淺談數(shù)據(jù)中心幾種不同冷卻方式對于配電設(shè)計(jì)的影響

郭石磊 周思佳

貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 貴州 貴陽 550081

引言

數(shù)據(jù)中心的起源雛形通常被認(rèn)為是起源于20世紀(jì)50年代的ENIAC系統(tǒng)（Electronic Numerical Integrator And Computer），最早被制造出來用于彈道研究中存儲火力表，而后經(jīng)歷了虛擬技術(shù)的運(yùn)用、互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，直到20世紀(jì)90年代，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心逐漸形成規(guī)模，而也正是從這個(gè)時(shí)候開始，數(shù)據(jù)中心的能耗問題就已經(jīng)成為其設(shè)計(jì)、建造的一大重難點(diǎn)，一些大型的數(shù)據(jù)中心開始采用更為節(jié)能的方式來運(yùn)行數(shù)據(jù)中心。

1 數(shù)據(jù)中心建筑冷卻方式概述

中大型數(shù)據(jù)中心的冷卻方式有很多種，風(fēng)系統(tǒng)、氟系統(tǒng)、水系統(tǒng)均有作為數(shù)據(jù)中心的冷源使用，本文將列舉其中常規(guī)水系統(tǒng)空調(diào)形式、直接風(fēng)冷式空調(diào)以及水液冷系統(tǒng)這三種具有一定特點(diǎn)的空調(diào)形式來做一個(gè)闡述[1]。

1.1 常規(guī)水系統(tǒng)空調(diào)形式

常規(guī)水系統(tǒng)空調(diào)形式是工業(yè)、民用建筑中最為常見的空調(diào)形式之一，即為一種基于逆卡諾循環(huán)理論的運(yùn)用，通過冷卻塔、冷卻水泵、冷水機(jī)組、冷凍水泵、蓄冷罐以及組合式空調(diào)機(jī)組構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)機(jī)房熱通道內(nèi)的熱量進(jìn)行吸收，通過冷卻塔對冷卻水進(jìn)行降溫，利用水－空氣換熱將數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的廢熱排入周圍環(huán)境，之后通過冷水機(jī)組將熱量進(jìn)行交換，冷凍水泵將冷凍水運(yùn)送至各個(gè)組合式空調(diào)機(jī)組內(nèi)的表面式冷卻器，由組合式空調(diào)機(jī)組內(nèi)的風(fēng)機(jī)將數(shù)據(jù)中心內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)，透過表面式冷卻器的降溫，最終完成對數(shù)據(jù)中心整體環(huán)境的降溫。

圖1 常規(guī)水系統(tǒng)空調(diào)形式

1.2 直接風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組

直接風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組在機(jī)組內(nèi)置蒸發(fā)冷卻段，對室外空氣進(jìn)行處理降溫后再引入室內(nèi)熱通道，降低數(shù)據(jù)中心熱通道溫度，以達(dá)到制冷效果，此方法相較于其他方式而言更為節(jié)能，但同時(shí)，此方法對于室外環(huán)境溫度、濕度及空氣潔凈度均有一定要求。

圖2 直接風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組

1.3 水液冷系統(tǒng)

水液冷制冷方式的整體架構(gòu)與常規(guī)水冷空調(diào)形式十分類似，都是由冷卻塔、冷卻泵、冷機(jī)、冷凍水泵構(gòu)成，不同之處在于水液冷系統(tǒng)的末端是將冷凍水直接接入數(shù)據(jù)機(jī)柜內(nèi)部，通過換熱器將數(shù)據(jù)機(jī)柜產(chǎn)生的廢熱帶走，而又因?yàn)楝F(xiàn)在單臺數(shù)據(jù)機(jī)柜性能一定程度上由散熱器的效能所決定，且此種冷卻方式相較于其他方式可以帶走更多的熱量，故以此種方式冷卻的單臺數(shù)據(jù)機(jī)柜的性能會得到較大的提升。

圖3 水液冷系統(tǒng)

