幾種機房空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用淺析
數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT設(shè)施一旦運行，往往需要24*365*N常年不停，持續(xù)發(fā)熱，支持數(shù)據(jù)中心運行的空調(diào)系統(tǒng)一旦發(fā)生中斷或供冷不足就有可能導(dǎo)致宕機。因此數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)需要滿足電子信息設(shè)備的散熱要求，需要保證供冷系統(tǒng)的可靠性。此外，數(shù)據(jù)中心能耗較大，能源成本對整個項目的運行維護影響重大，需要采取必要的方式、方法，盡可能降低能耗。特別是近年來，隨著雙碳戰(zhàn)略的落實，國家層面對節(jié)能的要求越來越嚴苛，數(shù)據(jù)中心對節(jié)能的重視程度也越來越高。
總之，數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)既要保證可靠性，同時還要兼顧節(jié)能。具體采用的空調(diào)形式應(yīng)與建設(shè)地點的氣象參數(shù)、空氣質(zhì)量、資源情況、初投資和運行費用、以及需要遵循的法律法規(guī)等因素綜合分析。
本文將對數(shù)據(jù)中心通常采用的幾種制冷方案進行多維度對比和分析，為數(shù)據(jù)中心建設(shè)之初，制冷和空調(diào)方案選擇提供思路。
一、數(shù)據(jù)中心制冷形式
常用的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)主要有：風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，DX系統(tǒng)、水冷冷凍水系統(tǒng)、風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)，此外還有一些使用規(guī)模較少的空調(diào)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)中心也有局部應(yīng)用。各種制冷系統(tǒng)介紹如下。
1.間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)
間接蒸發(fā)冷卻機組（簡稱AHU）是將新風(fēng)蒸發(fā)冷卻后得到的空氣的冷量，通過非直接接觸式換熱器傳遞給機房熱回風(fēng)，再輔以必要的過濾、補冷等措施為機房提供滿足要求的冷卻送風(fēng)。整個過程只有冷量的傳遞，沒有物質(zhì)的交換，不會影響機房的空氣質(zhì)量和濕度。該種方式實現(xiàn)冷源與負荷中心近距離接觸，可利用風(fēng)側(cè)自然冷卻，系統(tǒng)存在干模式、噴淋模式和混合模式運行模式(見表1)，可顯著減少數(shù)據(jù)中心調(diào)系統(tǒng)能耗。
由于間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的綠色節(jié)能、安裝便捷、運維簡單等特點，近幾年該種制冷形式在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，如華為、萬國數(shù)據(jù)、秦淮數(shù)據(jù)、世紀(jì)互聯(lián)、百度等新建的數(shù)據(jù)中心都大量采用間接蒸發(fā)冷卻機組，示例如圖1。
2.風(fēng)冷直膨氟泵空調(diào)系統(tǒng)
風(fēng)冷直膨精密空調(diào)機組本身就是一個小型的制冷循環(huán)機組，原理與傳統(tǒng)的空調(diào)相似，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)機和控制系統(tǒng)等組成，分為室內(nèi)機和室外機，通過銅管進行連接，連接管道為制冷劑氟利昂）應(yīng)用場景。
為了提高制冷能效和利用自然冷源，很多廠家研發(fā)了氟泵空調(diào)，在原有的直膨式制冷循環(huán)系統(tǒng)中增加了氟泵，在冬季溫度較低時，氟泵開啟壓縮機關(guān)閉，利用氟泵實現(xiàn)制冷劑在銅管內(nèi)的循環(huán)。
3.風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)
風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)是冷凍水制備的一種方式，主要由風(fēng)冷機組及配套設(shè)施組成。風(fēng)冷機組的液態(tài)制冷劑在其蒸發(fā)器盤管內(nèi)直接蒸發(fā)（膨脹）實現(xiàn)對盤管外的冷凍水吸熱而制冷，機組的氣態(tài)制冷劑通過室外風(fēng)冷的方式冷卻為液態(tài)，從而實現(xiàn)制冷循環(huán)。為適應(yīng)數(shù)據(jù)中心利用自然冷源的設(shè)計方案，機組廠家已研發(fā)出帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機組。
