新一代数据中心绿色空调的节能

Intelligent Building & City Information 2009 11 No.156 35 实的物质基础。 上面我们从数据中心的宏观尺度上考察 了机房本身的演进，接着我们再考察一下在 微观的尺度上，也就是在机柜里面的单个 IT 设备（比如服务器）的层面上发生了哪些显 著的变化。 首先，单台 IT 设备的发热量越来越大。 单台 IT 设备的发热量是和设备的功率密 度直接比例相关的，因为服务器超过 99% 的 耗电最后都以热量的形式散发出去。2005 年， ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会） 做过统计和预测，如图 2 所示，由于刀片服 务器的迅猛发展，目前单个机柜的热负荷在 满配的情况下可达 30kW 或以上。如图 3 所示， 一个 1000sq.ft. 的数据中心，如果热密度达 到 14.4kW/rack（千瓦每服务器机柜），一旦 制冷系统出现故障，只需要 5 分钟，温度就 能从 20℃上升到 50℃，而 50℃意味着 IT 设 备会由于过热而宕机。 其次，单台 IT 设备取冷的方式发生了重 大的改变。 Intel 在各个关于服务器电源的相关 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 图 1 土壤源热泵机房系统 新一代数据中心绿色空调的节能 文｜中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组　朱利伟 艾默生网络能源有限公司　曹 播 新一代数据中心更加关注能源的合理利用，因此精密机房空调的节能一 直是业界关注的重点，合理的应用系统设计 和产品设计可以有效地改善数据中心的能效 状况。本文主要从气流组织、改善多台设备 间的协调工作、高热密度制冷、提高部分负 载运行时的效率、改善显热 / 潜热消除能力、 使用节能装置实现低成本制冷等六个方面对 此展开论述。 1 气流组织 IT 设备硬件平台的标准化（尺寸、电源 设计、制冷设计）对基础设施平台具有重要 的意义，这直接引起了数据中心内部形态的 极大改观。图 1 左侧所示的传统的机房，各 种 IT 设备（计算设备、存储设备、通信设 备等）尺寸各异，因此制冷和供电系统的建 设必然是分散、零星、非标准化的。而图 1 右侧所示的新一代数据中心的物理结构就完 全不同，由于所有的 IT 设备在标准化以后 都可以放置进入标准的服务器机柜（主流 的尺寸为宽可容纳宽度 19″服务器，高度为 42U。U 是一种表示服务器外部尺寸的单位， 1U=1.75in=4.445cm），所以整个房间给人的 直观的感觉就是“机柜的森林”。而这种标准 化的“机柜的森林”就为我们在数据中心整 个空间尺度上构建合适的气流组织提供了坚 【摘 要】数据中心机房空调的能耗一直是业界关注的重点，本文从系统及产品设计的角度出发介绍 机房空调几种新的节能技术。 【关键词】气流组织 协调 高热密度制冷 效率 低成本制冷 楼控.indd 35 2009.11.20 3:02:09 PM 36 智能建筑与城市信息 2009年 第11期 总第156期 楼宇自动化B Uilding Automation 方式。 还有，精密机房空调（HVAC）的摆放也 十分重要。为确保热空气在回流精密机房空 调的过程中路径最短，阻力最小，且不产生 冷热气流交混，精密机房空调最好放置在热 通道的末端，且垂直于机列廊道，从而形成 回风顺廊道的状况。 综合考虑新一代数据中中心宏观尺度和 微观尺度的设备和机房的演进，很容易得出 新一代数据中心的机柜面对面 / 背靠背，地 板下送风，回风顺廊道的设备摆放方式，如 图 5 所示。 2 改善多台设备间的协调工作 由于新型高密度服务器与旧系统一同使 用，数据中心环境已经变得更为多样化。因此， 若未妥善协调室内制冷设备，空调设备可能 按照不同的温度和湿度控制模式运行。