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【数据中心节能】制冷系统分析
2018-04-19

1、数据中心制冷系统节能的界定

数据中心制冷系统,遵循制冷系统的原理和技术架构,影响能耗的要素是温度差、压力差、传导路径,换热工质、设计选型、设备效率、自然冷却利用空间等,但也有与民用建筑制冷系统的不同特点:高显冷(应对IT设备高显热)、大风量(高功耗)、连续运行(24*7)、冗余备份(避免单点故障,可用性99.99%+)。 

在数据中心能耗中,IT设备的能耗居首,其次为制冷能耗;以一个PUE=1.5的数据中心为例,电力系统消耗5~10%,接近25%~35%是制冷能耗。探索低能耗提升效率,优化TCO成本的绿色节能制冷系统方式是本文探索的重点。

数据中心制冷系统的绿色节能,希望通过三个主要的指标来界定和评估,即**化制冷效率和*小化能量传递能耗,系统成本**,即快,好,省。因此对于数据中心制冷系统节能方式将从两个维度进行分析评估,即从热量传递途径横向进行剖析和制冷系统纵向的比对。通过对制冷系统的分解,可以划分为四个级别;从冷却数据中心的IT设备的芯片级别开始,是设备部件级别的冷却级,为第一级;再次为IT硬件设备散热到机架,是硬件设备的冷却级,为第二级;然后是若干设备组成的机架和机架列散热,是机架和模块级别的冷却级,为第三级;**机房内部热量被冷却系统传导到室外,完成整个制冷冷却系统的流程,为第四级别,主要是纵向的不同类型制冷系统的对比。这四个级别可以在每个层级进行分析对比,寻找每个级别*佳节能方式。**,运营管理和能效管控系统是实现这些节能方式,发挥效果的重要手段。 

2、第一级别制冷系统节能方式:芯片/IT节点设备冷却 

1)风冷散热片

风冷散热片是*常见的散热器件,一般是导热性能比较好铝或铜等材料经过加工成散热翅片增加散热面积和效率,然后通过特殊的介质(通常是导热硅脂)紧贴住发热量很大的芯片,然后再在散热片上固定一个风扇,增加流速提升换热能力更快带走热量,从而达到对芯片散热的目的。提升风冷散热片的途径是提高散热面积,提高换热系数,提升辐射散热效率以及使用散热效率更佳的材料粘合充分接触保证降低传导热阻。如下图2。

风冷散热片的优点是简单实用,且价格低廉;但其缺点在于: ①冷却效率不高,不能完全将CPU发热量散发出去,仅依靠传导和对流容易达到风冷法散热器导热极限;②随着风扇的功率和转速的增大,产生的噪声也随之增大; ③由于风扇是运动部件,相对容易损坏,可靠性有一定影响。

2)、热管散热器

热管散热器对比常规的风冷散热片有所改变,在*贴近CPU部分使用**的热管替代常规金属基座。热管是通过封闭的金属腔体和毛细芯,充分利用了换热工质在热端蒸发后在冷端冷凝相变(即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热)和热传导原理,使热量快速传导透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力高于同等质量金属达到数量级级别,而且平板型热管的热温度场均匀,局部换热量大,成为更佳的散热解决方案,当然成本有所增加。

3)、液冷

液体冷却,通常采用特种或特殊处理液体直接或近距离间接换热冷却芯片或者IT整体设备。液体冷却分间接液冷和直接液冷。

间接液冷,实质是冷媒与发热元件被导热材料分离,不直接接触,而是通过液冷板、液冷头等**热传导部件将被冷却对象的热量传递到冷媒中,冷媒再通过制冷系统实现冷媒的循环和降温。采用间接冷却的液冷散热系统,对IT设备没有明显改动,仅需将原风冷散热片替换为液冷散热片,增加冷媒换热系统。

常规情况下,芯片工作温度常规为20-60℃区间,可以使用无相变的水(离子水+铜缓蚀剂)或者水氟转换系统进行换热,通过外部冷却水或冷冻水系统实现系统换热。该系统重点在于选择合适的冷媒,并且设计复杂的冷媒管路到达每个机架,为每个IT设备结合设计无滴漏的快速接头,保证液冷系统支持热插拔实现维护时不中断整个系统,及避免换热介质流出。另外,数据中心中较多的循环管路的故障维护和水力平衡都是难题。