4.水冷冷凍水系統(tǒng)
水冷冷凍水系統(tǒng)的原理與風(fēng)冷冷水原理相似，系統(tǒng)上的區(qū)別主要在于水冷冷凍水系統(tǒng)采用的是水冷機組，冷凝器的冷卻方式為水冷，利用含有冷卻塔的冷卻水實現(xiàn)對冷凝器的冷卻，由于水冷散熱更優(yōu)，使得冷水機組的能效較高。水冷冷水機組為室內(nèi)放置，且多采用大型螺桿機或離心機，單臺機組制冷量可比風(fēng)冷機組大。
5.其他制冷系統(tǒng)
很多大型互聯(lián)網(wǎng)公司例如Google、Facebook等，通過改變服務(wù)器電源架構(gòu)，改變CPU布局，改變散熱方式，提升服務(wù)器耐高溫性能，采用分布式電池，采用液冷服務(wù)器等方法，取得了較好的節(jié)能效果。但其技術(shù)措施需要對IT設(shè)備進行深度定制，沒有大規(guī)模采購是無法維系的，一般企業(yè)因此無法采納。特別是液冷，造價相對比較高，主要應(yīng)用于高熱量的高性能計算領(lǐng)域，規(guī)模都不大，整體生態(tài)還需待完善，主要是阿里巴巴、華為、浪潮、中科曙光等頭部IT企業(yè)在該技術(shù)上的探索和布局。
某些數(shù)據(jù)中心，在合適的區(qū)域采用了全新風(fēng)系統(tǒng)，也能有很好的節(jié)能效果，但全新風(fēng)系統(tǒng)，難以阻擋不滿足要求的空氣進入機房，給IT設(shè)施的運行帶來風(fēng)險，大多數(shù)客戶也是不能接受的。
此外，還有“冰川”制冷等新型技術(shù)方案，是近年來研發(fā)并在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域開始使用的新產(chǎn)品，全球的應(yīng)用案例較少，且沒有其他領(lǐng)域的應(yīng)用案例。其運維管理經(jīng)驗、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、實際運維效果、產(chǎn)品迭代速度等還有待經(jīng)歷市場考驗。
二、制冷系統(tǒng)形式的比較
數(shù)據(jù)中心的制冷架構(gòu)的搭建，應(yīng)從多方面進行綜合評比，應(yīng)考慮制冷能效、建設(shè)周期、施工難度、Capex、PUE等內(nèi)容，結(jié)合北京地區(qū)氣象參數(shù)，本文對現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中傳統(tǒng)的制冷形式進行了對比分析，對比結(jié)果如表2。
從上述比較中可以看出：
（1)從可靠性來看，風(fēng)冷空調(diào)(帶氟泵)和間接蒸發(fā)組合式空調(diào)箱方案可用性更高。
理論上，各種空調(diào)方式都能滿足國標(biāo)ABC級相關(guān)要求，也能實現(xiàn)Uptime Institute TIER Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ規(guī)規(guī)定的可靠性功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供冷。但相較冷凍水系統(tǒng)，風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)組合式空調(diào)方案更簡單，可能的故障種類少，故障影響范圍小，維護的用時也會更短，因此擁有更高的可靠性。冷凍水系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)冷凍站著火或主管路故障，就有可能發(fā)生整個系統(tǒng)崩塌的大范圍故障，這類故障影響范圍大，修復(fù)也需要更多的時間。
（2)從節(jié)電維度看，間接蒸發(fā)方案用電更少，更符合綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)要求。
間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)即使在最炎熱的夏天，也能有一半以上的負荷可以通過自然冷卻（蒸發(fā)冷卻）帶走，自然冷卻的利用更充分，可以大幅降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗，在全國絕大多數(shù)地區(qū)的PUE基本介于1.15-1.3之間。間接蒸發(fā)冷卻全年只有部分時間需要用水，用水量遠低于水冷冷凍水系統(tǒng)，同時設(shè)備可以選擇節(jié)水或節(jié)電模式運行，可基于IT負載和資源情況，實現(xiàn)制冷量與資源情況匹配。傳統(tǒng)冷凍水方案無法全年利用自然冷卻，存在完全機械制冷工況，在絕大多數(shù)地區(qū)，機械制冷的應(yīng)用時間都比較長，PUE沒有優(yōu)勢。
