当室外温度低于控制器设定温度时,控制器自动由压缩机制冷切换为制冷剂自然冷却,被室外风冷冷凝器冷却的制冷剂溶液通过制冷剂溶液泵输送到蒸发器内,吸收室内的热量后,制冷剂由液态转变为气态,然后进入风冷冷凝器,再次冷却成液体,周而复始;过渡季节,机械制冷和制冷剂循环同时工作。

制冷剂自然冷却系统的特点是:1)不需要增加换热器;2)无污染危险;3)无需增加风道和改变建筑结构;4)无风阀;5)机械制冷模式和自然冷却模式可以快速变换;6)不用水;7)无冻结危险。

虽然制冷剂自然冷却系统的工作原理简单,但是系统并不简单,从目前数据中心已经投入运行的制冷剂自然冷却系统来看,存在以下问题:1)只适用小型机房,机组冷量小于100 kW2)成本上升。由于增加了制冷剂溶液泵、低压循环桶、集油器及浮球阀等设备及其附件,投资增多,安装费用也相应增加,机房的占地面积扩大;与此同时,由于制冷剂充注量的增加,也增加了初投资。3)压缩机与制冷剂溶液泵切换时,常常出现泵流量丢失、泵锁定等故障;制冷剂溶液泵经常会碰到的问题是,屏蔽泵的电流很小,泵前后压差建立不起来。4)从制冷剂制冷模式切换到压缩机制冷模式时,存在液态制冷剂吸入压缩机而引起液击的危险。5)由于制冷剂与油部分互溶,将导致低压循环桶中的液面上部积存冷冻油,很容易引起系统整体缺油,以致油无法回到压缩机中的润滑机械部件,造成压缩机故障。

3.9  地表水自然冷却

利用地表水,包括海水、江河水、湖水、地下水作为数据中心的自然冷源,目前国内开始尝试,国内第一个采用湖水作为自然冷源的数据中心——浙江千岛湖数据中心已投入运行,受到国内IT和空调界的高度重视。该工程节能效果十分显著,20177月,当室外气温高达40 时,该数据中心的机械制冷设备也无需开机。但对该工程是否会影响千岛湖水质,破坏生态环境有所担心,事实上该工程在设计过程中已经高度重视这一问题,并采取了相应措施。另外一个采用湖水作为自然冷源的数据中心——湖南东江湖大数据中心一期已开始有用户入驻,该工程由于取水于湖水下泄10 km处,水温年平均温度低于13 ,因此可以完全在生态友好的条件下运行。该工程采用了多项节能技术,被国内外IT业界和空调界关注。

利用地表水作为数据中心的自然冷源虽然节能效果十分明显,但是除了受到自然环境的高度制约外,在技术和环境保护方面均需要深入研究。

4讨论

4.1  机房空调机组表冷器存在的问题

数据中心的供冷设备目前采用最多的还是冷水机组,风冷冷水机组或水冷冷水机组,如前所述,对于这2种冷水机组都有相应的自然冷却技术配套。不管采用哪种方式,冷水的服务对象都是空调机组中的表冷器,空调机组则包括水冷精密空调机组、列间空调机组、背板式空调机组等。根据笔者最近几年对已经运行的多个数据中心的实地调查,发现空调机组中的表冷器设计存在很大的问题,鲜有人研究,具体表现在:

1)表冷器冷水温差达不到额定值。根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的规定,数据中心的冷水供水温度为7~21 ,冷水回水温度为12~27 ℃。实际运行的数据中心按照用户的要求,冷水供回水温度有7 ℃/12 ℃10 ℃/15 ℃12 ℃/18 ℃15 ℃/21 ℃21 ℃/27 ℃几种组合,其冷水温差为5 ℃6 ℃。存在的主要问题是,绝大部分空调机组冷水实际温差只有2 ℃左右,由于空调机组的设计冷量是一定的,而冷水泵又是按5 ℃6 ℃冷水温差设计配置,因此冷水温差的减小将导致空调机组的冷量不足,数据中心自动控制系统将自动降低冷水机组的出水温度,这一现象可以从多个现场自控大屏幕显示的结果观察到。当冷水机组冷水进出水温度从12 ℃/18 ℃降低到7 ℃/9 ℃时,按照蒸发温度每降低1 ℃,冷水机组的COP将减少3%的规律来计算,冷水机组的COP最终将减少15%,数据中心的运行费用将明显增加。多个工程项目将这一现象归罪于冷水机组生产厂家,而冷水机组生产厂家现场又无法解决此问题,形成一个怪圈。

表冷器冷水温差达不到额定值还可能是由于冷水流量和温差与实际空调负荷不匹配造成的,比如冷水循环系统按照满负荷设计,而IT机柜建设却分期进行,结果导致空调负荷达不到满负荷的设计值。此外设计施工和运维等多个环节也可能引发上述问题。

