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数据中心制冷技术的应用与发展

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-08-09 16:05:00 * 浏览: 23
数据中心是一套复杂的设施。它不仅包括计算机系统和其他支持设备(如通信和存储系统),还包括各种基础设施系统,如配电系统,制冷系统,消防系统和监控系统。其中,制冷系统是数据中心的大功率用户,占整个数据中心能耗的30~45%左右。降低制冷系统的能耗是提高数据中心能源使用效率的最直接有效的措施。随着数据中心要求的变化和能效要求,制冷系统也在不断发展。下面简要回顾和分析制冷技术在数据中心发展各个阶段的应用,并展望数据中心未来的发展方向。 1.引言随着以云计算为中心的第四次信息技术革命的迅速发展,信息资源已成为能源和材料三大人力因素之一。作为数据资源配送中心,数据中心正在发展成为战略性新兴产业,成为新一代信息产业的重要组成部分,也是未来3 - 5年全球竞争的焦点。数据中心不仅是抢占云计算时代声音的保证,也是确保信息安全可控性和控制的关键。数据中心的发展政策和布局已上升到国家战略层面。数据中心是一套复杂的设施。它不仅包括计算机系统和其他支持设备(如通信和存储系统),还包括各种基础设施系统,如配电系统,制冷系统,消防系统和监控系统。其中,制冷系统是数据中心的大功率用户,占整个数据中心能耗的30~45%左右。降低制冷系统的能耗是提高数据中心能源使用效率的最直接有效的措施。随着数据中心要求的变化和能效要求,制冷系统也在不断发展。下面简要回顾和分析制冷技术在数据中心发展各个阶段的应用,并展望数据中心未来的发展方向。 2.风冷直接膨胀系统和主要供气方式1994年4月,NCFC(中关村教育和研究示范网)率先与美国NSFNET直接连接,实现了中国与中国之间的全功能网络连接。互联网,标志着中国最早的国际化。互联网的诞生。从1998年到2004年,中国互联网产业全面启动和推广。此时,数据中心还处于起步阶段,通常被称为计算机房或计算机中心,其中大部分都部署在需要信息交换的企业中,如电信和银行业务。当时,计算机房业务量小,机架空间小,规模小。 IT设备有多种形式,单个机柜的功耗一般为1~2kw。受当时技术的限制,IT设备在操作环境中对温度,湿度和清洁度有很高的要求,温度精度为±1°C,相对湿度精度为±5%,清洁度为100,000。根据当时的经济技术水平,机房采用风冷直扩式广东精密空调维护IT设备的工作环境,保证了IT设备的正常运行。风冷式直膨式广东精密空调主要包括压缩机,蒸发器,膨胀阀和冷凝器,以及鼓风机,加湿器和控制系统。制冷剂一般为氟利昂,单机制冷量为10-120KW。原理如图1所示。每套空调相对独立于控制和操作。它属于分散式系统,易于形成冗余,具有高可靠性,并具有优势简单的安装和维护。这是一个在此期间广泛用于数据中心的空调方案。缺点是设备的能量效率相对较低,COP(CoefficientOfPerformance)值小于3.0,室内和室外机器受管道距离的限制。图1风冷直喷式广东精密空调原理风冷式直膨式广东精密空调室内机一般部署在机房的一侧或两侧。机房中的气流组织通常是两个:风道上的空气供应方案和架空下的地板供气方案。风道上的供气方式是指供气管道放置在发动机室上方,冷风通过风道下方开启的供气百叶窗送出,负压返回空调后。被IT设备加热。该方法安装快捷,施工成本低。缺点是它受到各种电缆布置和建筑层的限制。供气管道的截面不能做大,导致风速过大,无法灵活调节供气量。这种类型的空气供应广泛用于低热密度计算机房。图2管道上的供气箱地板下的供气是另一种,即使是现在,也是一种仍然在大量数据中心项目中使用和新建的气流组织。