数据中心的制冷节能方案

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1、关键业务全保障TM领域 专家的白皮书 数据中心的制冷节能方案 介绍由艾默生网络能源开发的用来评估制冷系统运营成本的工具 总结总结 全球电价从2002年到2006年增长了56 与此同时 数据中心能源消耗也不断增长 财务数据令人惊讶 美国每年数据中心的电费高达45亿美元 除此之外 数据中心由于能耗带来的环境成本也令许多公司 忧虑 不论动机是降低成本还是减少每平方面积的二氧化碳排放量 或两者都有 许多公司都在致力 于寻找提高数据中心效率的解决方案 数据中心制冷系统是提高能源效率的主要目标 艾默生网络能源分析了数据中心能源使用情况并发现 制冷系统 由制冷和空气传输设备组成 占用38 的能源消耗 如图1

2、所示 幸运的是 现有的制冷系 统技术可以大量降低数据中心电费成本 节能系统和局部制冷系统就是其中两个将在本文中讲述的技 术 图图 1 数据中心典型能耗情况数据中心典型能耗情况 冷却负荷采用基于冷冻水的制冷系统冷却负荷采用基于冷冻水的制冷系统 数据来源数据来源 艾默生网络能源艾默生网络能源 2007年年11月月 在特定气候条件下 使用节能系统可以降低能源消耗同时减少制冷设备中的一些部件的磨损 并降低运营费用 局部制冷系统是一种把制冷集中在机架热源旁边的方法 该方法对于提高高热密度环境中的制冷系统能源效率尤 其有效 无论是单独使用上述两种方法还是一起使用 都将是降低数据中心能耗的非常好的选择 1

3、电源和制冷电源和制冷 48 计算设备计算设备 52 建筑物开关柜 中压变压器 3 照明 1 处理器 15 制冷 38 服务器电源 14 其它服务器 15 存储器 4 通信设备 4 电源和制冷电源和制冷 48 计算设备计算设备 52 建筑物开关柜 中压变压器 3 照明 1 处理器 15 制冷 38 服务器电源 14 其它服务器 15 存储器 4 通信设备 4 本文的目的在于讨论这些技术带来的节能 潜力 并说明艾默生网络能源开发的互动式 工具如何帮助你挖掘数据中心的节能潜力 节能系统及其提高能源效率节能系统及其提高能源效率 的原理的原理 节能系统对能源使用有重大影响 在许多地方的 寒冷季节 节能系

4、统可允许外部冷空气补偿数据 中心制冷系统并在寒冷月份提供 自然冷却 由 Battelle实验室做的建筑物控制系统研究以及国家 建筑物控制信息项目的报告中指出 带节能系统 的建筑物的平均加热和制冷能源使用率 EUI 比 不带节能系统的建筑物低3个百分点 当节能系统运行时 对空调系统压缩机以及相关 机电部件的使用被大大减少或根本不使用这些部 件 因而减少了能耗 实际上 由于节能系统在降低能耗方面的效果 早在从2000年开始 一些建筑物规范中已经强制 要求使用节能系统 目前 美国能源部的建筑能 源标准项目强制在一些地区使用节能系统以确保 符合2006国际能源保护规范 4 节能系统类型及工作原理 有两

5、种节能系统 空气节能系统和液体节能系统 两者的最终目的都是 自然冷却 在正确使用情 况下 它们在对环境的影响方面有着基本区别 空气节能系统作为一控制机构控制外部空气在一 机房或建筑物内的使用 它向机房注入适当量的冷 空气以满足制冷需要 空气节能系统上的传感器测 量外部和内部的空气状态 若使用外部空气进行制 冷的条件合适 节能系统把外部空气引入以对机房 空间进行完全或部分冷却 当该条件具备时 可以 减少或消除对空调的制冷系统 压缩机的运行需 求 这样可以节省大量能源 有两种空气节能系统 直接新风 系统和 经处 理的新风 空气系统 前者最简单 但它的应用 仅仅限制在某些地理区域 因为考虑到污染以及

6、 当外部湿度过低或过高时 房间加湿或除湿会消 耗大量能源 经处理的新风系统是一种经济的系 统 它在空气进入数据中心之前先对空气状态进 行调节 但可靠性问题 霉菌和高维护需求 使 其对数据中心运营者无吸引力 在特定的地理位置 在特定的地理位置 节能系统可满足大部节能系统可满足大部 分的数据中心制冷需分的数据中心制冷需 求 艾默生网络能源求 艾默生网络能源 TCO优化工具可以帮优化工具可以帮 助你对比不同类型的助你对比不同类型的 节能系统以确定哪种节能系统以确定哪种 最适合你的数据中最适合你的数据中 心 心 2 图图 2 该数据中心制冷系统把节能系统安装在模块结构中 安装在计算机机房的空气处理设备

