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1 引言
隨著低碳經(jīng)濟(jì)的來臨,國(guó)家對(duì)節(jié)能減排工作日益重視。2009年12月哥本哈根氣候變化會(huì)議上,中國(guó)政府承諾到2020年,單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。
隨著新一代移動(dòng)通信和下一代互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)蓬勃發(fā)展以及視頻、圖像等新業(yè)務(wù)新應(yīng)用帶來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng),大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設(shè)使得集成度高、能耗大的數(shù)據(jù)單架設(shè)備大量增加,能源消耗總量呈指數(shù)增長(zhǎng)。綠色數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然。
眾所周知,空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心中能耗占比較大系統(tǒng),僅次于IT系統(tǒng)。因此本文將重點(diǎn)闡述數(shù)據(jù)中心供電制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的主要節(jié)能技術(shù)的原理、應(yīng)用情況以及其標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展情況等。
2 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)架構(gòu)及節(jié)能技術(shù)
據(jù)美國(guó)采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)技術(shù)委員會(huì)9.9(簡(jiǎn)稱TC9.9)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示,數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如圖1所示。
由圖可見,IT系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心能耗大戶。
本文主要介紹數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)總體架構(gòu),其典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。3 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)
為了滿足IT設(shè)備正常運(yùn)行環(huán)境條件,數(shù)據(jù)中心需配備制冷系統(tǒng)。多個(gè)國(guó)內(nèi)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中提出了對(duì)數(shù)據(jù)中心的環(huán)境條件要求,如在GB/T50174數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范中提出數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的環(huán)境溫度應(yīng)保持在18～27℃,允許工作溫度為15～32℃;而在ITU-TL.1300《數(shù)據(jù)中心最佳實(shí)踐》標(biāo)準(zhǔn)中提出最佳環(huán)境溫度范圍為18～32℃;在YD/T1821標(biāo)準(zhǔn)中提出的大型和超大型數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度范圍為18～26℃,中小型數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度范圍為15～27℃。在滿足數(shù)據(jù)中心環(huán)境條件要求的基礎(chǔ)上,各綠色數(shù)據(jù)中心開展了一系列的節(jié)能舉措。
其中,應(yīng)用比較廣泛的節(jié)能技術(shù)有近端制冷技術(shù)、氣流組織控制技術(shù)、自然冷卻技術(shù)和相變材料冷卻技術(shù)等。這里將針對(duì)上述技術(shù)的原理、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
(1)近端制冷技術(shù)
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)制冷率低,散熱能力有限,無法滿足中高熱密度機(jī)柜的散熱需求,容易出現(xiàn)機(jī)柜局部過熱的情況,使機(jī)柜無法負(fù)載過多的服務(wù)器設(shè)備,從而導(dǎo)致機(jī)柜的容積率和機(jī)房的空間利用率降低。
①列間制冷技術(shù)
