1、前言

隨著云計算為核心的第四次信息技術(shù)革命的迅猛發(fā)展，信息資源已成為與能源和材料并列的人類三大要素之一。作為信息資源集散的數(shù)據(jù)中心正在發(fā)展成為一個具有戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè)，成為新一代信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分和未來3-5年全球角逐的焦點。數(shù)據(jù)中心不僅是搶占云計算時代話語權(quán)的保證，同時也是保障信息安全可控和可管的關(guān)鍵所在，數(shù)據(jù)中心發(fā)展政策和布局已上升到國家戰(zhàn)略層面。

數(shù)據(jù)中心是一整套復(fù)雜的設(shè)施。它不僅僅包括計算機系統(tǒng)和其它與之配套的設(shè)備（例如通信和存儲系統(tǒng)），還包含配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等多種基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。其中，制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心是耗電大戶，約占整個數(shù)據(jù)中心能耗的30~45%。降低制冷系統(tǒng)的能耗是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率的最直接和最有效措施。制冷系統(tǒng)也隨著數(shù)據(jù)中心的需求變化和能效要求而不斷發(fā)展。下文簡要回顧和分析了數(shù)據(jù)中心發(fā)展各個時期的制冷技術(shù)應(yīng)用，并展望了未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展方向。

2、風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)及主要送風(fēng)方式

1994年4月，NCFC（中關(guān)村教育與科研示范網(wǎng)絡(luò)）率先與美國NSFNET直接互聯(lián)，實現(xiàn)了中國與Internet全功能網(wǎng)絡(luò)連接，標志著我國最早的國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的誕生。1998~2004年間中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)全面起步和推廣，此時的數(shù)據(jù)中心正處于雛形階段，更多的被稱為計算機房或計算機中心，多數(shù)部署在如電信和銀行這樣需要信息交互的企業(yè)。當(dāng)時的計算機房業(yè)務(wù)量不大，機架位不多，規(guī)模也較小，IT設(shè)備形式多種多樣，單機柜功耗一般是1~2kw。受當(dāng)時技術(shù)所限，IT設(shè)備對運行環(huán)境的溫度、濕度和潔凈度要求都非常高，溫度精度達到±1℃，相對濕度精度達到±5%，潔凈度達到十萬級。依據(jù)當(dāng)時的經(jīng)濟和技術(shù)水平，計算機房多采用了風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)維持IT設(shè)備的工作環(huán)境，保證IT設(shè)備正常運行。

風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)主要包括壓縮機、蒸發(fā)器、膨脹閥和冷凝器以及送風(fēng)風(fēng)機、加濕器和控制系統(tǒng)等，制冷劑一般為氟里昂，單機制冷量10-120KW。原理如圖1所示。每套空調(diào)相對獨立控制和運行，屬于分散式系統(tǒng)，易于形成冗余，可靠性較高，具有安裝和維護簡單等優(yōu)點，是這個時期數(shù)據(jù)中心大量采用的空調(diào)方案。缺點是設(shè)備能效比較低，COP(Coefficient Of Performance)值小于3.0，室內(nèi)外機受到管道距離限制。

圖1 風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)原理圖

風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)室內(nèi)機一般部署在機房一側(cè)或兩側(cè)，機房內(nèi)的氣流組織方式一般采用兩種：送風(fēng)管道上送風(fēng)方案和架空地板下送風(fēng)方案。風(fēng)管上送風(fēng)方式是指在機房上空敷設(shè)送風(fēng)管道，冷空氣通過風(fēng)管下方開設(shè)的送風(fēng)百葉送出，經(jīng)IT設(shè)備升溫后負壓返回空調(diào)機。該方法的優(yōu)點在于安裝快速，建造成本低。缺點是受到各種線纜排布和建筑層高限制，送風(fēng)管道截面無法做大，導(dǎo)致風(fēng)速過高，送風(fēng)量無法靈活調(diào)節(jié)。這種送風(fēng)方式在低熱密度的機房應(yīng)用較多。

      圖2 風(fēng)管上送風(fēng)案例

地板下送風(fēng)是另一種，即使是現(xiàn)在，也是大量數(shù)據(jù)中心項目中仍在使用和新建采用的一種氣流組織方式。這種方式利用架空地板下部空間作為送風(fēng)靜壓箱，減少了送風(fēng)系統(tǒng)動壓，增加靜壓并穩(wěn)定氣流。空調(diào)機將冷空氣送至地板下，通過送風(fēng)地板通孔送出，由IT設(shè)備前端進風(fēng)口吸入。該方法的優(yōu)點在于機房內(nèi)各點送風(fēng)量可以通過送風(fēng)地板通孔率調(diào)整，同時，通過合理布置數(shù)據(jù)中心機房線纜和管道，可以少量敷設(shè)在地板下，保證美觀。缺點是隨著使用需求的增長和調(diào)整，地板下敷設(shè)的電纜不斷增加，導(dǎo)致送風(fēng)不暢，甚至形成火災(zāi)隱患。