这样,高架地板的下部空间用作供气静压箱,降低了供气系统的动压,增加了静压,稳定了气流。空调将冷空气送到地板并通过供气层的通孔送出,该通风孔由IT设备前端的进气口吸入。这种方法的优点是可以通过供气层的通孔率调节机房每个点的供气量。同时,通过合理布置数据中心机房的电缆和管道,可以在地板下铺设少量以确保外观。缺点是随着使用需求的增加和调整,铺设在地板下的电缆继续增加,导致供气不良甚至火灾。图3地板下供气箱3.水冷系统2005〜2009年,互联网产业发展迅速,对数据业务的需求猛增。小规模和低功率密度的数据中心必须承载更多的IT设备。此时,单柜的功率密度已增加到3~5kw,数据中心的规模逐渐增大。已经开始出现具有数百到数千个机柜的中型数据中心。随着规模的扩大,数据中心能耗急剧增加,节能问题也开始受到关注。传统的风冷直接膨胀系统的能效比COP(CoefficientOfPerformance)低,北京的COP约为2.5~3.0。空调设备消耗大量电力,占数据中心总功耗的很大比例。而且,随着装机容量的扩大,原数据中心大楼预留的风冷式冷凝器的安装位置严重不足,噪声干扰问题突出,制约了数据中心的扩展。此时,办公楼中广泛使用的冷冻水系统开始逐渐应用于数据中心制冷系统。由于冷水机组的COP可以达到3.0~6.0,大型离心式冷水机组甚至更高,冷冻水系统可以大大减少数据。该中心运营能源消耗。冷冻水系统主要由冷却器,冷却塔,冷冻水泵,冷却水泵和冷水型空调器端组成。系统采用集中冷源,冷水机组冷却效率高,冷却塔处于灵活位置,可有效控制噪声,有利于建筑物的美观。达到一定规模后,具有更高的建设成本和维护成本比直接蒸发系统。经济优势。图4水冷系统冷水系统中使用最广泛的空调系统是冷水型广东精密空调,可实现150kw以上的冷却能力。供气模式和先前的风冷直接膨胀系统没有太大变化,只有最终的冷却介质发生变化。空调设备仍然远离IT热源,主要依靠空调风扇输送空气来维持气流组织。 4,水侧自然降温和新空调结束2010~直到,随着数据中心冷却技术的发展和人们对数据中心能耗的进一步关注和追求,自然冷却的概念逐渐应用于数据中心。在中国北方,冬季室外温度较低,采用水侧自然冷却系统。在冬季,不需要打开机械制冷单元,冷却塔和板式换热器用于“释放”以获得冷源,从而降低了数据中心的能耗。水侧自然冷却系统是在原始冷冻水系统上方的一组板式换热器和相关的切换阀组。冷水机械冷却仍用于高温天气,冷却塔制备的低温冷却水用于低温季节。高温冷冻水换热。在过渡季节,低温冷却水和高温冷冻水在进入冷却器之前进行预冷却,冷却器负荷和运行时间可以减少。图5水冷系统自然冷却系统原理传统数据中心冷水温度一般为7/12°C。以北京地区为例。自然冷却可以在一年中的39%使用。如果冷冻水升至10/15°C,全年自然冷却时间将延长至46%。同时,由于蒸发温度的升高,冷水机组的COP可提高10%。另一方面,当服务器承受温度升高时,冷水温度可以进一步提高,并且全年的自然冷却时间将进一步延长。目前,国内技术领先的数据中心已将冷冻水温度提高到15/21°C,自然冷却时间可达70%甚至更长。虽然水侧自然冷却系统相对复杂,但大型数据中心项目的节能效果显着。水侧自然冷却系统日趋成熟,已成为中国当前数据中心项目设计中最受认可的空调系统解决方案。中国目前PUE能效管理的最佳数据中心也是基于水侧自然冷却系统,年度PUE已达到1.32。在冷源侧系统不断发展的同时,新的空调末端形式也在不断涌现。传统的计算机房广东精密空调机组具有相对固定的结构。设备厚度一般为600mm,宽度约为2500mm,风量约为27000m3 / h,机组内部风速达到7m / s,空气阻力很大,风机压力损失很大。在装置内部,它造成了大量的能源浪费。