构建数据中心绿色冷却模式的比较与分析

毛文杰（中国联合网络通信有限公司上海分公司，上海 200050）

构建数据中心绿色冷却模式的比较与分析

毛文杰
（中国联合网络通信有限公司上海分公司，上海 200050）

因地制宜、天人合一，充分利用自然能源来实现数据中心与大自然的和谐发展是本文的研究重点，通过考虑采用空气侧和水侧的风能与水能，在室外条件满足的情况，作为空调设备的旁通运行，总结归纳了6个高效可行的绿色冷却模式，并分别从建筑外形兼容性、可改造性、控制复杂程度、平均寿命、可用性风险等方面进行比较分析，同时也提出了绿色冷却模式应用的限制因素，从而为建立绿色数据中心，完成节能减排指标，降低数据中心PUE提出了解决方案与技术方法。

数据中心；绿色冷却模式；PUE；节能减排；旁通

1 概述

数据中心能耗已成为数据中心运行的最大成本，据统计机房空调系统占整个数据中心能耗比例接近40%左右，其中冷源部分占到2/3。通过利用大自然提供的“免费”冷源，降低数据中心空调设备的使用耗能，以实现数据中心能耗指标整体优化；归纳总结6种数据中心简单可行的绿色冷却模式，并从建筑外形兼容性、可改造性、控制复杂程度、平均寿命、可用性风险等方面进行比较分析，提出其应用场景与综合决策方案，降低数据中心整体PUE值，以提升联通数据中心客户满意度与品牌价值。

2 研究背景

2.1 绿色冷却模式定义

绿色冷却模式是一种在室外湿球温度比较低时，通过相应的技术方法将室外冷源引入建造物内将热量带走，以达到降温的目的。利用大自然提供的“免费”冷源，降低数据中心空调设备的使用耗能，已成为构建绿色数据中心的关键技术之一。

制冷系统可以使用的“免费”冷源主要有以下两种方式：空气侧与水侧免费制冷。目前，水侧免费制冷已在大多数数据中心得以应用。

2.2 绿色冷却模式原理与作用

在绿色冷却模式下，其节能作用如下：（1）减少冬季空调压缩机的运行时间，节能效果明显；（2）延长压缩制冷空调设备的使用寿命；（3）避免空调压缩机的低温启动而可能存在的故障；（4）全部使用自然冷源冷却，压缩机制冷停止，降低机房噪音影响；（5）自然冷却装置系统、控制简单，故障率低，维修简单；（6）建设成本低，不需增加过多的额外投资，经济效益好；（7）降低运行维护成本，提高客户满意度。

在绿色冷却模式下，空调压缩机功能全部或部分被旁通所取代，从而消除或减少了压缩机的能耗，压缩机主要是在室外温度高于数据中心温度时用来将数据中心里的热量排到室外。

3 绿色冷却模式的种类

3.1 直接采用新风模式

新风节能冷却模式，又称直接通风，当室外空气条件在设定值范围内时，利用风机和百叶从室外经过过滤器抽取一定数量的冷风与一定量的回风混合后送入数据中心。

百叶和风阀可以控制排到室外的热风与新风的比例，以保持环境设定温度。这种类型的节能冷却模式也可以结合蒸发辅助一起使用，这样室外空气在进入数据中心前先穿过潮湿的网状介质或高压细水喷雾。需要注意的是，这种类型的节能冷却模式在结合蒸发辅助使用时会增加数据中心的湿度。

3.2 空——空换热器模式

采用空气换热器作为冷却模式，又称为间接通风，当室外空气条件在设定值范围内时，利用室外空气间接为数据中心制冷。这种模式使用风机将室外冷风吹到一组板或盘管上面，冷却板或管的另一侧数据中心内的热空气，将数据中心内的空气与室外空气完全隔离。