圖3 地板下送風(fēng)案例

3、水冷系統(tǒng)

2005~2009年間互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求猛增，原本規(guī)模小、功率密度低的數(shù)據(jù)中心必須要承擔(dān)更多的IT設(shè)備。此時的單機柜功率密度增加至3~5kw，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也逐漸變大，開始出現(xiàn)幾百到上千個機柜的中型數(shù)據(jù)中心。隨著規(guī)模越來越大，數(shù)據(jù)中心能耗急劇增加，節(jié)能問題開始受到重視。

傳統(tǒng)的風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)能效比COP(CoefficientOfPerformance)較低，在北京地區(qū)COP約為2.5~3.0，空調(diào)設(shè)備耗電驚人，在數(shù)據(jù)中心整體耗電中占比很高。而且，隨著裝機需求的擴大，原來建設(shè)好的數(shù)據(jù)中心建筑中預(yù)留的風(fēng)冷冷凝器安裝位置嚴重不足，噪音擾民問題凸顯，都制約了數(shù)據(jù)中心的擴容。此時，在辦公建筑中大量采用的冷凍水系統(tǒng)開始逐漸應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中，由于冷水機組的COP可以達到3.0~6.0，大型離心冷水機組甚至更高，采用冷凍水系統(tǒng)可以大幅降低數(shù)據(jù)中心運行能耗。

冷凍水系統(tǒng)主要由冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵以及通冷凍水型專用空調(diào)末端組成。系統(tǒng)采用集中式冷源，冷水機組制冷效率高，冷卻塔放置位置靈活，可有效控制噪音并利于建筑立面美觀，達到一定規(guī)模后，相對于直接蒸發(fā)式系統(tǒng)更有建造成本和維護成本方面的經(jīng)濟優(yōu)勢。

圖4 水冷系統(tǒng)

冷凍水系統(tǒng)應(yīng)用最多的空調(diào)末端是通冷凍水型精密空調(diào)，其單臺制冷量可以達到150kw以上。送風(fēng)方式與之前的風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)變化不大，僅僅是末端內(nèi)的冷卻媒質(zhì)發(fā)生變化，空調(diào)設(shè)備仍然距離IT熱源較遠，主要依靠空調(diào)風(fēng)扇輸送空氣維持氣流組織。

4、水側(cè)自然冷卻和新型空調(diào)末端

2010~至今，隨著數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的發(fā)展和人們對數(shù)據(jù)中心能耗的進一步關(guān)注和追求，自然冷卻的理念逐漸被應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心中。

在我國北方地區(qū)，冬季室外溫度較低，利用水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，冬季無需開啟機械制冷機組，通過冷卻塔與板式換熱器“免費”制取冷源，減少數(shù)據(jù)中心運行能耗。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是在原有冷凍水系統(tǒng)之上，增加了一組板式換熱器及相關(guān)切換閥組，高溫天氣時仍采用冷水機組機械制冷，在低溫季節(jié)將冷卻塔制備的低溫冷卻水與高溫冷凍水進行熱交換，在過渡季節(jié)則將較低溫的冷卻水與較高溫的冷凍水進行預(yù)冷卻后再進入冷水機組，也可以達到降低冷水機組負荷及運行時間的目的。

圖5 水冷系統(tǒng)自然冷卻系統(tǒng)原理

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℃，全年自然冷卻時間將延長至46%。同時由于蒸發(fā)溫度的提高，冷水機組COP可以提升10%。另一方面，隨著服務(wù)器耐受溫度的提升，冷凍水溫度可以進一步提高，全年自然冷卻的時間也將進一步延長。目前國內(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℃，全年自然冷卻時間可以達到70%甚至更長。

水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)雖然相對復(fù)雜，但應(yīng)用在大型數(shù)據(jù)中心項目中的節(jié)能效果顯著。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)日漸成熟，已經(jīng)成為我國當(dāng)前數(shù)據(jù)中心項目設(shè)計中最受認可的空調(diào)系統(tǒng)方案。我國目前PUE能效管理最佳的數(shù)據(jù)中心也正是基于水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，全年P(guān)UE已實現(xiàn)1.32。

在冷源側(cè)系統(tǒng)不斷演進發(fā)展的同時，新型空調(diào)末端形式也層出不窮。

傳統(tǒng)的機房精密空調(diào)機組結(jié)構(gòu)形式相對固定，設(shè)備厚度一般為600mm，寬度為2500mm左右，風(fēng)量約27000m3/h，其機組內(nèi)部風(fēng)速達到7米/秒，空氣阻力很大，風(fēng)機大量的壓力損失在了機組內(nèi)部，造成了很大的能量浪費。一般配置了450Pa風(fēng)機全壓的空調(diào)機，機外余壓只有大約200Pa。

