1、前言

隨著云計(jì)算為核心的第四次信息技術(shù)革命的迅猛發(fā)展，信息資源已成為與能源和材料并列的人類三大要素之一。作為信息資源集散的數(shù)據(jù)中心正在發(fā)展成為一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè)，成為新一代信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分和未來 3-5 年全球角逐的焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心不僅是搶占云計(jì)算時(shí)代話語(yǔ)權(quán)的保證，同時(shí)也是保障信息安全可控和可管的關(guān)鍵所在，數(shù)據(jù)中心發(fā)展政策和布局已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。

數(shù)據(jù)中心是一整套復(fù)雜的設(shè)施。它不僅僅包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其它與之配套的設(shè)備（例如通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)），還包含配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等多種基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。其中，制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心是耗電大戶，約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的30~45%。降低制冷系統(tǒng)的能耗是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率的最直接和最有效措施。制冷系統(tǒng)也隨著數(shù)據(jù)中心的需求變化和能效要求而不斷發(fā)展。下文簡(jiǎn)要回顧和分析了數(shù)據(jù)中心發(fā)展各個(gè)時(shí)期的制冷技術(shù)應(yīng)用，并展望了未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展方向。

2、風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)及主要送風(fēng)方式

1994年4月，NCFC（中關(guān)村教育與科研示范網(wǎng)絡(luò)）率先與美國(guó)NSFNET直接互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)與Internet全功能網(wǎng)絡(luò)連接，標(biāo)志著我國(guó)最早的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的誕生。1998~2004年間中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)全面起步和推廣，此時(shí)的數(shù)據(jù)中心正處于雛形階段，更多的被稱為計(jì)算機(jī)房或計(jì)算機(jī)中心，多數(shù)部署在如電信和銀行這樣需要信息交互的企業(yè)。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)房業(yè)務(wù)量不大，機(jī)架位不多，規(guī)模也較小，IT設(shè)備形式多種多樣，單機(jī)柜功耗一般是1~2kw。受當(dāng)時(shí)技術(shù)所限，IT設(shè)備對(duì)運(yùn)行環(huán)境的溫度、濕度和潔凈度要求都非常高，溫度精度達(dá)到±1℃，相對(duì)濕度精度達(dá)到±5%，潔凈度達(dá)到十萬(wàn)級(jí)。依據(jù)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平，計(jì)算機(jī)房多采用了風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)維持IT設(shè)備的工作環(huán)境，保證IT設(shè)備正常運(yùn)行。

風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥和冷凝器以及送風(fēng)風(fēng)機(jī)、加濕器和控制系統(tǒng)等，制冷劑一般為氟里昂，單機(jī)制冷量10-120KW。原理如圖1所示。每套空調(diào)相對(duì)獨(dú)立控制和運(yùn)行，屬于分散式系統(tǒng)，易于形成冗余，可靠性較高，具有安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是這個(gè)時(shí)期數(shù)據(jù)中心大量采用的空調(diào)方案。缺點(diǎn)是設(shè)備能效比較低，COP(Coefficient Of Performance)值小于3.0，室內(nèi)外機(jī)受到管道距離限制。 

圖1  風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)原理圖

風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)室內(nèi)機(jī)一般部署在機(jī)房一側(cè)或兩側(cè)，機(jī)房?jī)?nèi)的氣流組織方式一般采用兩種：送風(fēng)管道上送風(fēng)方案和架空地板下送風(fēng)方案。風(fēng)管上送風(fēng)方式是指在機(jī)房上空敷設(shè)送風(fēng)管道，冷空氣通過風(fēng)管下方開設(shè)的送風(fēng)百葉送出，經(jīng)IT設(shè)備升溫后負(fù)壓返回空調(diào)機(jī)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于安裝快速，建造成本低。缺點(diǎn)是受到各種線纜排布和建筑層高限制，送風(fēng)管道截面無(wú)法做大，導(dǎo)致風(fēng)速過高，送風(fēng)量無(wú)法靈活調(diào)節(jié)。這種送風(fēng)方式在低熱密度的機(jī)房應(yīng)用較多。

圖2  風(fēng)管上送風(fēng)案例

地板下送風(fēng)是另一種，即使是現(xiàn)在，也是大量數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中仍在使用和新建采用的一種氣流組織方式。這種方式利用架空地板下部空間作為送風(fēng)靜壓箱，減少了送風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)壓，增加靜壓并穩(wěn)定氣流?？照{(diào)機(jī)將冷空氣送至地板下，通過送風(fēng)地板通孔送出，由IT設(shè)備前端進(jìn)風(fēng)口吸入。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)房?jī)?nèi)各點(diǎn)送風(fēng)量可以通過送風(fēng)地板通孔率調(diào)整，同時(shí)，通過合理布置數(shù)據(jù)中心機(jī)房線纜和管道，可以少量敷設(shè)在地板下，保證美觀。缺點(diǎn)是隨著使用需求的增長(zhǎng)和調(diào)整，地板下敷設(shè)的電纜不斷增加，導(dǎo)致送風(fēng)不暢，甚至形成火災(zāi)隱患。

