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新风直接蒸发冷却技术与模块化数据中心的结合应用
  • 随着数据中心的迅速发展,数据中心的冷却耗能越来越大,绿色节能技术和模块化建设方式是数据中心未来的发展趋势。新风直接冷却和蒸发冷却以及模块化数据中心正是符合这种发展趋势的创新有效的技术之一。文章介绍了新风直接蒸发冷却的模块化数据中心的三种运行模式,并进行了分析,同时将该项技术与其他技术进行了对比分析。
  • 1 引言
      
      传统数据中心机房设备运行时散发的热量较大,为使设备正常工作,需要采用精密空调冷却方式,来保证数据中心服务器的工作环境维持在一定温湿度范围,这种传统冷却方式带来的结果就是电能成本及后期运维成本水涨船高,尤其是随着机柜功率密度的加大,传统冷却方式带来的能耗将会进一步加大。传统的房间级空调散热方式已经难以满足机房高密度散热的需求。而工信部和北京上海深圳等地相继出台的数据中心能耗管控措施,对于电能利用效率都提出了严格的指标要求,数据中心绿色节能技术该如何发展是全行业重点关注的问题。
      
      从2007年开始,国外的一些服务器厂商如IBM、DELL、HP等和互联网公司如微软、Google、Yahoo等,已经开始使用“新风”作为传输介质来输送服务器热量。这种新风散热方式不仅简单有效,而且节能环保。这些国外厂商和公司采用的“新风”标准正是基于下图ASHARE公布的一些服务厂商的服务器进风温湿度范围。
      
        
      随着我国国家标准GB50174-2017的出台,国内也提出了对于数据中心机房温湿度环境的范围的改变,机房温度设定改为18-27℃。这种改变带来的数据中心技术应用的变化就是扩大了新风冷却的应用地区,由传统的高纬度地区向南扩展。所以新风冷却在数据中心行业的发展潜力很大。
      
      另外一种技术就是蒸发冷却技术,在中国的应用已经将近20年历史,在公共建筑和工业建筑有大量工程案例,并取得了良好的节能效果,但是在数据中心行业还处于初步应用阶段。近年来蒸发冷却技术在国内一些数据中心项目上的应用,有效降低了PUE和运营成本,引起行业极大的关注。CDCC特组织国内权威的咨询、设计、研究机构在内的科研院所、大型互联网公司、用户、总包、设备制造商等行业资深专家编制了《数据中心间接蒸发冷却技术白皮书》,并已于2019年5月正式发布,目前很多数据中心项目都在积极采用这项技术。
      
      间接蒸发冷却是指数据中心机房内送风与室外新风间接接触,进行显热量的交换,在室外新风需要与直接蒸发冷却填料或换热器壁面的水膜以及有高压喷头将水流雾化形成的小水滴直接接触,进行充分的热湿交换。利用通过蒸发加湿得到的室外侧空气湿球温度和数据中心内部的回风温度的温差,通过管壁的热传导将服务器的热量传递给使外侧空气的过程,从而达到冷却数据中心的目的。(引自CDCC《数据中心间接蒸发冷却技术白皮书》)
      
      间接蒸发冷却系统由喷淋装置、换热芯体、室内风机、室外风机、机械制冷补充装置、控制系统等组成。其工作过程传热不传质,避免了室外污染气体进入机房对IT设备的腐蚀。间接蒸发冷却技术在未来数据中心行业将会有非常好的发展前景。
      
      直接新风概念,顾名思义就是把机房设计成开式环境,利用外界环境空气直接进入机房,带走机房IT设备的散热量。其与间接蒸发冷却相同的是采用蒸发冷却的高效制冷方式,不同的是对室外空气直接进入室内。当然,室外新风的应用要考虑很多因素,而非简单引进数据中心机房。主要因素有外界温度过高、温度过低、湿度过高、湿度过低、空气质量等等多种环境工况,数据中心应该在不同环境工况下得到冷却,并且保证机房空气不结露,同时保证服务器在服务器厂商提供的允许工作工况下正常工作。
      
      近年来,数据中心行业中模块化的呼声越来越高,模块化的数据中心案例应用也越来越多。如何将上述的直接新风、蒸发冷却这两种高效节能的技术与模块化数据中心这样的趋势进行有效的结合应用,为此,笔者开展了大量的技术应用研究工作。
      2 新风直接蒸发冷却技术
      
      在模块化数据中心的形式图2是一个模块化数据中心的形式示意图。针对该数据中心,采用新风直接蒸发冷却的技术方案,并对其几种工作模式分别介绍。
      
      3 新风直接蒸发冷却的三种运行模式
      
      新风直接蒸发冷却常见有三种运行模式:
      
      (1)直接新风模式(见图3)
      
      ①外界环境空气的温湿在允许范围内时,不需要做任何控制,外界环境空气进风服务器直接把热带走,热直接排入外界环境中。如果是模块放在室内,需要把热排到室外;
      
      ②外界温度过高时,使用蒸发冷却降温,使温度降到允许范围内,同时湿度升高但也在允许范围内;
      
      ③外界湿度过低时,使用蒸发冷却加湿,但温度减低的同时也可以控制在允许范围。
      
      (2)混风模式(见图4)
      
      ①利用热回风做升温;
      
      ②利用热回风做除湿。
      
      (3)完全内循环模式(见图5)
      
      外界温度比较冷,并且负载不大时,关闭所有进风阀和排风阀,采用完全内循环模式。另外补充说明,以上三种模式中:
      
      ①可添加辅助机械制冷(水冷和DX等方式),在不同工况下,决定新风直接蒸发冷却和机械制冷的应用模式;
      
      ②可使用冷热通道全部封闭模式,加强气流管理,并且保证一定的气密性;
      
      ③经过测算,全国大部分地区可以在50%以上的时间使用直接新风模式,PUE预测值可以做到1.15左右。
      
      ④应用室外新风进行直接供冷时,应满足空气质量对数据中心机房的洁净要求;如不满足,应关闭新风或采取相应的净化和过滤措施。
      
      4 技术对比分析
      
      以北京市某总冷负荷500kW的数据中心为案例,对比传统DX制冷模式、间接蒸发冷却、直接蒸发冷却三种技术,详见表1、图6。
      
     

     5 结论
      
      由于数据中心行业发展迅猛,能耗巨大,迫切需要推广绿色节能的创新型技术,直接新风、蒸发冷却两项技术虽然在其他行业应用多年,但是在数据中心行业均属于刚刚开始应用。虽然尚存在很多问题需要完善解决,但是其技术应用发展存在巨大的空间。数据中心行业追求模块化趋势,带来建设的灵活性和可扩展性。而新风直接蒸发冷却正是符合模块化趋势的技术方向,通过研究表明,这几方面的技术经过整合,优势得以发挥,在未来数据中心行业存在巨大的节能意义。
      
      作者简介
      
      丁志永,高级工程师、国际项目管理师、苏州安瑞可信息科技公司总经理、RakworXinc CEO、直接蒸发完成预制模块化数据中心发明人之一。
      
      长期从事数据中心产品OEM产品,对产品深度了解,从产品的角度对数据中心发展有长远的经验和观点。尤其边缘型型数据中心、模块化数据中心的设计使用,能按需定制的同时合理利用节能减排等方面认识。和美国数据中心专家联合设计了60兆瓦模块化数据中心方案。
      
      编辑:Harris

     

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