3.3 热轮换热器模式

采用热轮换热器作为节能冷却模式，当室外空气条件在设定值范围内时，利用风机将室外冷风吹入热轮换热器，以使数据中心各机房保持较为干燥的环境。

3.4 板式换热器模式

采用板式换热器作为节能冷却模式，当室外空气条件在设定值范围内时，利用冷却水间接冷却数据中心的冷冻水。冷水机组的旁通阀可以根据冷却水的温度决定是否关闭。这种类型的节能冷却模式在热交换器与冷水机组串联连接时可以支持部分运行。这种类型的节能冷却模式也可以使用大型水体（比如湖泊）作为冷却水水源，但需经过过滤后才能使用，用后仍需排入湖泊等。

3.5 干式冷却器（或带蒸发辅助的冷却器）模式

采用干式冷却器作为节能冷却模式，当室外空气条件在设定值范围内时，利用一种叫做干式冷却器的热交换器直接冷却数据中心内的冷水。泵将冷水（通常混有乙二醇）并穿过干式冷却器，在这里利用室外冷风冷却冷水，然后将冷却后的冷水送往机房精密空调。

3.6 二级盘管模式

采用二级盘管作为节能冷却模式，直膨式（DX）水冷机房精密空调包含一个独立的二级冷水盘管，可在节能冷却模式下使用。当室外空气条件在设定值范围内时，泵将冷水送入并穿过干式冷却器，在这里利用室外冷风使冷水冷却，然后将冷却后的冷水送到机房精密空调的二级盘管。

4 绿色冷却模式的分析比较

4.1 建筑外形兼容性

采用新风、空气——空气换热器和热轮换热器作为节能冷却模式，需要在室外设备到机房之间敷设风管。通常，这需要在进行建筑设计时专门为这些风管预留敷设空调，或者在设计时将机房布置在临近室外冷却设备的位置。故这些类型的节能冷却模式，通常较难安装到现有的楼体和多层建筑中，使用水管的节能冷却模式则在安装上更具有灵活性，比较适应现有建筑条件。

4.2 可改造性

绿色节能模式的实现需要尽可能利用现有制冷系统，但要将传统制冷系统改造为直接或间接采用新风的通风节能难度很大，它们之间相互不兼容。通常我们可以使用以下方法来实现。

第一种最为常见的方法是增加一台板式换热器作为冷水机组旁通的节能冷却模式。这种方法需要在冷水机组附近安装一台板式换热器，并配置相应的控制装置与旁通阀。

第二种方法是为风冷冷水机增加一台带蒸发辅助的干冷器作为节能冷却模式，并配置相应的控制装置与旁通阀。带蒸发辅助的干冷器总占地面积可能比冷水机组大很多，故需要足够的安装空间。

第三种方法是为水冷机组内增设一个二级盘管，利用二级盘管作为机房精密空调压缩机旁通的节能冷却模式。这种方式难度高可行性差，因为二级盘管必须安装在空调机组的内部，这种方式的实现需要将整个机房的精密空调更换为包含有次二级盘管的机组。

4.3 控制复杂程度

配有节能冷却模式的标准预制制冷系统，其控制系统结合硬件同步进行设计和配置。利用空——空换热器或热轮换热器作为节能冷却模式，其控制系统最为简单。控制系统最为复杂的是利用板式换热器作为冷水机组旁通的节能冷却模式，因为板式换热器需要冷水温度较低，而冷水机组不需要冷水温度太低，容易形成一个“死区”。

4.4 数据中心湿度控制

采用直接新风作为空调旁通的节能冷却模式由于将室外空气直接送入数据中心，所以在气候潮湿时，这种节能冷却模式的可用时间将大大减少。

4.5 平均寿命

水冷式制冷系统通常比风冷式制冷系统的平均寿命短些。主要原因在于水流过管道会产生积垢，对于与使用蒸发辅助的制冷系统，其限制因素主要在于蒸发表面。

4.6 可用性风险

大部分节能冷却模式都可能受到外部威胁，同时需要考虑一下威胁。

（1）冷却水损失：数据中心附近如果有施工项目，那么市政供水就有可能被切断，这种情况可能会事先通知，也可能是突发情况；利用板式换热器作为冷水机旁通的节能冷却模式最容易受影响，可以考虑安装一个容量足以能维持冷水机运行24h或更长时间持续工作的蓄水罐来解决。