（3)從施工運維看，風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)方案更加靈活，便于項目分期建設(shè)。
風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)機組單個設(shè)備就是一個制冷單元，設(shè)備的集成度高，可以根據(jù)項目建設(shè)需求進行部署，整體建設(shè)周期短，后期運維也較簡單。系統(tǒng)的架構(gòu)簡單，設(shè)備種類單一，沒有復(fù)雜的管路，需要現(xiàn)場安裝的工程量少，安裝調(diào)試也相對簡單，交付周期短。并且可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要分期靈活擴容，擴容時也不會對已經(jīng)運行的設(shè)施造成不利影響。這些優(yōu)點是冷凍水系統(tǒng)無法比擬的。
（4)從建筑適用度看，風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)制冷方案有其存在的限制。
風(fēng)冷系統(tǒng)（帶氟泵）由于其本身整機架構(gòu)系統(tǒng)小，且能效相對較低，內(nèi)外機的距離和高差受到較大限制，一般只用于小型數(shù)據(jù)中心或配合其他系統(tǒng)使用。AHU方案也與建筑整體構(gòu)造有很強的相關(guān)性，建筑設(shè)計需滿足設(shè)備的安裝使用要求，對于結(jié)構(gòu)主體已經(jīng)建設(shè)好的數(shù)據(jù)中心而言采用該系統(tǒng)的可能性小，需要在建筑設(shè)計時前期提前規(guī)劃，按照該系統(tǒng)建設(shè)要求設(shè)計。
三、結(jié)論
目前數(shù)據(jù)中心行業(yè)最主流的制冷方案是冷凍水和間接蒸發(fā)冷卻方案，其中冷凍水已經(jīng)規(guī)模應(yīng)用了十年以上，但近兩三年內(nèi)新建或待建的數(shù)據(jù)中心特別是黃河以北的項目，則更多采用了間接蒸發(fā)冷卻的方案，包括騰訊（清遠、懷來等多地）、快手（烏蘭察布)、萬國（廊坊）、秦淮（懷來、大同)、中聯(lián)（大同）、江天（天津）、中行（內(nèi)蒙）農(nóng)行（內(nèi)蒙）等，涉及互聯(lián)網(wǎng)、COLO、金融、政府等多個行業(yè)。海外眾多數(shù)據(jù)中心運營商在最近幾年的建設(shè)中，也在減少了冷凍水方案的應(yīng)用，取而代之的則是間接蒸發(fā)冷卻方案。總之，冷凍水系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)系統(tǒng)，在存量或高層樓宇數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多，間接蒸發(fā)冷卻方案是新建數(shù)據(jù)中心的首選方案，其他制冷方式屬于非主流方案，只有一些零星試點，幾乎沒有大規(guī)模應(yīng)用案例。
總之，數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)既要保證可靠性，同時還要兼顧節(jié)能。具體采用的空調(diào)形式應(yīng)與建設(shè)地點的氣象參數(shù)、空氣質(zhì)量、資源情況、初投資和運行費用、以及需要遵循的法律法規(guī)等因素綜合分析。
本文將對數(shù)據(jù)中心通常采用的幾種制冷方案進行多維度對比和分析，為數(shù)據(jù)中心建設(shè)之初，制冷和空調(diào)方案選擇提供思路。
一、數(shù)據(jù)中心制冷形式
常用的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)主要有：風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，DX系統(tǒng)、水冷冷凍水系統(tǒng)、風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)，此外還有一些使用規(guī)模較少的空調(diào)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)中心也有局部應(yīng)用。各種制冷系統(tǒng)介紹如下。
1.間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)
間接蒸發(fā)冷卻機組（簡稱AHU）是將新風(fēng)蒸發(fā)冷卻后得到的空氣的冷量，通過非直接接觸式換熱器傳遞給機房熱回風(fēng)，再輔以必要的過濾、補冷等措施為機房提供滿足要求的冷卻送風(fēng)。整個過程只有冷量的傳遞，沒有物質(zhì)的交換，不會影響機房的空氣質(zhì)量和濕度。該種方式實現(xiàn)冷源與負荷中心近距離接觸，可利用風(fēng)側(cè)自然冷卻，系統(tǒng)存在干模式、噴淋模式和混合模式運行模式(見表1)，可顯著減少數(shù)據(jù)中心調(diào)系統(tǒng)能耗。