圖3  地板下送風(fēng)案例

3、水冷系統(tǒng)

2005~2009年間互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求猛增，原本規(guī)模小、功率密度低的數(shù)據(jù)中心必須要承擔(dān)更多的IT設(shè)備。此時(shí)的單機(jī)柜功率密度增加至3~5kw，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也逐漸變大，開始出現(xiàn)幾百到上千個(gè)機(jī)柜的中型數(shù)據(jù)中心。隨著規(guī)模越來越大，數(shù)據(jù)中心能耗急劇增加，節(jié)能問題開始受到重視。

傳統(tǒng)的風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)能效比COP(Coefficient Of Performance)較低，在北京地區(qū)COP約為2.5~3.0，空調(diào)設(shè)備耗電驚人，在數(shù)據(jù)中心整體耗電中占比很高。而且，隨著裝機(jī)需求的擴(kuò)大，原來建設(shè)好的數(shù)據(jù)中心建筑中預(yù)留的風(fēng)冷冷凝器安裝位置嚴(yán)重不足，噪音擾民問題凸顯，都制約了數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)容。此時(shí)，在辦公建筑中大量采用的冷凍水系統(tǒng)開始逐漸應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中，由于冷水機(jī)組的COP可以達(dá)到3.0~6.0，大型離心冷水機(jī)組甚至更高，采用冷凍水系統(tǒng)可以大幅降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗。

冷凍水系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵以及通冷凍水型專用空調(diào)末端組成。系統(tǒng)采用集中式冷源，冷水機(jī)組制冷效率高，冷卻塔放置位置靈活，可有效控制噪音并利于建筑立面美觀，達(dá)到一定規(guī)模后，相對(duì)于直接蒸發(fā)式系統(tǒng)更有建造成本和維護(hù)成本方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖4  水冷系統(tǒng)

冷凍水系統(tǒng)應(yīng)用最多的空調(diào)末端是通冷凍水型精密空調(diào)，其單臺(tái)制冷量可以達(dá)到150kw以上。送風(fēng)方式與之前的風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)變化不大，僅僅是末端內(nèi)的冷卻媒質(zhì)發(fā)生變化，空調(diào)設(shè)備仍然距離IT熱源較遠(yuǎn)，主要依靠空調(diào)風(fēng)扇輸送空氣維持氣流組織。

4、水側(cè)自然冷卻和新型空調(diào)末端

2010~至今，隨著數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的進(jìn)一步關(guān)注和追求，自然冷卻的理念逐漸被應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心中。

在我國(guó)北方地區(qū)，冬季室外溫度較低，利用水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，冬季無(wú)需開啟機(jī)械制冷機(jī)組，通過冷卻塔與板式換熱器“免費(fèi)”制取冷源，減少數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是在原有冷凍水系統(tǒng)之上，增加了一組板式換熱器及相關(guān)切換閥組，高溫天氣時(shí)仍采用冷水機(jī)組機(jī)械制冷，在低溫季節(jié)將冷卻塔制備的低溫冷卻水與高溫冷凍水進(jìn)行熱交換，在過渡季節(jié)則將較低溫的冷卻水與較高溫的冷凍水進(jìn)行預(yù)冷卻后再進(jìn)入冷水機(jī)組，也可以達(dá)到降低冷水機(jī)組負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)間的目的。

圖5  水冷系統(tǒng)自然冷卻系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷凍水溫度一般為7/12℃，以北京地區(qū)為例，全年39%的時(shí)間可以利用自然冷卻，如果將冷凍水提高到10/15℃，全年自然冷卻時(shí)間將延長(zhǎng)至46%。同時(shí)由于蒸發(fā)溫度的提高，冷水機(jī)組COP可以提升10%。另一方面，隨著服務(wù)器耐受溫度的提升，冷凍水溫度可以進(jìn)一步提高，全年自然冷卻的時(shí)間也將進(jìn)一步延長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)將冷凍水溫度提高至15/21℃，全年自然冷卻時(shí)間可以達(dá)到70%甚至更長(zhǎng)。

水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)雖然相對(duì)復(fù)雜，但應(yīng)用在大型數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中的節(jié)能效果顯著。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)日漸成熟，已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)中最受認(rèn)可的空調(diào)系統(tǒng)方案。我國(guó)目前PUE能效管理最佳的數(shù)據(jù)中心也正是基于水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，全年P(guān)UE已實(shí)現(xiàn) 1.32。