例如， 室内北侧的某台设备可能 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 到相对湿度较 低而进行加湿，室内南侧的某台设备却检测 图 2 数据通信设备电源潮流和制冷应用 图 4 ERP1U 机械外形尺寸及气流方向 图 5 机柜面对面 / 背靠背，地板下送风，回风顺廊道的设备摆放方式 图 3 在不同热密度条件下温度和时间关系图 中，均对风扇及风道设计作了详细规定，比 如 在《Power Supply Design Guideline for 2008 Dual-socket Server and Workstations》 1.0 版本中，就对 ERP1U 服务器电源提出了 空气前进后出，水平流动的要求，如图 4 所示。 因此，在新的广电数据中心机房的制冷 系统建设中，建议采用机柜面对面 / 背靠背 的摆放方式，这样可以确保机列与机列之间 冷气通道和热气通道分开，从而极大地提高 制冷效率。 此外，在条件允许的情况之下，同时也 推荐采用地板下送风，热气上回的气流组织 He at Lo ad P er P ro du ct Fo otp rin t（ wa tts /eq uip me nt sq .ft. ） 10000 8000 6000 4000 2000 1000 800 600 400 200 100 60 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Communication-Extreme Densit y Communic ation-Extr eme Dens ity Comput e Serve rs Compute Servers-1U,Blade An d Custom Communication-High Denstiy Compute Servers-2U And Greater Storage Servers Storage Servers Worksta tions（S tandalo ne） Workstations（Standalone） Tape Storage Tape Storage Year Of Product Announcement ASHRAE TC9.9c Time Without Cooling（Minutes） 10,000sf.Data Center） Av er ag e C ab in et A ir In le t T em pe ra tu re 50℃ 45℃ 40℃ 35℃ 30℃ 25℃ 20℃ 15℃ 10℃ 0 5 10 15 20 25 122oF 112oF 104oF 95oF 86oF 77oF 68oF 59oF 50oF 450W/sf 14.4kW/rack 300W/sf 9.6kW/rack 150W/sf 4.8kW/rack Time to 40℃ Airflow direction 54.5±0.5 Fan Bevel area Bi-Color LED （PWR/Fail） 320mm ±0.5 AC 40.25 ±0.5mm 40mm Fan Beveled to allow smooth insertion into the system 39±0.5mm 4.0 建筑物楼板 吊顶 HVAC HVAC HVAC 高压供气空间 楼控.indd 36 2009.11.20 3:02:10 PM Intelligent Building & City Information 2009 11 No.156 37 到相对湿度较高而进行空气除湿。 空气的实际湿度并未改变，但测量的结 果是相对的 ：温度越高，相对湿度便越低。 因此就有可能出现上文所述的情况。针对这 种情况，可以在室内所有精密空调设备安装 高级控制系统，使设备可以交换和协调各自 的运行情况，从而避免出现“冲突模式”，如 图 6 所示。 传统意义上的数据中心精密机房空调系 统建设几乎都是将单台的设备分开考虑，最 多也就是考虑到了设备之间的备份，但在新 一代数据中心的建设过程中，这种建设思路 是不完善的。新的建设思想是既要将数据中 心所有的精密机房空调作为个体来考虑，更 要将所有的个体设备整合统一作为一个系统 来进行考虑。在作了这样的处理之后，整个 机房内所有的制冷设备不单可以做到备份与 冗余，也可以完全避免竞争运行（例如除湿 / 加湿同时运行），从而可以极大地改善数据中 心空调能耗的现状。 