2 數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范及業(yè)主需求對數(shù)據(jù)中心級別進(jìn)行分級，本文以A級數(shù)據(jù)中心為例，根據(jù)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范中要求及具體使用要求，通常采用雙重電源及柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，而為了滿足數(shù)據(jù)機(jī)柜的持續(xù)供電需求，采用不間斷電源作為保障，詳見圖4。冷卻設(shè)備對于數(shù)據(jù)機(jī)柜的持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行尤為重要，故通常也由雙重電源、柴油發(fā)電機(jī)組及不間斷電源供給其電源保障，以下為三種不同的空調(diào)冷卻形式對與供配電系統(tǒng)中的影響[2]。

圖4 A級數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)圖

2.1 常規(guī)水系統(tǒng)空調(diào)形式

對于常規(guī)水系統(tǒng)的空調(diào)形式，其冷卻塔、水泵及冷水機(jī)組均應(yīng)接入不間斷電源供電，以免任意設(shè)備的斷電都將導(dǎo)致其整個(gè)冷卻系統(tǒng)的中斷，帶來數(shù)據(jù)中心溫度升高發(fā)生過熱事故。

2.2 直接風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)

在此系統(tǒng)下，因?yàn)橄到y(tǒng)本身主要的冷源為室外空氣，故用于引入空氣的空調(diào)機(jī)組及風(fēng)機(jī)需接入不間斷電源，但相較于常規(guī)水系統(tǒng)空調(diào)形式，直接風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組本身不需要再有冷水機(jī)組及相關(guān)泵組，故不間斷電源的容量及整體系統(tǒng)的供電負(fù)荷均小于常規(guī)水系統(tǒng)空調(diào)形式，對于A級數(shù)據(jù)中心的供配電形式來說，雙重電源及柴發(fā)的供電形式帶來的是高可靠性，同時(shí)其變壓器、柴油發(fā)電機(jī)組、高壓柜等設(shè)備均需設(shè)置兩套，用以在發(fā)生單路電源故障時(shí)，另一路電源能承擔(dān)所有的負(fù)荷，對于直接風(fēng)冷式空調(diào)系統(tǒng)，本身通過引入環(huán)境空氣直接降溫的方式帶來的是更低的能耗，所以相對應(yīng)的供配電設(shè)備及電氣機(jī)房都較其他形式更為節(jié)省。

2.3 水液冷系統(tǒng)

對于水液冷系統(tǒng)而言，因散熱效率的提高，帶來了數(shù)據(jù)機(jī)柜功率的提高，同時(shí)也帶來了數(shù)據(jù)機(jī)柜廢熱量的提高，所以相應(yīng)其整體系統(tǒng)的水泵、冷卻塔等設(shè)備均較前兩種方式上有更高的功率，并且有因?yàn)閱闻_數(shù)據(jù)機(jī)柜性能的提高，帶來的功率變化，每臺數(shù)據(jù)機(jī)柜的用電負(fù)荷甚至可以達(dá)到常規(guī)數(shù)據(jù)機(jī)柜的3倍以上，由此對于整個(gè)供配電系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機(jī)容量、10kV電源的容量以及不間斷電源的容量均呈倍數(shù)上漲，但是同時(shí)，此冷卻系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)機(jī)柜所能處理的業(yè)務(wù)及性能都帶來了極大地提升，而同樣的，數(shù)據(jù)中心整體性能的提高也需要更大容量的供配電設(shè)備、不間斷電源等設(shè)備進(jìn)行支撐，用電負(fù)荷也更為集中，故當(dāng)數(shù)據(jù)中心采用水液冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)對于項(xiàng)目電氣機(jī)房進(jìn)行充分考慮[3]。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著科技的進(jìn)步，人們對于“數(shù)據(jù)”這一重要商品的需求及應(yīng)用也越來越多，而數(shù)據(jù)中心體量也愈發(fā)增大，數(shù)據(jù)中心的高能耗，決定了其選址、冷卻系統(tǒng)的運(yùn)用都尤為重要，而與其息息相關(guān)的供配電系統(tǒng)也受冷卻系統(tǒng)的運(yùn)用及變革而變化，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)對此充分考慮，才能為一個(gè)數(shù)據(jù)中心帶來其最大化的利益。