圖6所示的AHU風(fēng)機矩陣是一種新型的空調(diào)末端，運行時由AHU設(shè)備的回風(fēng)口吸入機房熱回風(fēng)，順序經(jīng)過機組內(nèi)部的過濾器、表冷器等功能段。降溫后的空氣由設(shè)置在AHU前部的風(fēng)機矩陣水平送入機房，冷空氣送入機房冷區(qū)，即機柜正面，冷卻IT后升溫排至熱區(qū)，即機柜背面封閉的熱通道內(nèi)，向上至回風(fēng)吊頂，又回到空調(diào)回風(fēng)口，如此周而復(fù)始循環(huán)。這種新型的空調(diào)末端改變了機房布置和傳統(tǒng)精密空調(diào)機組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大大增加了通風(fēng)面積，截面風(fēng)速可以控制在3米/秒以下，減少了空氣在設(shè)備內(nèi)部多次改變方向并大幅減小部件布置緊湊導(dǎo)致的阻力。末端能耗最多降低約30%。

圖6 AHU風(fēng)扇矩陣設(shè)備

行級空調(diào)系統(tǒng)（Inrow）和頂置冷卻單元（OCU）是一種將空調(diào)末端部署位置從遠離負荷中心的機房兩側(cè)移至靠近IT機柜列間或機柜頂部的空調(diào)末端側(cè)的優(yōu)化，形成了我們稱之為靠近負荷中心的集中式制冷方式。行級空調(diào)系統(tǒng)由風(fēng)機、表冷盤管，水路調(diào)節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成，設(shè)備布置在IT機柜列間。行級空調(diào)通過內(nèi)部風(fēng)機將封閉通道的熱空氣輸送至表冷盤管，實現(xiàn)冷卻降溫，IT設(shè)備根據(jù)自身需求將低溫的冷通道空氣引入，通過服務(wù)器風(fēng)扇排至封閉的熱通道，實現(xiàn)水平方向的空氣循環(huán)。行級空調(diào)系統(tǒng)（Inrow）因靠近負荷中心，因輸送冷空氣至負荷中心的距離減小，設(shè)備維持制冷循環(huán)所需的能耗會比傳統(tǒng)方式降低。頂置冷卻單元與行級空調(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，表冷盤管設(shè)置于機柜頂部。IT機柜風(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機柜風(fēng)扇吸進IT設(shè)備降溫，實現(xiàn)垂直方向的空氣循環(huán)。頂置冷卻單元（OCU）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循環(huán)，使得空調(diào)末端設(shè)備的能耗消耗降低至極致至0。以華北地區(qū)某個應(yīng)用了行級空調(diào)系統(tǒng)（Inrow）和頂置冷卻單元（OCU）冷卻技術(shù)的大型數(shù)據(jù)中心為例，年均PUE可實現(xiàn)1.3以下。

5、風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)

與水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)相比，風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)（FreeCooling或Air-sideeconomization）減少了能量轉(zhuǎn)換和傳遞環(huán)節(jié)，節(jié)能效果更加直接和顯著。風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是指室外空氣直接通過濾網(wǎng)或者是間接通過換熱器將室外空氣冷量帶入到數(shù)據(jù)機房內(nèi)，對IT設(shè)備進行降溫的冷卻技術(shù)。根據(jù)室外空氣是否進入機房內(nèi)部空間，可分為直接風(fēng)側(cè)自然冷卻和間接風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)。該技術(shù)實現(xiàn)冷源與負荷中心直接接觸，該系統(tǒng)不再通過傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中制冷機組生產(chǎn)低溫冷媒對數(shù)據(jù)中心降溫，可顯著減少數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗。Google，F(xiàn)acebook等互聯(lián)網(wǎng)巨頭在美國、歐洲等氣候條件良好的地區(qū)建設(shè)的應(yīng)用直接風(fēng)側(cè)自然冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中，PUE可實現(xiàn)接近1.07。

圖8 FACEBOOK案例照片和系統(tǒng)原理

如圖9所示，我國大部分地區(qū)全年平均氣溫在20℃以下，從溫度分布角度計算，非常適合采用風(fēng)側(cè)自然冷卻方案。

圖9 我國年平均氣溫分布度

但是，風(fēng)側(cè)自然冷卻方案不僅僅與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)，室外空氣質(zhì)量直接決定了風(fēng)側(cè)自然冷卻方案的應(yīng)用可行性。圖10反映了全球PM2.5的分布情況，從中可以看出我國，尤其是華北地區(qū)的空氣污染情況非常嚴重，大氣環(huán)境中的水分（水分）、污染物（主要有SO42-，NO3-，CL-）和氧氣會使得IT設(shè)備上的金屬元器件加速腐蝕、非金屬元器件加速老化，對IT設(shè)備造成永久性損壞。對國內(nèi)多個地區(qū)的空氣質(zhì)量的持續(xù)測試也印證了這一點（如圖11所示）。在如此惡劣的環(huán)境條件下，如果將新風(fēng)直接引入機房，將直接威脅IT設(shè)備的安全運行，國內(nèi)已經(jīng)有多起由于直接新風(fēng)的引入而導(dǎo)致IT設(shè)備故障的失敗案例，不僅造成了硬件損壞而且還影響了業(yè)務(wù)的正常運營。

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