3 高热密度制冷 顶部辅助制冷是应用于高热密度制冷的 开放式架构的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 之一，该方法使用 R134a 制冷剂作为制冷媒介。顶部辅助制冷可提供 最大的灵活性、最高的可靠性，并能提高能效。 顶部辅助制冷可以和传统地板下送风制冷系 统配合使用，为现有及新建数据中心提供有 效制冷，尤其是当传统地板下送风制冷系统 不能满足机房制冷需求时。 顶部辅助制冷主要有以下几个优点 ： （1）可靠性 为使顶部辅助制冷设备靠近高密度发热 源，可将其放置在机架顶部或掉挂于天花板 下，为机架顶部提供冷空气以解决机列上部 1/3 部分的发热问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。此外，使用 R134a 替 代水作为制冷剂也可提高可靠性并消除水带 来的隐患。另外，由于制冷模块和电子设备 不在同一密闭环境之中，在制冷系统发生电 力故障时，机房中的冷空气可用作缓冲，可 以在电力恢复前继续维持制冷。 （2）能源效率 如果对 1kW 显热负荷制冷，目前市场上 使用的顶部辅助制冷系统能够比传统的地板 下送风精密空调系统节省 32% 的能源。其中 一个原因是顶部辅助制冷系统用来传输空气 的风机功率降低了 64%，这是因为在静态零 压下它只需要将空气移动不超过 1m。另一个 原因是这些制冷模块的能耗被 100% 地用于 显热负荷制冷，没有能源被浪费在控制湿度 方面。另外，使用制冷剂可令每 1kW 显热负 荷减少 0.2kW 的冷凝器容量需求。这不但能 图 6 数据中心精密空调系统工作方式协调前后对比图 Humidifier ON Unit1 Humidifier ON Unit2 Dehumidification ON Unit3 UNBALANCED LOAD NO LOAD Unit6 Unit6Unit5 Unit5Unit4 Unit4 Humidifier ON Dehumidification ON Compressors ON Unit1 Unit2 Control Disables heaters in ”Cold Zone” SWITCH OR HUB POWER UNBALANCED LOAD NO LOAD Compressors ON 楼控.indd 37 2009.11.20 3:02:10 PM 38 智能建筑与城市信息 2009年 第11期 总第156期 楼宇自动化B Uilding Automation 减少能耗，还可以在不增加冷凝器的情况下 增加制冷容量。 （3）最大灵活性 顶部辅助制冷在应对数据中心增长带 来的布局问题上为用户提供最大灵活性。 由于系统不使用任何宝贵的架高地板空间， 因而不受机架摆放方位、管道和设备位置 的约束。另外，当今的辅助制冷系统可以 与任何机架制造商的设备相匹配。它采用 管道预先安装方法，可在天花板上安装必 要的管道，这使得最终用户可通过“即插 即用”的方式增加制冷模块，且不影响其 它制冷模块的运行。 4 提高部分负载运行时的效率 数据中心设计允许一定的制冷系统冗余。 此外，当外部环境温度低于设计峰值时，直 接蒸发式或风冷式精密空调 CRAC 的实际容 量会增加。这意味着空调设备始终未满载运 行，需要通过设计系统，使其在正常运行期 间更为有效地运行。由于其运行状况并不稳 定，需要在设计中引入基于运行状况改变容 量的方法。 有多种方法可改变精密空调 CRAC 的容 量。两种最为普遍的方法是采用四步压缩机 卸载技术以及采用 Digital ScrollTM 数字涡旋 压缩机技术。 四步压缩机卸载技术的工作原理是通过 阻止制冷剂注入系统中的某些气缸，最大限 度地减少因控制容量的需要而周期性地开启 和关闭压缩机。由于卸载技术从本质上改变 了压缩机的运行点，因此可使制冷系统在较 小容量时运行更为有效。例如，运行于“卸载” 状态下的双压缩机系统，能耗约为满载系统 的 50%，但却会产生 76% 的制冷量，这是 因为此状态下冷凝器和蒸发器均为满载运行。 图 7 显示出了通过压缩机卸载可实现的效率 改善程度。 　　 数字涡旋压缩机技术则提供了一种更先 进的方法。应用这一技术的压缩机可根据所 需负载精确匹配容量和功耗，与标准的“固 定容量”压缩机相比，可大大减少能耗。 