2)空调机组产品所执行的试验工况与实际工程不符。如前所述,根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的规定,机房环境参数推荐值为18~27 ,相对湿度<60%,允许值为15~32,相对湿度20%~80%。国内外一般视机房环境参数为机房机柜进风参数,如果考虑冷风通过架空地板或冷通道时产生的温升,机房空调送风温度应低于机房环境参数。目前国内生产的机房空调末端装置均按照GB/T 19413—2010《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》的规定生产,表5给出了计算机和数据处理机房用单元式空气调节机试验工况,空调末端设备的空气入口温度均为干球温度24 、湿球温度17 ℃,即相对湿度49.6%(产品样本一般标注为干球温度24 、相对湿度50%),冷水供回水温度为℃/12 ℃。而实际数据中心并非按照这一工况运行,如果空气入口温度为干球温度24 ℃、湿球温度17 ℃,通过机柜后空气升温11 ℃,干球温度将达到35 ℃,这时相对湿度将降低到26.5%,露点温度为12.83 ,如果新风单独处理,机柜排出的热风通过热通道进入空调机组,这时的空气入口温度就不再是干球温度24 ℃、湿球温度17℃了,空调机组的送风温度和冷量也会发生明显变化。表6给出了不同空气入口温度、不同供回水温度下,1台送风量为10 100 m3/h的冷水式单元式空调机的送风温度和冷量。

6是根据表冷器的试验公式,利用计算机软件模拟所得结果。由表6可知,1台冷水式单元式空调机组如果只提供按照表5额定工况试验所得参数是远远不够的,由于实际工作条件下空气入口参数或冷水供水温度和温差的不同,空调机的送风参数和冷量将发生很大变化,这对于使用自然冷却来提供冷水的数据中心来说,不但影响自然冷却工况转换时间的设定,也影响自然冷却的节能效果。由于目前生产数据中心用机房空调机组的国内外厂家均只提供GB/T 19413—2010试验工况的参数,因此,提供不同空气入口参数、不同冷水供水温度和温差下的机房空调机组的性能参数是当务之急。

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4.2  随意抬高自然冷却节能效果的问题

数据中心采用自然冷却可以节能,可以减少数据中心的运行费用毋庸置疑,但是不少商家为了推销产品不负责任地随意抬高自然冷却在数据中心中的节能效果,这种行为应该引起数据中心相关单位的高度重视。

不久前网上公布了一家著名的美国公司关于在数据中心采用该公司生产的间接式蒸发机组,在我国多个城市可以达到的PUEWUE 值,见表7

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根据国内的统计,当数据中心制冷空调系统设计合理、设备先进时,机房冷却能耗约占数据中心总能耗的40%IT设备能耗约占40%,按表7PUE推算,采用该公司生产的间接蒸发空调机组,国内上述7个城市数据中心的PUE最低为1.34,最高为1.43,也就是说国内所有城市的PUE全部可以达到GB/T 32910.3—2016《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》规定的一级节能数据中心的标准,显然这是不可能的。此外,与采用冷却塔的水冷冷水机组相比较,可以节能54%~69%也是不现实的。

国内也有厂家大肆宣传数据中心采用自然冷却和间接蒸发冷却技术后可以达到的节能效果,例如深圳某公司宣称其生产的间接式蒸发冷却系统较常规高效风冷空调系统节能66%,比采用自然冷却的冷水机组节能46%,更为令人费解的是可以节水70%。查阅国内和外资生产厂家的样本,采用自然冷却后所能获得的节能效果是,以北京为例,采用带自然冷却的风冷变频螺杆式冷水机组与无自然冷却变频螺杆式冷水机组相比较节能30%,氟泵自然冷却机组(制冷剂自然冷却)与风冷机房空调机组相比较节能20%,热管自然冷却一体机组与风冷机房空调机组相比较节能35%,风冷机房空调机组加装热管自然冷却模块后节能20%。虽然各个厂家和学术论文所列举的自然冷却节能效果很高,但是根据实测,自然冷却的节能效果往往大打折扣,因此自然冷却在数据中心冷却系统中的应用尚需深入研究,产品尚需进一步开发、完善和提高。

5结论

1)无论是哪种自然冷却技术,其可行性和节能效果均取决于当地的气候条件,因此在设计过程中,应该对数据中心所在地的历年气象参数进行全面的调查,考虑到全球气候变暖等因素,所采用的气象参数应该是最新的统计值。

2)每一种自然冷却技术都有一个适用范围,选择自然冷却技术时应充分考虑当地的气候条件、室外的空气质量、水源、工程规模、建筑结构、初投资等因素。

3)应该正确评价每一种自然冷却技术的优缺点,不应夸大其节能、节水效果,应高度重视可能导致自然冷却技术失败的潜在因素。

4)冷却塔是数据中心自然冷却技术中应用最广的一个核心部件,冷却塔性能的优劣不但影响自然冷却的节能效果,也直接影响系统全年耗水量,选型时应广泛调查、查阅该产品的实验数据,分析实际使用效果。

5)表冷器作为机房空调机组的核心部件,目前产品样本所能提供的性能参数严重短缺,需要尽快补充。GB/T 19413—2010《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》所规定的试验工况与实际工程工况差异明显,有待补充更新。此外,机房空调机组的表冷器设计计算方法普遍存在严重问题,结果导致冷水温差无法达到设计规定的数值,从而引起冷水机组性能系数下降、水泵能耗增加,急需解决。

数据中心,尤其是大中型数据中心在我国的高速发展也只是近几年的事,因此自然冷却在数据中心应用实例,尤其是成功的项目屈指可数,这项直接影响到数据中心经济性和节能减排效果的技术还有待深入、完善和提高。

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