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机房制冷变革需从合理规划开始

发布时间:2016-2-25 9:03:40

数据中心能耗问题受到越来越多的关注,数据中心机房空调耗电平均占数据中心总耗电量的40%左右,在实际应用中,超量制冷是普遍存在的问题,据有关信息统计,目前85%以上的机房存在着过度制冷的问题。国内大多数数据中心的PUE比较高,但是,局部热点所导致的数据中心故障却时有发生,局部设备运行温度超标,严重影响系统运行。由于机房局部过热,虽然机房设计容量较大,但新增设备依然无法再安装;热交换不充分,导致空调机组制冷效率低,空调能耗升高。业内专家表示,数据中心空调能耗量巨大并不是产业发展的正常结果,而是由于不合理的规划、设计和使用所造成的。

  在以往的空调系统设计中,多采取集中制冷模式,将空调房间考虑成一个均匀空间,按现场最大需求量来考虑。这种模式忽视了空间各部分的需要,缺少考虑制冷效率、制冷成本的意识。目前随着科学技术的发展以及高密度大型数据中心的建设需求,人们逐渐认识到集中制冷的弊端和按需制冷的必要性。

  按需制冷就是按机房内各部分热源的即时需要,将冷媒送到最贴近热源的地方。其最大的特点是制冷方式的定量化和精准化,从“房间级”制冷转变为“机柜级”制冷,最后到“芯片级”制冷。

  在数据中心建设和改造工程中可以看到运营商态度的变化。从设备集采方面,运营商更加关注空调本身的节能性能与安全问题;在数据中心的设计与建设改造方面,运营商与厂商就新技术不断沟通协调,根据政策的变化,及时调整机房空调系统的技术方案。以下是有关近期机房空调系统建设与改造过程中的技术变革解析,体现在水冷替代、气流优化、新风交换这三个方面。

  水冷空调机组代替风冷机组

  目前通信机房空调大多数采用风冷型专用空调机组,风冷型机组均为单元式机组,具有安装灵活、可靠安全的优点,但也存在性能系数较低、运行性能不稳定、受室外环境温度变化波动较大、室内外机组安装管线较短、室外机组占用大量建筑面积的缺点。

  水冷或乙二醇冷却系统的内部结构与风冷式机组相同,室内空气通过蒸发器盘管循环。与风冷式不同的是,水冷机组内部安装有板式冷凝器,将实现房间热量与乙二醇溶液之间的热转换。该冷凝器内的液体作为一个二级传热媒介,被抽到远处安装的空气冷却式干冷器或冷却塔内,热量在那里最终排到大气。水冷却系统机房专用空调机组每台机组均自带制冷循环系统,并配有单独的水冷冷凝器,冷凝器置于室内机内部。所有机组的冷却水可以做成一个冷却水循环系统,由水泵提供循环动力,室外冷却水可采用开放冷却水塔和封闭干冷器两种方式。机房专用空调要求一年四季连续运行,通常采用冷却水塔的冷却方式。

  从节能角度考虑,有的专用空调机组在水冷或乙二醇冷却系统的蒸发器上平行加入一个自然冷却用的盘管。在较低的室外环境温度下,通过中央控制器精确地控制阀门,自然冷却盘管将吸收室内的全部的传热量。在换季期间,环境温度将降至机房所需的温度以下,自然冷却盘管将提供预制冷以减少压缩机的运行时间,压缩机一般只需80%的输入功率,因此可以显著地节省成本。水冷节能效率、性能系数高于风冷机组。在通信机房中推广水冷型专用空调机组具有一定程度的节电降耗价值,特别是在一些中、大型项目上节能效益显著。

  从建设投资方面考虑,水冷或乙二醇冷却系统不需要室内、室外机的连接铜管,只需要一组冷却水管道可以将所有的机组连接在一起,在大型数据中心系统里,工程量能相对减少,不存在室内、室外机距离限制;可以用几组较大的室外干冷器做N 1备份工作方式,在中大型数据中心占地面积相对较小,同时水循环管道不需要太厚的保温处理,节省通道空间;扩容方便,初期设计时留好接口,不需要在投入使用后需要扩容时再寻找室内、室外机通道,这些方面都可以大大减少空调设备的投资及后期维护费用。

  机房空调气流组织科学化

  过去,大多数通信机房采用上送风空调系统,首先降低机房的环境温度,然后才能使机柜降温、冷却。就其效率而言,空调的能量显然有一部分消耗在降低环境温度上,而不是直接去降低设备的温度。采用上送风方式的机房,大多数机房内气流组织混乱,冷热气流混合现象严重,导致机房制冷利用效率低下,而且局部热点问题时有发生。

  据了解,目前许多数据中心机房通过“风孔下移”,对机房实施节能改造。大中型计算机及大容量的程控交换机散热量大,且集中,因此要对程控设备进行直接送风冷却。程控交换机设备的进风口一般设在其机架下侧或底部,排风口设在机架的顶部。空气通过架空活动地板由进风口进入沿机架自下而上迅速有效地使设备得到冷却。采用“全封闭冷气通道精确送风”时,送风截面积、送风温度一般情况不变,只要改变冷空气的送风风速,就可以满足不同发热量的机柜的散热要求。这样,减少了送风回路中的冷量损失,尽量靠近机架服务器区域,提高空调的工作效率,减少能耗,同时有效改善了机房出现的局部高温情况。

  同时,机房设计过程中,提出了“冷热分区”概念。在未安装设备的机架处,安装挡风板(消隐板),挡风板的规格应与其上下设备严密接触,防止冷、热风短路;改变机柜位置的排列方式,由以往的同方向变为“背对背、面对面”安放,使冷热风路分离,引导冷热气流,提高了空调的制冷效率;另一方面采用改进的机柜系统,将动力和弱电线缆放置于机柜两侧的专用通道中,解决了机柜内的热量问题,同时也提高中心机房的管理性及未来的扩展空间。

  新风交换节能技术

  一般通信机房空间密闭,设备发热量较大,新风节能技术是一种借鉴了采暖通风中的新风机组,针对通信机房自身环境要求而设计出的集通风系统、控制(监控)系统、气流组织于一体的节能系统。利用自然冷源冷却技术实现新风节能的主要方式有二种。

  自然通风新风系统:当室外空气温度较低时,直接将室外低温空气送至室内,为室内降温;当室外温度高,不足以带走室内热量时,则开启空调。该方式直接引入室外的空气,机房环境易受外界的影响。

  热交换新风系统:采用隔绝换热方式,通过室内外空气的显热交换以保证机房的空气温度要求。由于室内外空气相互隔离,室内空气洁净度不受室外空气的影响。

  采用新风交换节能系统后,根据不同地方的环境温度选择合适的月份与空调系统协调应用调节机房温度,可以直接降低耗电量,同时间接节约的空调维护费用。

  除以上提出的主要技术变革外,更换空调的制冷剂、应用热管技术等方式都得到了重视与选择,在很大程度上提高空调的制冷效率,减少耗电量,节约系统的建设和维护投资。

  随着机房基站内的服务器向低价格、小型化、高功率密度方向的发展,对空调的制冷能力带来了更多的压力和挑战。通信行业机房基站建设要采用新思维,加强新技术的跟踪和应用。从机房基站建设、设备采购开始就应着重考虑空调系统的节能。

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