传统的调节技术（周期性开启和关闭设 备以匹配负载环境）消耗的能量通常接近于 满载消耗的能量，而与所需容量无关。在按 照高可靠性设计的系统中，压缩机并不只是 开启和关闭。压缩机实际运行时，还存在开 启延时和关闭抽空时间，以确保在断电前向 压缩机轴承输送适量的润滑油。数字涡旋技 术让压缩机不会周期性关闭。它在调整容量 的同时还线性减少能耗，从而优化系统性能 和控制效果。 5 改善显热 / 潜热消除能力 IT 设备产生显（干）热。潜热来自于人 体的散发和户外湿气的渗入。随着服务器密 度或容量的增加，显热负载也随之增加。潜 热负载则不受影响。因此，使用可在 100% 显热容量下运行的制冷解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 （必须除湿 时除外），可减少能耗。 在较低容量时运行可变容量压缩机，将 提高蒸发器盘管的温度。这意味着只发生较 图 7 压缩机卸载的四个运行阶段的运行能力和能耗 100% 88% 75% 76% 50% 38% 25% 容量 能量 第四阶段 第三阶段 第二阶段 第一阶段 楼控.indd 38 2009.11.20 3:02:10 PM Intelligent Building & City Information 2009 11 No.156 39 少的潜热制冷。在大多数负载情况下，蒸发 器盘管温度可高至实现 100% 显热制冷的水 平。因此，无需因湿度在不经意间被降低而 增加额外的能耗来加湿。 6 使用节能装置实现低成本制冷 在许多地方，外界冷空气可用于辅助数 据中心制冷，并在较冷的季节提供“低成本 制冷”。通过使用节能装置系统可实现低成本 制冷。Battelle 实验室所做的关于楼宇控制系 统的研究发现，安装节能装置的建筑和未安 装节能装置的建筑相比，建筑的散热和制冷 能耗标准强度要低 13%。 有两种基本的节能装置系统 ：新风节能 装置和液体节能装置。为特定项目选择的节 能装置类型取决于气候、法规、性能和爱好。 6.1 新风节能装置 新风节能装置由传感器、管道和节气阀 系统组成，可吸入适当的外界空气，满足设 施制冷需求。新风节能装置有两种类型—— “干风”系统和“蒸发式”空气系统。前者最 为常见，但其应用仅限于少数地区，因为当 周围环境露点温度低于 35oF 时，需要消耗大 量能量以增加室内的湿度，从而产生高昂的 成本。蒸发式解决方案在用于数据中心之前 是一种较为经济的空气调节方法，但因其可 靠性及较高的维护要求，该方案对大部分数 据中心运营商并无吸引力。 这两种解决方案的关键在于正确的控制。 应基于焓差而非干球温度进行控制。同时， 应采取相关措施检测是否存在高含量的花粉、 灰尘或其它外部污染物，并在发现这些污染 物时及时关闭节能装置。 6.2 液体节能装置 液体节能装置系统一般嵌入在冷冻水或 乙二醇制冷系统中，与由制冷塔隔热环、蒸 发冷却器或干式冷却器组成的隔热环结合使 用。精密空调 CRAC 设备包括传统的乙二 醇制冷设备、二次制冷盘管、控制阀和温度 监控器。在较冷的季节，由户外干式冷却器 或制冷塔返回的乙二醇溶液被输送至二次盘 管，使该盘管成为室内主要的制冷源。只要 “低成本制冷”液体温度比精密空调 CRAC 回水温度低 8oF，便能有效持续地“低成本 制冷”，因为它能够将主要制冷方法的负载 减至最少。液体节能装置是大多数数据中心 环境的理想选择，因为其不受外部湿度影响， 因此可在较大的温度 / 湿度变化范围内运行。 它们也不会为数据中心增加任何额外的空气 过滤需要。 7 结束语 新一代数据中心绿色空调节能技术的发 展方兴未艾，基本上都沿着追求更好的制冷 效果和更低的制冷成本这两个方向运行。在 节能降耗成为整个业界甚至整个社会共识的 大背景之下，相信数据中心绿色空调节能技 术会有更加广阔的前景。 １ Intel.Power Supply Design Guideline for 2008 Dual-socket Server and Workstations Version 1.0.2008 ２ 曹播 . 新一代数据中心基础设施平台的演进 .2008 楼控.indd 39 2009.11.20 3:02:10 PM