7、顶部 该数据中心制冷系统把节能系统安装在模块结构中 安装在计算机机房的空气处理设备顶部 空气节能系统可以安装在外部或安装在计算机机 房的空气处理设备 CRAH 的混合箱 安装在计算 机机房的空气处理设备 CRAH 的混合箱体中的 节能系统 如图 2所示 是模块化的 容易安装并 相比其它方案成本比较低 但对建筑物影响较大 液体节能系统一般集成在基于冷冻水或乙二醇的 制冷系统中 此类节能系统包含换热器盘管和冷 却塔或干冷器以满足制冷需求 节能系统工作时 系统中的低温液体通过换热器盘管冷却机房 从 而减少空调 压缩机的工作量 在寒冷月份 来自室外干冷器或冷却塔的乙二醇 溶液进入CRAC机组 然后进入

8、自然冷却盘管 从而成为房间的主要制冷源 只要 自然冷却 液 体比返回CRAC设备的空气温度低4 则 自然 冷却 就可带来益处 因为它减少了主制冷方法 的负荷 同样在CRAH设备中 在冷却塔液体和冷冻水回 路之间的辅助的热交换器带走来自冷冻水环路 的热量并减少了冷冻水机组的负荷 一旦决定采用液体节能系统 则需要决定在数据 中心使用节能系统的类型和配置 有2种液体节 能系统 直接式和间接式 直接式允许冷却塔中 的水直接流过冷却回路 由于会造成铜管的污 染 在数据中心很少应用该方法 大多数情况下 来自冷却塔的水被间接使用 用来产生冷却数据 中心的冷冻水 间接式液体节能系统通过使用热 交换器隔离开放式

9、冷却塔的液体和其它制冷循 环液体来克服此问题 3 正常运行 节能系统关闭新风运行 节能系统开启 混合箱 混合箱 正常运行 节能系统关闭新风运行 节能系统开启 混合箱 混合箱 间接式液体节能系统在制冷系统中可以并行或串 行布局 并行配置在大型建筑物制冷设备中是最 常用的 并且初始投资比较少 并行节能系统中 的节能冷却回路和冷冻机组独立 不能同时启用 这意味着当外部条件允许 自然冷却 时 该节能 系统承担整个制冷负荷 若室外温度高 节能系 统完全关闭并且冷冻器开始工作 间接式液体节能系统配置一般应用在数据中心模 块化机房专用空调设备中 当需要优化能源利用 时 该配置也可应用在建筑物的制冷设备中 串

10、 行节能系统可在比并行节能系统更高的室外温度 下运行 因为串行节能系统可以和冷冻机 压缩机 一起分担负荷 因此 串行节能系统每年可用的 自然冷却时间更长 为数据中心选择正确的节能系统 原理上 若外部温度足够低 外部空气可用来满 足制冷需求 在此情况下 新风节能系统足够应 付制冷工作 然而 计算机系统对环境有严格要 求 因此计算机机房的制冷要求和商业建筑物不 同 和普通建筑内办公室的季节性和间歇加热 制冷 的要求不同 数据中心的环境控制必须是连续 的 要求全年不间断制冷 因此 应用在秋季 冬季和春季或冷气候环境中 的节能系统是理想的选择 可以用空气或液体节 能系统保持连续及可接受的温度 但湿度控

11、制成 为空气节能系统的重大挑战 数据中心必须要求具有干净 洁净并且湿度得到 控制的环境 忽视湿度的控制会造成严重的短期 和长期问题 包括IT设备和基础设施的损坏 在 大多数情况下 数据中心最佳的相对湿度 RH 范 围是 40 到55 从温度的角度看 在冬季把外部空气从空气节能 系统引入室内是好的做法 但这也会把RH降低到 不可接受的水平 引起干扰正常设备运行的静电 放电 必须使用加湿器解决该问题 但运行加湿 器会抵消部分节能系统所带来的能源节约 不同 区域的数据中心 为保持机房湿度条件 每年的 加湿成本高达数万人民币 相比之下 液体节能系统使用外部冷空气冷却系 统中的水 乙二醇回路 并给空调系

