数据中心的合理化冷却方案

文 张颖琪

数据中心的合理化冷却方案

文 张颖琪

大型数据中心环境保障的重要系统—机房制冷系统不仅是保障服务器正常运行的环境条件，还是占数据中心总能耗25%—40%的耗能大户。为此，在制定数据中心设计方案中，必须对机房制冷系统给予高度的重视，为创建一个安全可靠、绿色节能的数据中心而设计一个最合理的冷却方案。

大型数据中心机房制冷系统的能耗分析

大型数据中心由于采用不同的设计标准和不同的节能措施，PUE的量化数据相差甚远，现在取用三个代表性的数据中心能耗分析图来演示PUE的数据；

案例1：设计标准为A类的银行系统的数据中心，地点在上海浦东，建设时间为2000年，机柜数2000台，机房制冷系统采用精密空调，双总线供电系统，供电设备采用2N+1模式，平均PUE为2.0，具体如下图所示：

案例2：设计标准参照ANSI/TIA942-2005标准的T3级的通用数据中心，地点在上海闵行，建设时间为2016年，机柜数4000台，机房制冷系统为大型水冷制冷空调，采用自然冷技术，应用于冬季自然冷和过渡期的预冷，机房设置集中式加湿器，双总线供电系统，供电设备采用N+1模式，平均PUE为1.5，具体如下图所示：

案例3：Google 比利时的数据中心位于 Saint -Ghislain，2008 年初启动该数据中心的第一阶段，2011 年 Q1 完成全部阶段设计，2011年Q1的PUE可以低达1.09，全年平均PUE为1.11；该数据中心利用运河的冷水带走热量：在自己修建水处理厂处理好运河水后给数据中心提供冷量，只采用冷却塔而非制冷机组来散热，这个实现了 100%水侧自然冷的机房，是谷歌的第一个完全自然冷的数据中心。

上述三个案例，可以直观地告诉我们，数据中心的制冷系统的节能措施是与建设和设计者的主观理念和客观事实相结合的产物。

机房制冷系统的安全性、可靠性分析

数据中心的属性决定了它对机房环境的高标准、严要求，即安全性、完整性和可靠性；我们采用风险管理的风险评估模型对数据中心机房制冷系

表示说明：表中蓝色区域内（1—12）属于可接受风险范围，白色区域内（13—25）属于不可接受风险。

从机房空调运行统计数据可以知道，机房空调威胁发生的可能性为3级，影响程度可达到4级，得出的风险系数是18，是一个无法接受的风险。

从上述风险模型得出机房空调系统的风险是一个无法接受的风险，也就是说机房空调系统出现故障将直接导致服务器宕机且业务中断。

为了保持数据机房的业务连续性，国标（GB50174-2008）对数据中心机房设计提出具体的要求，根据各类机房用途不同，采用的空调备用机组数量不同，最高级A类机房空调数采用2N的数量配置，主要是将空调机组故障的空调威胁发生的可能性从3级降至1级，做到可在线维修，保持机房空调的可用率达到99.995%，从而将风险系数降到11，达到一个可接受的范围内。

而机房水冷型制冷系统存在一个难以处理的威胁发生可能性降级的方法，从机房水冷型制冷系统结构图可以看出，制冷设备、水泵等都容易做到2N配置，而水冷系统（供冷管道部分）很难做到2N，主要是受机房场地和造价的限制，所以，目前我们看到的机房水冷型制冷系统的管道部分基本上都是单一的，最好的也只能做到机房区域环形布置，可隔离某区域故障，而全系统很难做到双冗余；所以机房水冷型制冷系统空调威胁发生的可能性还是3级，风险系数18，是一个无法接受的风险。

统面临的风险进行分析：

判断影响程度：

计算风险：相乘，矩阵：

数据中心的最佳冷却方案

创建一个安全可靠、绿色节能的数据中心是数据中心建设者不懈努力的方向，随着技术的不断发展，在建设者的不断努力下，我们看到一个崭新的绿色节能高等级的数据中心正在逐步成熟和发展中；如上述提及的Google 比利时的数据中心，可以把数据中心建设在北纬45度以上的寒冷地区，实现全年自然冷（Feel cooling）。

我们在亚热带地区，也可以把风冷的精密空调和自然冷结合在一起，既提升了机组全年的EER，又满足数据中心高可靠性的要求，本文提出了数据中心最佳的冷却方案如下。

综合数据中心高可靠性和绿色节能的要求，提出数据中心最佳的冷却方案为带自然冷的精密空调为数据中心冷却解决方案；带自然冷的精密空调是由精密空调室内机组、带自然冷的模块、控制模块和室外机组组成，它可以利用冬季、过渡季的室外低温，通过控制模块的控制自然冷模块进行室内外冷热交换，自然冷模块是一个独立的热交换设备（目前可以看到的产品有乙二醇系统、氟泵系统等），从而达到在冬季完全停止精密空调压缩机、过渡季部分停止（或预冷作用）压缩机工作，实际运行节能效果明显，带自然冷的精密空调机组全年能效比可以达到5左右（上海地区），下面以氟泵自然冷模块的精密空调举例。

该系统由室内机、智能控制系统、氟泵自然冷节能单元和室外冷凝器组成，如图所示。

机组有三种模式运行。

第一种为夏季高温模式（一般精密空调的通常模式），如下图：

第二种为过渡期模式，机组运行在”双擎“混合制冷模式，通过氟泵增压系统辅助压缩机运行，降低冷凝温度，节省压缩机功耗，提升整机能效比，如下图：

第三种为冬季运行模式，机组根据室外环境温度和室内负荷需求智能判断，切换至氟泵自然冷节能模式，以低功率氟泵系统代替压缩机运行，充分利用室外冷源，大大提高机组能效比，如下图：

综上所述，创建绿色节能的数据中心不仅是减少企业用电成本,也是社会责任感的体现；但节能措施也是一个将安全可靠性、投资成本的综合平衡的设计思路；随着技术不断的进步、新的节能产品不断涌现，加上不断提升的设计水平，数据中心制冷系统的建设将会越来越科学、合理。

（作者就职于上海超级计算中心）