在冷源側(cè)系統(tǒng)不斷演進(jìn)發(fā)展的同時(shí)，新型空調(diào)末端形式也層出不窮。

傳統(tǒng)的機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定，設(shè)備厚度一般為600mm，寬度為2500mm左右，風(fēng)量約27000m3/h，其機(jī)組內(nèi)部風(fēng)速達(dá)到7米/秒，空氣阻力很大，風(fēng)機(jī)大量的壓力損失在了機(jī)組內(nèi)部，造成了很大的能量浪費(fèi)。一般配置了450Pa風(fēng)機(jī)全壓的空調(diào)機(jī)，機(jī)外余壓只有大約200Pa。

圖6所示的AHU風(fēng)機(jī)矩陣是一種新型的空調(diào)末端，運(yùn)行時(shí)由AHU設(shè)備的回風(fēng)口吸入機(jī)房熱回風(fēng)，順序經(jīng)過機(jī)組內(nèi)部的過濾器、表冷器等功能段。降溫后的空氣由設(shè)置在AHU前部的風(fēng)機(jī)矩陣水平送入機(jī)房，冷空氣送入機(jī)房冷區(qū)，即機(jī)柜正面，冷卻IT后升溫排至熱區(qū)，即機(jī)柜背面封閉的熱通道內(nèi)，向上至回風(fēng)吊頂，又回到空調(diào)回風(fēng)口，如此周而復(fù)始循環(huán)。這種新型的空調(diào)末端改變了機(jī)房布置和傳統(tǒng)精密空調(diào)機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大大增加了通風(fēng)面積，截面風(fēng)速可以控制在3米/秒以下，減少了空氣在設(shè)備內(nèi)部多次改變方向并大幅減小部件布置緊湊導(dǎo)致的阻力。末端能耗最多降低約30%。

圖6  AHU風(fēng)扇矩陣設(shè)備

行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)（Inrow）和頂置冷卻單元（OCU）是一種將空調(diào)末端部署位置從遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的機(jī)房?jī)蓚?cè)移至靠近IT機(jī)柜列間或機(jī)柜頂部的空調(diào)末端側(cè)的優(yōu)化，形成了我們稱之為靠近負(fù)荷中心的集中式制冷方式。行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、表冷盤管，水路調(diào)節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成，設(shè)備布置在IT機(jī)柜列間。行級(jí)空調(diào)通過內(nèi)部風(fēng)機(jī)將封閉通道的熱空氣輸送至表冷盤管，實(shí)現(xiàn)冷卻降溫， IT設(shè)備根據(jù)自身需求將低溫的冷通道空氣引入，通過服務(wù)器風(fēng)扇排至封閉的熱通道，實(shí)現(xiàn)水平方向的空氣循環(huán)。行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)（Inrow）因靠近負(fù)荷中心，因輸送冷空氣至負(fù)荷中心的距離減小，設(shè)備維持制冷循環(huán)所需的能耗會(huì)比傳統(tǒng)方式降低。頂置冷卻單元與行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)制冷循環(huán)很相似，但頂置冷卻單元僅由表冷盤管、水路調(diào)節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成，設(shè)備本身不再配置風(fēng)機(jī)，表冷盤管設(shè)置于機(jī)柜頂部。IT機(jī)柜風(fēng)扇將排出的熱空氣聚集到封閉的熱通道內(nèi)，通過熱壓的作用，熱空氣自然上升，經(jīng)過機(jī)柜頂部的頂置冷卻單元表冷盤管降溫后，因熱壓作用開始下降，并再由IT機(jī)柜風(fēng)扇吸進(jìn)IT設(shè)備降溫，實(shí)現(xiàn)垂直方向的空氣循環(huán)。頂置冷卻單元（OCU）因其本身就沒有配置風(fēng)扇，熱壓作用維持了空氣的自然流動(dòng)循環(huán)，使得空調(diào)末端設(shè)備的能耗消耗降低至極致至0。以華北地區(qū)某個(gè)應(yīng)用了行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)（Inrow）和頂置冷卻單元（OCU）冷卻技術(shù)的大型數(shù)據(jù)中心為例，年均PUE可實(shí)現(xiàn)1.3以下。

圖7  行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)（Inrow）和頂置冷卻單元（OCU）

從傳統(tǒng)精密空調(diào)到行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)（Inrow），再到頂置冷卻單元（OCU），不難發(fā)現(xiàn)，空調(diào)末端正越來越向熱源靠近，目的就是減少冷卻媒質(zhì)輸送的能耗，以輸送低溫冷凍水替代輸送冷空氣，提高冷卻效率。目前服務(wù)器級(jí)的浸泡冷卻方案已經(jīng)開始小規(guī)模測(cè)試，這種方案利用了冷卻介質(zhì)的相變就可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的冷卻，由于減少了介質(zhì)轉(zhuǎn)換溫差，冷源側(cè)可以減少機(jī)械制冷或者不使用機(jī)械制冷，這將大大降低制冷系統(tǒng)能耗。

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