目前行業(yè)通常使用的一種制冷技術(shù)為采用把制冷設(shè)備安裝在機(jī)柜間,靠近服務(wù)器熱源,向電子設(shè)備提供諸如空氣循環(huán)、空氣過濾、冷卻、再熱及濕度控制的溫控設(shè)備,簡(jiǎn)稱“列間制冷設(shè)備”。列間制冷技術(shù)在冷通道封閉采用組合模塊對(duì)冷通道區(qū)域進(jìn)行封閉處理,隔離機(jī)柜的冷熱通道,有效地減少冷量浪費(fèi),極大地提高了精密空調(diào)的效能,把空調(diào)設(shè)備安裝到IT設(shè)備近端,滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房不斷上升的散熱要求。具體平面俯視圖如圖3所示。
該項(xiàng)技術(shù)已在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)立項(xiàng)為《通信高熱密度機(jī)房溫控設(shè)備第1部分:列間式溫控設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn),目前已進(jìn)入報(bào)批階段。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況條件為冷水式列間空調(diào)表冷凝器進(jìn)水溫度為7～21℃,水冷式列間空調(diào)冷凝器進(jìn)水溫度為4～34℃,風(fēng)冷式列間空調(diào)室外冷凝器環(huán)境溫度為-15～+45℃;配置適于低溫運(yùn)行的選配件或方案,可適應(yīng)最低室外環(huán)境溫度至-35℃。其規(guī)定的主要指標(biāo)如能效比如表1所示。其冷風(fēng)比要求為在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況下,不應(yīng)大于5。
②背板熱管制冷技術(shù)
該技術(shù)利用熱管原理,結(jié)合通信機(jī)房設(shè)備發(fā)熱量大,需全年不間斷制冷的熱環(huán)境特點(diǎn),當(dāng)室外溫度低于機(jī)房溫度時(shí),熱管中的液態(tài)工質(zhì)在室內(nèi)的蒸發(fā)端吸收熱量后蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài),上升至室外的冷凝端,氣體工質(zhì)經(jīng)冷凝后將熱量釋放至室外環(huán)境變?yōu)橐簯B(tài),并在重力作用下流回室內(nèi),完成室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移至室外環(huán)境的制冷循環(huán)。同時(shí),該產(chǎn)品充分考慮機(jī)房機(jī)柜的背板排風(fēng)溫度最高,設(shè)備的熱量都由背板處排至機(jī)房環(huán)境的工藝特點(diǎn)。因此將熱管蒸發(fā)端布置在熱管背板處,直接吸收設(shè)備散發(fā)的熱量,提高熱管換熱溫差與熱管的換熱效率。其原理如圖4所示。
該項(xiàng)技術(shù)同樣已在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)立項(xiàng)為《通信高熱密度機(jī)房溫控設(shè)備第2部分:背板式溫控設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn),目前已討論通過征求意見稿。在標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的熱點(diǎn)問題為機(jī)柜的出風(fēng)口溫度、顯熱比、能效比、安全要求等部分。由于該標(biāo)準(zhǔn)目前還在討論過程中,因此對(duì)于一些指標(biāo)的具體要求不宜進(jìn)行詳細(xì)的描述。
③頂置式制冷技術(shù)
這是一種將空調(diào)末端部署位置從遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的機(jī)房?jī)蓚?cè)移至機(jī)柜頂部的空調(diào)末端側(cè)的優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)通常應(yīng)用于封閉熱通道的模塊化機(jī)房,送、回風(fēng)方式是從熱通道內(nèi)部回風(fēng),往兩側(cè)送風(fēng)。頂置冷卻單元與列間空調(diào)系統(tǒng)制冷循環(huán)很相似,但頂置冷卻單元僅由表冷盤管、水路調(diào)節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成,設(shè)備本身不再配置風(fēng)機(jī),表冷盤管設(shè)置于機(jī)柜頂部。IT機(jī)柜風(fēng)扇將排出的熱空氣聚集到封閉的熱通道內(nèi),通過熱壓的作用,熱空氣自然上升,經(jīng)過機(jī)柜頂部的頂置冷卻單元表冷盤管降溫后,因熱壓作用開始下降,并再由IT機(jī)柜風(fēng)扇吸進(jìn)IT設(shè)備降溫,實(shí)現(xiàn)垂直方向的空氣循環(huán)。頂置式空調(diào)因其本身就沒有配置風(fēng)扇,熱壓作用維持了空氣的自然流動(dòng)循環(huán),降低空調(diào)末端設(shè)備的能耗消耗。具體原理圖如圖5所示。
該項(xiàng)技術(shù)同樣已在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)立項(xiàng)為《通信高熱密度機(jī)房溫控設(shè)備第3部分:頂置式溫控設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)和信息化部已下達(dá)計(jì)劃編號(hào),且為部重點(diǎn)項(xiàng)目。
