数据中心空调

数据中心空调系统的发展历程

随着数据中心行业的不断发展,与之配套的数据中心空调技术也在迅速发展,其发展大致可分为以下三个时期:

早期数据中心空调系统(1950-1970年)

前期的机房是为某台计算机(大、中、小型机)专门建设的,并没有统一的标准,完全是在摸索建设的。由于没有专门的机房专用空调设备,这是机房的空调采用普通民用空调或者利用大楼空调系统集中供冷的舒适性空调设备,然而,舒适性空调是针对人所需求的环境条件设计的,并非为了处理数据机房的热负荷集中和热负荷组成,只有降温功能,没有精密的温度控制,没有湿度控制功能,没有严格的除尘措施,也没有测试指标。在机房内使用舒适性空调时遇到如下问题:

舒适性空调无法保持机房温度恒定,可能会导致电子元器件的寿命大大降低。

无法保持机房温度均匀,局部环境容易过热,从而导致机房电子设备突然关机。

无法控制机房湿度,机房湿度过高,会导致产生凝结水,可能造成微电路局部短路;机房湿度过低,会产生有破坏性的静电,导致设备运行失常。

风量不足和过滤效果差、机房洁净度不够,会产生灰尘的枳聚而造成电子设备散热困难,容易过热和腐蚀。

舒适性空调的设计选材可靠性差,从而造成空调维护量大,寿命短。

发展数据中心空调系统(1970-2000年)

出现了专门为当个计算机系统设计的机房,有了专用的机柜(大、中、小机柜),并且开始逐步制订标准,包括机房选址、面积等。机房制冷也从普通的民用舒适性空调机和集中冷却,开始转向采用恒温恒湿的机房专用精密空调机,机房除尘方面采用新风系统和机房正压除尘,从而实现数据中心保持适度恒定,良好的空气洁净度、具备远程监控等要求。

机房专用精密空调在设计上与传统的舒适性空调有着很大的区别,表现在以下几个方面:

大风量、小焓差

全年制冷运行

恒温恒湿控制

送风方式多样

可靠性高

创新期数据中心空调系统(2000年-至今)

随着互联网的发展,信息化的来临,对数据中心的需求也逐渐增大;数据中心也逐渐进入到各个行业,大家对数据中心的理解和要求也出现了不同之处;一般企业认为数据中心是成本中心,数据中心租赁企业认为数据中心是利润中心,金融行业对数据中心可靠性要求严格,制造业数据中心对易用性和成本提出很高要求。多种不同的需求促进数据中心行业的迅速发展和创新方案的产生。

如送风方式的创新,从下送风到靠近电源的列间空调设备;冷源的创新,自然冷源的应用逐渐走向普及;建设模式的创新,模块化的方案;工业化的创新,大型数据中心引入工业化的建设理念;各种空调设备的创新,目前设备的能效、性能、控制等和十年前不可同日而语。

数据中心空调系统的发展趋势

为了保障数据中心空调系统的高可用性,在空调系统设计中,可用性、绿色节能、动态冷却则是未来的发展趋势。

可用性

数据中心对可用性的要求远远高于普通的商业楼宇,空调系统同样如此;目前对可用性的要求一般分为A级和B级,需要空调系统有冗余设计,出现故障要有应急方案;传统的分散式空调系统可用性比较高,设置冗余后,单台机组不会影响数据中心的正常运行;大型数据中心应用的集中冷源系统,对可用性带来更多的挑战,多个节点需要设计能备份的冗余方案。

绿色节能

随着绿色数据中心概念的深入人心,建设具备节能环保特点的绿色数据中心已经成为数据中心建设和使用以及设备供应商的共识;在低碳化潮流下,数据中心急需有所作为;制冷系统是数据中心的耗电大户,约占整个系统能耗的30%-45%,制冷系统的节能受到了前所未有的关注。优化送风方式、冷热通道布局、冷热通道隔离、智能群控、利用室外自然冷源等方案已经呈现出百花齐放的现象;还有数据中心采用了热回收装置产生热水,作为生活、洗澡、游泳池等用途,降低整个系统的碳消耗。

