冷池技術(shù)讓數(shù)據(jù)中心更環(huán)保

文/查貴庭 張勇 李新權(quán)

綠色數(shù)據(jù)中心面臨的挑戰(zhàn)

雖然綠色數(shù)據(jù)中心國內(nèi)外還沒有相應(yīng)的評價(jià)體系，但評價(jià)指標(biāo)PUE值已被業(yè)內(nèi)所認(rèn)可。PUE值由美國的行業(yè)組織綠色網(wǎng)格(GreenGrid)推出，已經(jīng)成為衡量數(shù)據(jù)中心效率的最常用標(biāo)準(zhǔn)。從“PUE=數(shù)據(jù)中心總負(fù)載/ IT 設(shè)備負(fù)載”，可以看出綠色數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵指標(biāo)就是要節(jié)能。

根據(jù)美國電力公司（American Power Conversion Corp）2006年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，在整個數(shù)據(jù)中心的能耗中，空調(diào)制冷所占能耗比例最高，達(dá)到了33%（見圖1）?？梢?，現(xiàn)階段要降低數(shù)據(jù)中心能耗、實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心目標(biāo)，優(yōu)化空調(diào)制冷系統(tǒng)、降低空調(diào)制冷能耗是重中之重的任務(wù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

圖1 數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)

冷池制冷技術(shù)

冷池技術(shù)

冷池技術(shù)是在機(jī)柜間或機(jī)柜內(nèi)構(gòu)建專門限于機(jī)柜設(shè)備制冷用的冷通道，并將冷通道與機(jī)房環(huán)境熱氣完全隔離，從而將冷空氣限制在機(jī)柜中，避免了冷熱空氣混合、限制了冷氣設(shè)備散熱作用、改善了冷空氣利用率、提高了機(jī)房制冷效率和制冷效果。冷池技術(shù)的創(chuàng)新

第一，冷池技術(shù)將冷空氣局限在機(jī)柜小環(huán)境中，冷空氣必須通過機(jī)柜才能釋放到機(jī)房、實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)，有利于機(jī)柜中所有設(shè)備散熱，可徹底解決機(jī)柜中局部過熱問題；

第二，冷池技術(shù)將冷熱氣體完全隔離，提高了回風(fēng)溫度，解決了機(jī)房環(huán)境溫度過低、機(jī)柜設(shè)備溫度過高的困境，避免了空調(diào)無效工作，提高了制冷效率和制冷效果；

第三，冷池技術(shù)可有效降低機(jī)房能源消耗率PUE數(shù)值，提高數(shù)據(jù)中心效率（DCE，Data Center Efficiency），可增加機(jī)柜設(shè)備存放密度，提高數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備容積率。

冷池方案及其比較

1. 兩種冷池方案

數(shù)據(jù)中心制冷中采用冷池技術(shù)稱為數(shù)據(jù)中心冷池方案。冷池方案根據(jù)冷通道位置差異分為外冷池和內(nèi)冷池兩種類型。

外冷池是在兩組機(jī)柜間建立密封制冷空間，利用兩組機(jī)柜間的空調(diào)下送風(fēng)，使兩組機(jī)柜間自然構(gòu)成冷通道，確保冷風(fēng)必須穿過這兩組機(jī)柜、被兩組機(jī)柜中設(shè)備利用后實(shí)現(xiàn)回風(fēng)（見圖2），從而確保設(shè)備能有效利用冷氣，提高機(jī)房制冷效率與效果。

圖2 外冷池方案

圖3 內(nèi)冷池方案

內(nèi)冷池則是將一排機(jī)柜（或獨(dú)立機(jī)柜）密封為前有冷風(fēng)通道、后有散熱孔的空氣循環(huán)結(jié)構(gòu)，冷通道（冷池）設(shè)置在機(jī)柜內(nèi)部，空調(diào)通過特定管道將冷氣送入冷池，以確保冷氣被機(jī)柜中設(shè)備所利用（見圖3）。內(nèi)冷池根據(jù)空調(diào)設(shè)備不同，還可以分為模塊式空調(diào)直接送風(fēng)方式和外部空調(diào)專用通道送風(fēng)方式兩種。

2. 不同冷池的比較

外冷池和內(nèi)冷池都能提高制冷效率、改善制冷效果、降低數(shù)據(jù)中心PUE值、提高機(jī)房IT容積率，但在實(shí)現(xiàn)過程中，工藝、成本存在差異。其中，外冷池對機(jī)房工程沒有特殊要求、造價(jià)相對便宜，適用于新建或改造機(jī)房；而內(nèi)冷池則對機(jī)柜密封工藝要求較高，消防設(shè)置也較復(fù)雜，機(jī)房造價(jià)成本也較高，主要適用于新建數(shù)據(jù)中心；隨著空調(diào)系統(tǒng)模塊化、數(shù)據(jù)中心機(jī)柜化與一體化的趨勢，內(nèi)冷池將代表未來數(shù)據(jù)中心制冷的方向。