由于間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的綠色節(jié)能、安裝便捷、運維簡單等特點，近幾年該種制冷形式在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，如華為、萬國數(shù)據(jù)、秦淮數(shù)據(jù)、世紀(jì)互聯(lián)、百度等新建的數(shù)據(jù)中心都大量采用間接蒸發(fā)冷卻機組，示例如圖1。
2.風(fēng)冷直膨氟泵空調(diào)系統(tǒng)
風(fēng)冷直膨精密空調(diào)機組本身就是一個小型的制冷循環(huán)機組，原理與傳統(tǒng)的空調(diào)相似，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)機和控制系統(tǒng)等組成，分為室內(nèi)機和室外機，通過銅管進行連接，連接管道為制冷劑氟利昂）應(yīng)用場景。
為了提高制冷能效和利用自然冷源，很多廠家研發(fā)了氟泵空調(diào)，在原有的直膨式制冷循環(huán)系統(tǒng)中增加了氟泵，在冬季溫度較低時，氟泵開啟壓縮機關(guān)閉，利用氟泵實現(xiàn)制冷劑在銅管內(nèi)的循環(huán)。
3.風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)
風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)是冷凍水制備的一種方式，主要由風(fēng)冷機組及配套設(shè)施組成。風(fēng)冷機組的液態(tài)制冷劑在其蒸發(fā)器盤管內(nèi)直接蒸發(fā)（膨脹）實現(xiàn)對盤管外的冷凍水吸熱而制冷，機組的氣態(tài)制冷劑通過室外風(fēng)冷的方式冷卻為液態(tài)，從而實現(xiàn)制冷循環(huán)。為適應(yīng)數(shù)據(jù)中心利用自然冷源的設(shè)計方案，機組廠家已研發(fā)出帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機組。
4.水冷冷凍水系統(tǒng)
水冷冷凍水系統(tǒng)的原理與風(fēng)冷冷水原理相似，系統(tǒng)上的區(qū)別主要在于水冷冷凍水系統(tǒng)采用的是水冷機組，冷凝器的冷卻方式為水冷，利用含有冷卻塔的冷卻水實現(xiàn)對冷凝器的冷卻，由于水冷散熱更優(yōu)，使得冷水機組的能效較高。水冷冷水機組為室內(nèi)放置，且多采用大型螺桿機或離心機，單臺機組制冷量可比風(fēng)冷機組大。
5.其他制冷系統(tǒng)
很多大型互聯(lián)網(wǎng)公司例如Google、Facebook等，通過改變服務(wù)器電源架構(gòu)，改變CPU布局，改變散熱方式，提升服務(wù)器耐高溫性能，采用分布式電池，采用液冷服務(wù)器等方法，取得了較好的節(jié)能效果。但其技術(shù)措施需要對IT設(shè)備進行深度定制，沒有大規(guī)模采購是無法維系的，一般企業(yè)因此無法采納。特別是液冷，造價相對比較高，主要應(yīng)用于高熱量的高性能計算領(lǐng)域，規(guī)模都不大，整體生態(tài)還需待完善，主要是阿里巴巴、華為、浪潮、中科曙光等頭部IT企業(yè)在該技術(shù)上的探索和布局。
某些數(shù)據(jù)中心，在合適的區(qū)域采用了全新風(fēng)系統(tǒng)，也能有很好的節(jié)能效果，但全新風(fēng)系統(tǒng)，難以阻擋不滿足要求的空氣進入機房，給IT設(shè)施的運行帶來風(fēng)險，大多數(shù)客戶也是不能接受的。
此外，還有“冰川”制冷等新型技術(shù)方案，是近年來研發(fā)并在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域開始使用的新產(chǎn)品，全球的應(yīng)用案例較少，且沒有其他領(lǐng)域的應(yīng)用案例。其運維管理經(jīng)驗、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、實際運維效果、產(chǎn)品迭代速度等還有待經(jīng)歷市場考驗。
二、制冷系統(tǒng)形式的比較
數(shù)據(jù)中心的制冷架構(gòu)的搭建，應(yīng)從多方面進行綜合評比，應(yīng)考慮制冷能效、建設(shè)周期、施工難度、Capex、PUE等內(nèi)容，結(jié)合北京地區(qū)氣象參數(shù)，本文對現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中傳統(tǒng)的制冷形式進行了對比分析，對比結(jié)果如表2。
從上述比較中可以看出：
（1)從可靠性來看，風(fēng)冷空調(diào)(帶氟泵)和間接蒸發(fā)組合式空調(diào)箱方案可用性更高。