(2)氣流組織控制技術(shù)
數(shù)據(jù)中心一般采用冷熱通道封閉方式,可采用冷通道封閉或熱通道封閉等。而從送風(fēng)方式分為下送風(fēng)方式(示意圖如圖6所示),上送風(fēng)方式(示意圖如圖7所示)。
而對(duì)于機(jī)柜的送風(fēng)方式主要分為前進(jìn)風(fēng)機(jī)柜排列(如圖8所示),下進(jìn)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜排列(如圖9所示)。
關(guān)于氣流組織控制方式,中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)立項(xiàng)為《通信電源及機(jī)房環(huán)境節(jié)能技術(shù)指南第5部分氣流組織》標(biāo)準(zhǔn),目前已進(jìn)入報(bào)批階段。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了氣流組織的基本原則、機(jī)柜的功率密度、氣流組織形式(分為下送上回風(fēng)方式、上送下回風(fēng)方式、機(jī)柜排級(jí)送風(fēng)方式)和機(jī)柜送風(fēng)方式等。
(3)冷卻塔自然冷卻技術(shù)
大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較為廣泛的水側(cè)自然冷源制冷技術(shù),在常規(guī)空調(diào)冷水系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)部分管路和設(shè)備,當(dāng)室外濕球溫度低到某個(gè)值以下時(shí),關(guān)閉冷水機(jī)組,以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷,提供機(jī)房空調(diào)所需的冷負(fù)荷。用冷卻塔來替代冷水機(jī)組供冷,達(dá)到降低能耗的目的。
冷卻塔供冷大致有如下3種方式:①開式冷卻塔加過濾器;②開式冷卻塔加熱交換器;③閉式冷卻塔直接供冷。最常見的冷卻塔供冷方式是開式冷卻塔加熱交換器。詳見圖10。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷凍水溫度一般為7/12℃,以北京地區(qū)為例,全年39%的時(shí)間可以利用自然冷卻,如果將冷凍水提高到10/15℃,全年自然冷卻時(shí)間將延長(zhǎng)至46%。同時(shí)由于蒸發(fā)溫度的提高,冷水機(jī)組COP可以提升10%。另一方面,隨著服務(wù)器耐受溫度的提升,冷凍水溫度可以進(jìn)一步提高,全年自然冷卻的時(shí)間也將進(jìn)一步延長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)將冷凍水溫度提高至15/21℃,全年自然冷卻時(shí)間可以達(dá)到70%甚至更長(zhǎng)。
關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)歸口并在工業(yè)和信息化部立項(xiàng)研究的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信電源及機(jī)房環(huán)境節(jié)能技術(shù)指南第2部分應(yīng)用條件》(修訂)標(biāo)準(zhǔn)中提出了應(yīng)用條件、同模式間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換和防凍措施等。目前該標(biāo)準(zhǔn)處于報(bào)批階段。
(4)相變材料技術(shù)
相變材料制冷系統(tǒng)在正常工作時(shí)(供電正常時(shí)),給電信設(shè)備制冷的同時(shí),使相變材料蓄冷能,冷能蓄滿后,不再吸收冷量;在斷電時(shí),通過冷媒循環(huán),逐步釋放相變材料的冷量,吸收通信設(shè)備產(chǎn)生的熱量,使通信設(shè)備的環(huán)境溫度滿足基本要求,直至完成釋冷過程?；謴?fù)供電后,冷媒溫度逐步降低,逐步完成蓄冷過程,直至過渡到正常狀態(tài)。
工業(yè)和信息化部于2016年發(fā)布了YD/T3033-2016《通信局(站)用相變蓄能設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn),主要定義了其工況條件,蓄能密度(不小于25kWh/m3),釋冷過程時(shí)間和蓄冷過程時(shí)間等參數(shù)指標(biāo)。但此項(xiàng)技術(shù)目前應(yīng)用的范圍不是很大。
4 結(jié)束語
本文對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施制冷系統(tǒng)中所涉及的節(jié)能減排的技術(shù)進(jìn)行了分析,并對(duì)與此相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行了介紹和解讀,希望能給數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)人員提供參考。