在温湿度设定方面,ASHRAE在2011版本中推荐的温度范围为18℃-27℃,推荐的湿度范围为大于5.5℃的露点温度的相对湿度,即小于60%的相对湿度和15℃的露点温度;放宽的要求在保证机房设备正常运行的同时,可以减少机房制冷、加热、加湿、除湿的耗能,降低机房空调系统的能耗并提高能耗。

在节能机房空调设备方面,变容量压缩机、高效EC风机、节能智能控制、利用自然冷源等技术的应用使得机房空调机组的能效和适应性越来越强。

对于水的关注也逐步进入了大家的视野,WUE,水的消耗和循环水应用,雨水的应用也在数据中心的设计中得到重视。

动态化

在新型数据中心的建设和应用中心,“按需制冷”或者“动态制冷”也成为数据中心冷却方案中一项很重要的评价标准。所谓“按需制冷”指的是数据中心空调的冷量输出是伴随着IT热负荷的变化而变化,是一个动态的、可调节的输出;随数据中心发热密度的不断增大,数据中心空调出来提供稳定、可靠、绿色的冷却的同时,如何防止出现局部热点也成为冷却方案需要重点考虑的需求之一。

数据中虚拟化的发展使得服务器等设备的发热量会有更大波动,包括不同时间以及不同空间的变化;机房内不同的IT设备所需的冷却温度是不同的,甚至不同年代的同类型设备所需的冷却温度也不同;这就相应地要求制冷系统适应这种趋势,要能提供动态的制冷方案,满足不同时间不同空间的需求;因此,动态制冷更能适应虚拟化需求。

目前,动态制冷主要应用的技术有风量智能调节技术(温度控制或静压控制),变容量压缩机技术,智能控制系统等;采用动态智能制冷技术就是为了区别对待数据中心机房不同设备的冷却需要;动态智能冷却技术通过建置多个传感器群组的感应器来监控温度根据散热需求针对性地动态供应冷却气流,其风量大小可以根据需要随时调节,从而达到节能目的。

冷源的利用率的提升也是提高数据中心冷却效率的另外一个重要途径,并被业界所重视;在气流组织优化方面,从最初的大空间自然送风方式,逐渐升级到如地板送风、风道送风等一些粗放型的有组织送风方式,再到当前的机柜送风或者封闭通道冷却方式的运行,甚至有了更前沿的针对机柜、芯片、散热元件的定点冷却方式的应用。

高密度

随着数据中心单位用电量不断增加,机房的发热量越来越高,而高功率密度机架服务器、刀片服务器等高密度设备的应用,造成机房的单个机柜功率不断提高,单位面积热量急剧上升,因此高密度的机房一些问题逐渐涌现出来。

经过大量的实验验证发现,当单个机柜(服务器)的热负荷过高时,如果还是采用传统方式的机房专用空调来解决,就会造成以下问题:

机房环境温度控制得不理想,会有局部“热点”存在;

由于设备需要通过大量的循环风来带走如此多的热量,采用传统的机房空调系统会占用大量的机房空间;上送风机组需要采用风管的截面积尺寸非常巨大,下送风机组的架空地板的高度需要提高很对,会造成很对已经运行的机房将无法继续使用。

因此,机房空调制冷系统也必须做出相应的改进;高热密度制冷系统在解决机房内局部过热方面,成为机房制冷系统的重要组成部分。目前,高密度制冷方面,应用较成熟的技术主要有封闭冷热通道、列间制冷,而背板冷却、芯片冷却等新技术则是未来发展方向。

更有甚者,在部分高热流密度应用中,放弃了传统的对流散热方式而采用导热散热方式,比如微通道冷却技术,冷板(Clod Plate)散热技术的应用等等。

综合来看,与Free-Cooling应用、精确送风、定点冷却这些元素相关的应用成为当前数据中心冷却技术的热点及发展方向。

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