12、统中的冷却盘 管提供足够冷的液体 这样可使外部空气不进入 制冷空间并避免产生额外的加湿需求 数据中心必须要求具有干数据中心必须要求具有干 净 洁净并且湿度得到控制净 洁净并且湿度得到控制 的环境 忽视湿度影响会造的环境 忽视湿度影响会造 成严重的短期和长期问题 成严重的短期和长期问题 包括包括IT设备和基础设施的设备和基础设施的 损坏 损坏 4 局部补充制冷系统使局部补充制冷系统使 冷源靠近发热源 减冷源靠近发热源 减 少了传送空气所需要少了传送空气所需要 的能量 局部补充制的能量 局部补充制 冷是数据中心制冷的冷是数据中心制冷的 一种新方法 艾默生一种新方法 艾默生 网络能源网络能源 XD

13、系统系统 是此项技术的领先是此项技术的领先 者 者 不让外部空气进入数据中心的另外一个好 处是防止气态污染物 灰尘和花粉损坏敏 感电子设备 若使用空气节能系统则会发 生此问题 可以使用过滤系统 但这不能 消除气态污染物 同时也会带来更高的过 滤器更换和维护需求 这些额外的成本会 抵消节能系统产生的收益 空气节能系统在以下条件得以满足时才有 效 当外部空气比进入冷通道的空气温度 低1摄氏度时 可实现完全自然冷却 当外部空气比返回CRAH的空气温度 低1摄氏度时 可节约部分能耗 露点低于15 5 高于6 摄华氏度 实际上 在美国只有在沿太平洋海岸线25英里的 狭长地带才能在大多数时间满足这些条件

14、液体节能系统 在缴款温度范围内可实现更多节 能 并且对于数据中心是一更好的选择 因为 更好地控制湿度 防止污染物进入房间 对过滤器更换和维护需 求更少 局部补充制冷局部补充制冷 局部补充制冷 只对显热负荷制冷 并支持标准制 冷设备 局部补充制冷系统使制冷设备靠近发热 源 减少了传送空气所需要的能量 局部补充制 冷是数据中心制冷的一种新方法 并由艾默生网 络能源以其XD 系统发起 该方法把空调模块直 接安装在高密度机架顶部或旁边以补充来自地板 下的空气 从而克服了在高密度应用时架高地板 下送风的局限性 由于靠近发热源 所以可以对 机架负荷快速响应 另外 和本文讲述的节能系 统解决方案不同 XD系

15、统很容易安装在一现有的 场地并可以以 即插即用 的方式增加制冷容量 灵活应对数据中心的变化 为对1kW显热负荷制冷 局部补充制冷系统比传 统地板下送风精密空调系统节省32 的能量 其 中一个原因是使空气流动的风机功率少65 因 为在静态压力下 空气只需要移动不超过3英尺的 距离 局部补充制冷模块提供100 显热负荷制 冷 这意味着没有能量消耗在对潜热负荷进行低 效制冷 另外 这些设备使用无水 两相流 液体 使用新的革命性的微通道换热盘管 该盘管效率 是传统换热盘管的两倍 5 采用局部补充制冷 你就不需要过度冷却数据中 心以消除热点 但若只采用架高地板的制冷方式 则会产生此问题 由于不需要为了使

16、热空气通道 保持70华氏度而使冷通道冷却到62华氏度 因此 可以节约大量能源 为了解局部补充制冷的更多信息 请参考白皮书 刀片服务器及其他高端应用 下一代IT系统的 柔性制冷方案 可登录 下载 制冷系统总运营成本优化工具制冷系统总运营成本优化工具 为获得数据中心更高的能源效率 我们关注两种 有前景的制冷系统技术 当为一新的数据中心选 择最优的制冷系统时 能源效率可能是唯一的商 业考虑因素 为此 制冷系统总运营成本 TCO 优化工具使你能够根据对数据中心管理最重要的 商业因素对有关数据中心的位置和制冷系统设计 方案进行评估 制冷系统方案 1 传统 该方案代表了传统数据中心设计 如图3 所显示 标准CRAH设备连接到建筑物冷 冻水 CW 系统 该系统提供7 的冷冻水 CW供水 而回水温度为12 每个机架 的最大功率限制在5 kW 2 标准艾默生网络能源 XD系统 图4显示该方案 它相比传统方案增加一标 准的XD局部补充制冷系统 在该工具中 当采用XD系统时 CW供水温度保持在45 华氏度并且机架最大功率上升到10 Kw 机 架以优化能源效率 XD系统可支持每个机 架高达30 kW的负荷 T