直接冷却,是采用密闭的氟化液等矿物质直接浸泡冷却IT设备的芯片、内存等发热部件,形成密封的一级散热循环系统,而二级循环系统可以采用自然风冷或者冷却水系统进行冷却。对比间接制冷系统,发热元器件冷却均匀度更好,冷却液温度可以更高,尤其是选择一定温度下相变的液体,局部散热能力强,散热效果更好;比如对于60℃度的芯片,可以采用50℃冷却水,冷却蒸发温度在55-60℃的冷媒流体,因此,即使夏季45℃高温天气,也可以实现直接新风冷却或者冷却塔,从而数据中心实现全年自然冷却,降低能耗,这对于全球温带和热带区域实现制冷系统的**带来了突破,是有竞争力的制冷方案。

但是液体冷却面临较多挑战:

1)目前液冷更适合于高功率密度和全新的服务器架构设计,无法兼容目前主流的风冷的服务器架构和数据中心设计,改造难度大。

2)因规模和应用范围的限制,尤其是部分IT设备部件材料在直接冷却液体中的兼容性和化学稳定特性需要长期测试验证,液体冷却的成本较高。

3)系统设计有待项目验证和优化,如对于每个IT设备液冷需要大量的管路优化设计和水力平衡及流量控制,冷媒冷却温度的控制和二级循环冷却管路的匹配联动控制等。

4)IT设备的维护更换需要液冷支持快速插拔无渗漏的更换,供电电缆和传输的光缆连接器等有源部件的密封和散热都需要优化设计。

在这一级别的换热环节中,不论散热片还是热管均需要IT设备级别的风扇强制对流换热,二者的区别无非是使用换热效率和温度场均匀度方面存在差异,风冷散热片的散热极限一般为40W/cm2 ,利用腔体内的沸腾或者热管配合风冷强制换热,常规做到100W/cm2 ,利用 IC工艺制成的多根微型热管阵列的水冷泵循环 ,其冷却功率可达200 W/cm 2,而当水的流量为10cm3/s,水的温升为71℃时,冷却热流高达790w/cm2,是目前散热能力**的水冷装置。

A、温度标准对制冷系统的节能影响

《电子信息系统机房设计规范(GB50174-2008)》附录A明确要求A级和B级机房内机房的温度为23±1℃(开机时),C级别的数据中心IT设备的工作温度范围为18~28℃(开机时); ASHRAE(美国暖通空调协会)发布的数据中心标准中,在2008年版本中,数据中心的温度范围为18-27℃;而在2011年温度范围扩大为10-35℃,以适应IT设备的设计的工作温湿度范围的扩大。

对于数据中心温湿度标准建议

温湿度标准的放宽,对自然冷却时间的影响有多大,我们可以抽样国内区域环境温度来说明。选择位于京津冀一体化区域中数据中心产业转移地之一的张家口,如下表1: 2014年全年逐时室外干球温度。全年8760小时内假定不考虑污染和其他沙尘天气,如果设定进风温度为18℃,全年新风自然冷时间为86.04%;而提高到A级和B级标准的进风温度23℃,自然冷却时间全年可以提升10.25%;而当温度提升到27℃时,全年新风自然冷时间可以提升到99.98%;到28℃时可以实现全年新风冷却,意味着可以实现架构的完全调整实现无冷水机组配置,节能空间大且减少投资。因此,从系统角度而言,IT设备的工作温度范围决定了数据中心温湿度设计的标准,将决定架构和节能的空间。

张家口2014年逐时干球温度统计

温度区间

低于18℃

18~23℃

23~27℃

27~28℃

时间

7537

898

323

2

比率

86.04%

10.25%

3.69%

0.02%

B、湿度标准对制冷系统节能影响

《电子信息系统机房设计规范(GB50174-2008)》附录A中明确要求A级和B级机房内机房的湿度为40-55RH%(开机时);C级别的数据中心IT设备的工作温度范围为35-75RH%(开机时);ASHRAE(美国暖通空调协会)公布的数据中心标准, 2008版本和2011版本的湿度范围由40-70RH%则扩展到了20-80RH%。湿度放宽标准,主要是保证数据中心中IT设备避免产生静电和湿度过大造成的凝露和增加腐蚀可能性,因此数据中心加湿系统可以进行优化设计。传统机房空调中能耗较高的电极加湿器和红外加湿器均被更低能耗的湿膜加湿器及高压细水雾系统或超声波加湿器所替代。以典型应用的湿膜加湿系统或直接喷雾系统为例,仅需要系统水泵加压将水形成水雾,由送风气流送出实现等焓加湿,无需水加热形成蒸汽的能耗,仅需要水泵的能耗和风机的能耗,加湿10kg/h的水,湿膜加湿系统仅需要耗能0.6-0.8KWH,而采用红外加湿或电极加热系统需要耗能8-12kWH。

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