理論上，各種空調(diào)方式都能滿足國標(biāo)ABC級相關(guān)要求，也能實現(xiàn)Uptime Institute TIER Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ規(guī)規(guī)定的可靠性功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供冷。但相較冷凍水系統(tǒng)，風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)組合式空調(diào)方案更簡單，可能的故障種類少，故障影響范圍小，維護的用時也會更短，因此擁有更高的可靠性。冷凍水系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)冷凍站著火或主管路故障，就有可能發(fā)生整個系統(tǒng)崩塌的大范圍故障，這類故障影響范圍大，修復(fù)也需要更多的時間。
（2)從節(jié)電維度看，間接蒸發(fā)方案用電更少，更符合綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)要求。
間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)即使在最炎熱的夏天，也能有一半以上的負荷可以通過自然冷卻（蒸發(fā)冷卻）帶走，自然冷卻的利用更充分，可以大幅降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗，在全國絕大多數(shù)地區(qū)的PUE基本介于1.15-1.3之間。間接蒸發(fā)冷卻全年只有部分時間需要用水，用水量遠低于水冷冷凍水系統(tǒng)，同時設(shè)備可以選擇節(jié)水或節(jié)電模式運行，可基于IT負載和資源情況，實現(xiàn)制冷量與資源情況匹配。傳統(tǒng)冷凍水方案無法全年利用自然冷卻，存在完全機械制冷工況，在絕大多數(shù)地區(qū)，機械制冷的應(yīng)用時間都比較長，PUE沒有優(yōu)勢。
（3)從施工運維看，風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)方案更加靈活，便于項目分期建設(shè)。
風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)機組單個設(shè)備就是一個制冷單元，設(shè)備的集成度高，可以根據(jù)項目建設(shè)需求進行部署，整體建設(shè)周期短，后期運維也較簡單。系統(tǒng)的架構(gòu)簡單，設(shè)備種類單一，沒有復(fù)雜的管路，需要現(xiàn)場安裝的工程量少，安裝調(diào)試也相對簡單，交付周期短。并且可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要分期靈活擴容，擴容時也不會對已經(jīng)運行的設(shè)施造成不利影響。這些優(yōu)點是冷凍水系統(tǒng)無法比擬的。
（4)從建筑適用度看，風(fēng)冷空調(diào)（帶氟泵）和間接蒸發(fā)制冷方案有其存在的限制。
風(fēng)冷系統(tǒng)（帶氟泵）由于其本身整機架構(gòu)系統(tǒng)小，且能效相對較低，內(nèi)外機的距離和高差受到較大限制，一般只用于小型數(shù)據(jù)中心或配合其他系統(tǒng)使用。AHU方案也與建筑整體構(gòu)造有很強的相關(guān)性，建筑設(shè)計需滿足設(shè)備的安裝使用要求，對于結(jié)構(gòu)主體已經(jīng)建設(shè)好的數(shù)據(jù)中心而言采用該系統(tǒng)的可能性小，需要在建筑設(shè)計時前期提前規(guī)劃，按照該系統(tǒng)建設(shè)要求設(shè)計。
三、結(jié)論
目前數(shù)據(jù)中心行業(yè)最主流的制冷方案是冷凍水和間接蒸發(fā)冷卻方案，其中冷凍水已經(jīng)規(guī)模應(yīng)用了十年以上，但近兩三年內(nèi)新建或待建的數(shù)據(jù)中心特別是黃河以北的項目，則更多采用了間接蒸發(fā)冷卻的方案，包括騰訊（清遠、懷來等多地）、快手（烏蘭察布)、萬國（廊坊）、秦淮（懷來、大同)、中聯(lián)（大同）、江天（天津）、中行（內(nèi)蒙）農(nóng)行（內(nèi)蒙）等，涉及互聯(lián)網(wǎng)、COLO、金融、政府等多個行業(yè)。海外眾多數(shù)據(jù)中心運營商在最近幾年的建設(shè)中，也在減少了冷凍水方案的應(yīng)用，取而代之的則是間接蒸發(fā)冷卻方案。總之，冷凍水系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)系統(tǒng)，在存量或高層樓宇數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多，間接蒸發(fā)冷卻方案是新建數(shù)據(jù)中心的首選方案，其他制冷方式屬于非主流方案，只有一些零星試點，幾乎沒有大規(guī)模應(yīng)用案例。
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