圖4 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)據(jù)中心布局

冷池技術(shù)的應(yīng)用與評價(jià)

冷池方案的選擇

為了滿足信息化快速發(fā)展的需要，2010年我校開始規(guī)劃新的數(shù)據(jù)中心，新數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)總體目標(biāo)是在滿足當(dāng)前和未來學(xué)校事業(yè)發(fā)展需要的前提下，具有先進(jìn)性、擴(kuò)展性、節(jié)能性。

圖5 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)據(jù)中心冷池系統(tǒng)

表 外冷池與內(nèi)冷池的比較

在充分調(diào)查和研究數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新數(shù)據(jù)中心布局特點(diǎn)，最終選擇了外冷池制冷方案（見圖4）。

經(jīng)過幾個月的建設(shè)，一個具有良好制冷效率與效果的數(shù)據(jù)中心制冷體系獲得了成功，經(jīng)運(yùn)行、測試與對比，制冷方面節(jié)能效果顯著，超過了預(yù)期的目標(biāo)。

冷池的應(yīng)用成效

1. 機(jī)房人體舒適度

在冷池?cái)?shù)據(jù)中心，因機(jī)房環(huán)境為回風(fēng)，其溫度相對較高，約28℃，進(jìn)入機(jī)房人體不再感覺很冷，人體舒適度明顯提高。冷氣已完全被限制在冷池中，確保了機(jī)柜中的設(shè)備能夠優(yōu)先獲得冷氣來散熱、降溫。

2. 冷池節(jié)能評測目前對數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能評測的依據(jù)主要為空調(diào)回風(fēng)溫度的變化，其中，Oracle公司估算“回風(fēng)溫度每提高1°C，制冷能源成本將下降4%~5%”；其他研究則認(rèn)為“當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)和回風(fēng)溫度提高1℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電約3%，同時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力提高約5%”。

根據(jù)我們對冷池和非冷池?cái)?shù)據(jù)中心的環(huán)境回風(fēng)溫度現(xiàn)場測量，冷池系統(tǒng)的新數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度約在29°C ，而非冷池制冷的數(shù)據(jù)中心室溫約在20°C 。假設(shè)兩個機(jī)房設(shè)備制冷效果一樣，則可以推斷采用冷池技術(shù)的數(shù)據(jù)中心的回風(fēng)溫度提高了約9°C ?？照{(diào)節(jié)電情況

依據(jù)回風(fēng)溫度每提高1°C ，空調(diào)節(jié)電約3%計(jì)算，則我們的冷池技術(shù)數(shù)據(jù)中心，其空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電約27%（9×3%=27%）。

空調(diào)制冷能力

如果依據(jù)回風(fēng)溫度每提高1°C ，空調(diào)制冷能力提高約5%，則采用冷池技術(shù)的新數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷能力提高了約45%。

PUE值

根據(jù)PUE計(jì)算公式“PUE=數(shù)據(jù)中心總負(fù)載/ IT設(shè)備負(fù)載”，并按空調(diào)占整個數(shù)據(jù)中心電力負(fù)載的33%計(jì)，則我們采用冷池技術(shù)后，數(shù)據(jù)中心僅空調(diào)一項(xiàng)就可將PUE值降低了約9%。

空調(diào)電力成本

根據(jù)Oracle公司回風(fēng)溫度每提高1°C，能源成本下降4%~5%的算法，則新數(shù)據(jù)中心冷池制冷系統(tǒng)，可使數(shù)據(jù)中心空調(diào)能源成本下降約36%~45%。

無論從冷池技術(shù)應(yīng)用的機(jī)房人體舒適度看，還是從空調(diào)節(jié)電、空調(diào)制冷能力提升、PUE值下降、空調(diào)電力成本降低等定量指標(biāo)來看，采用冷池技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，其制冷效率、制冷效果、機(jī)房IT容積率、投資成本等方面都表現(xiàn)得令人滿意。

可見，采用冷池技術(shù)的制冷系統(tǒng)無疑解決了長期阻礙綠色數(shù)據(jù)中心推進(jìn)的最基礎(chǔ)、最難以克服的問題，消除了綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)與發(fā)展過程中的最大障礙。隨著數(shù)據(jù)中心“綠色革命”的推廣，冷池技術(shù)將逐漸取代傳統(tǒng)制冷方式，成為綠色數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的主流，引領(lǐng)著綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)與發(fā)展。