（2）空气质量差：将室外空气直接引入数据中心可能会对IT设备造成隐患。

（3）数据中心内的消防：采用气体灭火剂消防系统的灭火系统必须对数据中心空间进行密闭以保证气体灭火剂能够达到足以灭火的浓度。

4.7 年度耗水量

使用冷却塔的节能冷却模式与其他节能冷却模式相比最为耗水，所以要综合考虑。

4.8 节能系统投资成本

使用板式换热器作为节能冷却方式，需要改造冷却塔、管道、泵和定制控制系统的额外成本，所以需要结合ROI综合评估节能方案的可行性与经济性。

4.9 节能系统维护成本

冷水机组/冷却塔相对维护成本较高，使用室外空调节能冷却模式的制冷系统，其维护成本比采用其他需要较多组件且更复杂节能冷却模式的维护成本低。

4.10 绿色冷却模式定性比较

综合以上各方面的分析与比较，几种绿色冷却模式的定性分析，如表1所示。

5 绿色冷却模式的应用限制因素

5.1 地理位置

节能冷却模式的使用完全取决于数据中心地理位置。利用某个地理位置的气象数据可以计算出节能冷却模式的可用时数。

5.2 节能系统制冷设定值

增加节能冷却模式可用时间的方法主要有两种：（1）将数据中心搬到较为寒冷的地区；（2）提高服务器的设计进风温度。第二种方法具有相对可行性，不过IT送风温度能够提升多少取决于热风和冷风隔离的效果。

5.3 冷热气流隔离

为提高制冷系统设定值并从而延长节能冷却模式可用时间，必须将热风和冷风隔离。通常可以利用冷通道封闭或热通道封闭来实现，热通道封闭可以提供更多的节能冷却模式可用时间，使用气流隔离系统后都可以很大程度上提高节能冷却模式的效率。

6 结论

数据中心许多节能技术需要大规模投资建设甚至提高运维风险，而采用绿色冷却模式，充分利用大自然的无偿“馈赠”能够有效降低机房的空调使用能耗，从而降低PUE指标。

[1] TIA-942-2005.Telecommunications Infrastructure Standard for data centers[S].

[2] Douglas Alger. 思科绿色数据中心建设与管理[M]. 北京：人民邮电出版社， 2010.

[3] 雷卫清. 下一代绿色数据中心[M]. 北京：人民邮电出版社，2011.

[4] 钟景华，朱利伟，曹播，等. 新一代绿色数据中心的规划与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[5] GB50174-2008. 电子信息系统机房设计规范[S].

[6] GB50019-2003. 采暖通风与空气调节设计规范[S].

[7] DGJ08-107-2004. 公共建筑节能设计标准[S].

[8] GBT 50378-2006. 绿色建筑评价标准[S].

[9] JGJ 176-2009. 公共建筑节能改造技术规范[S].

Comparison and analysis of free cooling mode in data center

MAO Wen-jie
(China United Network Communications Group Co., Ltd., Shanghai 200050, China)

According to nature, making full use of natural energy to real IDC development in harmony with nature is the focus of this study. By considering the air side and the water side of the wind and water in outdoor conditions, running as a bypass of air conditioning equipment. Summarized six eff i cient free cooling mode, and from the architecture compatibility, transformable, controlling complexity, life expectancy, availability risk, comparative analysis. Also presents the free cooling mode constraints, so as to build a green data center, complete energysaving emission reduction targets and reduce data center PUE proposes solutions and techniques.

data center; free cooling; PUE; energy conservation; bypass

TN86

A

1008-5599（2017）01-0011-04

2016-11-08