一般配备450Pa风扇全压空调,机外残压仅为200Pa左右。图6中所示的AHU风扇矩阵是一种新型空调终端。在操作期间,AHU装置的空气返回端口被吸入发动机室以返回空气,并且顺序地通过单元内的诸如过滤器和空气冷却器的功能部分。冷却后的空气通过设置在AHU前部的风扇矩阵水平送到发动机室。冷空气被送到机房的冷区,即机柜的前部。冷却IT后,温度升高到热区,即热风道关闭在机柜背面,最多返回风力天花板,然后返回空调回风口,循环aga一次又一次。这种新型空调改变了机房的布局和传统广东精密空调机组的内部结构,大大增加了通风面积。横截面风速可控制在3米/秒以下,从而减少空气改变方向,大大减少设备内部。由紧凑的元件布置引起的电阻。最终能耗降低了约30%。图6AHU风扇矩阵设备行级空调系统(Inrow)和架空冷却单元(OCU)是一种空调末端部署位置,从机房侧面远离负载中心移动到空调末端侧IT机柜柱或机柜顶部。优化,形成我们称之为负载中心附近的集中冷却。行级空调系统由风扇,工作台冷却盘管,水路调节装置,温湿度传感器等组成,设备安装在IT柜柱之间。行级空调通过内部风扇将封闭通道的热空气输送到表面冷却盘管,以实现冷却和冷却。 IT设备根据自身要求引入低温冷通道空气,通过服务器风扇将其排放到封闭的热通道,实现水平方向。空气流通。由于行级空调系统(Inrow)靠近负载中心,减少了将冷空气输送到负载中心所需的距离,维持设备制冷循环所需的能量低于传统的方法。顶置冷却装置类似于行级空调系统的冷却循环,但顶置冷却装置仅由工作台冷却盘管,水路调节装置,温度和湿度传感器等组成。装置本身是不再配备风扇,工作台冷却盘管设置在机柜内。最佳。 IT机柜风扇收集排放到封闭的热通道中的热空气。热空气通过热压自然上升。在机柜顶部的顶置冷却装置的冷却盘管冷却后,热压开始减小,然后,IT机柜风扇吸入IT设备冷却,实现垂直空气循环。顶置冷却单元(OCU)本身没有配备风扇,热压保持空气的自然循环,使空调终端设备的能耗降至极端零。以华北地区的行级空调系统(Inrow)和架空冷却装置(OCU)冷却技术为例,以年均PUE小于1.3为例。 5.风侧自然冷却系统与水侧自然冷却系统相比,风侧自然冷却系统(FreeCooling或Air-sideeconomization)降低了能量转换和传输,节能效果更直接,更显着。风侧自然冷却系统是指室外空气直接通过过滤网或间接通过热交换器将室外空气冷却量传递到数据室以冷却IT设备的冷却技术。根据室外空气是否进入机房内部空间,可分为直风侧自然冷却和间接风侧自然冷却系统。该技术实现了冷源和负载中心之间的直接接触。该系统不再通过在传统空调系统的制冷单元中生产低温制冷剂来冷却数据中心,这可以显着降低数据中心空调系统的能耗。在直接风侧自然冷却技术的数据中,如谷歌,Facebook和其他互联网巨头在美国和欧洲等气候条件良好的地区,PUE可以达到接近1.07。图8FACEBOOK案例照片和系统原理如图9所示,中国大部分地区的年平均温度低于20°C。从温度分布的角度来看,它非常适合风侧自然冷却。图9 Ch的年平均温度分布然而,风侧自然冷却方案不仅与环境温度和湿度有关。相对于室外空气质量,直接决定了风侧自然冷却方案的应用可行性。图10反映了全球PM2.5的分布。可以看出,中国,尤其是华北地区的空气污染非常严重。大气环境中的水分(水分)和污染物(主要是SO42-,NO3-,CL) - 和氧气会加速IT设备上金属部件的腐蚀,加速非金属部件的老化,并造成永久性损坏。 IT设备。在该国多个地区持续测试空气质量也证实了这一点(见图11)。在如此恶劣的环境条件下,如果将新鲜空气直接引入机房,将直接威胁到IT设备的安全运行。由于引入直接新风,国内出现了许多故障案例,不仅造成硬件损坏,而且还影响了业务的正常运行。