本文从理论角度,结合实践经验阐述了数据中心基础设施管理的基本概念。重点介绍了水冷精密空调系统的构成、工作原理及节能运行、数据中心能耗指标及节能措施等。
数据中心基础设施管理的概念
数据中心基础设施是除了IT设备(计算机、服务器、网络设备等)之外的所有数据机房辅助设施,包括暖通系统、电气系统、消防系统、安防系统及弱电系统等。数据中心基础设施管理是指对上述各系统的统一、系统地管理,尤其重要的是对暖通系统、电气系统的管理。数据中心基础设施管理的主要目标包括:
对于大型数据中心节能水冷精密空调系统,新一代大型数据中心一般首选离心式。水冷空调系统,其特点是制冷量大,并且整个系统的能效比高。
离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。图1给出了离心式压缩机工作原理图。
它的工作原理与传统的活塞式压缩机有根本的区别,它不是利用汽缸容积减小的方式来提高气体的压力,而是依靠动能的变化来提高气体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮,当工作轮转动时,叶片就带动气体运动或者使气体得到动能,然后使部分动能转化为压力,从而提高气体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入,又不断地沿半径方向甩出去,所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室,并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮(工作轮也称叶轮,它是离心式制冷压缩机的重要部件,因为只有通过工作轮才能将能量传给气体)。
气体在叶片作用下,一边跟着工作轮作高速旋转,一边由于受离心力的作用,在叶片槽道中作扩压流动,从而使气体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的气体再进入截面积逐渐扩大的扩压器(因为气体从工作轮流出时具有较高的流速,扩压器便把动能部分地转化为压力能,从而提高气体的压力)。气体流过扩压器时速度减小,而压力则进一步提高。经扩压器后气体汇集到蜗壳中,再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。
水冷冷冻机组的工作原理如下:
1、冷冻水侧:
一般冷冻水回水温度为12℃,进入冷冻器与冷媒做热交换后,出水温度为7℃。冷冻水一般通过风机盘管、组合式空调机组或水冷精密空调机向IT设备提供冷气。由于数据中心的制冷量大,要求温差小、风量大且湿度需要控制,一般采用水冷精密空调机;
2、冷却水侧:
一般冷却水进水温度为30℃,进入冷凝器与冷媒做热交换后,出水温度为35℃。冷却水一般使用蒸发式冷却塔通过水蒸发来散热降温;
3、冷媒侧:
冷媒以低温低压过热状态进入压缩机,经压缩后成为高温高压过热状态冷媒。高温高压过热状态冷媒进入冷凝器后,将热传给冷却水而凝结成高压中温液态冷媒。高压中温液态冷媒经膨胀装置,成为低压低温液气混合状态冷媒。低温低压液气混合状态冷媒进入蒸发器后,与冷冻水进行热交换,冷冻水在此处被冷却,而冷媒则因吸收热量而蒸发,之后以低温低压过热蒸气状态进入压缩机。
离心式制冷压缩机具有下列优点:
1、单机制冷量大(350到35000kW之间),在制冷量相同时,它的体积小,占地面积少,重量较活塞式轻5～8倍;
2、由于它没有汽阀活塞环等易损部件,又没有曲柄连杆机构,因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低;
3、工作轮和机壳之间没有摩擦,无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触,从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能;
4、能经济方便的调节制冷量并且调节的范围较大。由于热量是通过水的蒸发(在冷却塔中)来散发的,因此夏天室外的高温对其冷却能力影响很小。
离心式冷冻机组在小负荷时(满负荷的20%以下)容易发生喘振,不能正常运转。因此,在数据中心水冷空调系统的设计中一般先安装一台小型的螺杆式水冷机组或风冷水冷机组作为过渡。
大型数据中心的水冷空调系统一般由以下五部分组成,示意图如图2所示。
工作原理图如图3所示。
1、离心式冷冻机组一般为N+1配置,有一台备机,安装在冷站机房;
2、冷却塔通常安装在室外或楼顶,一般一台冷冻机组对应一组冷却塔(便于维修和保证备机系统正常待机)。冷却水通过冷却塔来降温,由于水在大气中蒸发,因此要设计安装水处理系统来除垢、除沙尘、除钠镁离子和病菌等,否则将大大降低制冷效率。另外,由于数据中心是全年连续运行,还要设计冬季防结冰措施;
3、由于数据中心需要连续运行,因此冷冻水的进水和回水管道都要设计成环路,大型数据中心可能设计成二级或三级环路,这样在局部冷冻水管道或阀门发生故障时可以关闭相邻的阀门进行在线维护和维修。为了便于日后的维护、维修、更换和扩展,需要安装设计相当多的阀门。为了防止漏水和提高使用寿命,需要选择优质的阀门,有些工程使用优质无缝钢管,甚至不锈钢管。冷冻水管和冷却水管不允许经过机房区域。在水管经过的区域需要设置下水道和漏水报警设备。为了节能和防止冷凝水,冷冻水管和冷却水管都要采取严格的保温措施;
4、水冷精密空调机其实就是一个温差小、风量大的大型风机盘管,一般推荐采用地板下送风和天花板上回风。为了保证IT设备的绝对安全和便于设备检修,推荐设置物理上独立的空调设备间,四周做拦水坝,地面做防水处理和设置排水管道,安装漏水报警设备。推荐采用N+1或N+2的冗余配置方案;
5、冷冻水和冷却水的循环都是通过水泵进行的。水泵的节能除采用变频装置外,应采用较大直径的管道、尽量减少管道长度和弯头、采用大半径弯头、减少换热器的压降等。冷冻机房、水泵、冷却塔、板式换热器和精密空调尽量设计安装在相近的高度以减少水泵扬程。
由于大型数据中心的水冷空调系统的电力负荷很大,一般需要为水冷空调系统设计独立的配电室。由上述可以看出,水冷空调系统比较复杂,成本也比较高,维护也有难度,但是能满足大型数据中心的冷却和节能要求。
免费冷却(Free Colling)技术指全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷从而减少压缩机或冷冻机消耗的能量。常见的免费能源有:
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中北部地区的冬季甚至春秋季,室外空气中储存大量冷量;
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目前常用的免费冷源主要是冬季或春秋季的室外空气。因此,如果可能的话,数据中心的选址应该在天气比较寒冷或低温时间比较长的地区。在中国,北方地区都非常适合采用免费制冷技术。数据中心在环境温度较低的季节,将室外空气经过过滤后直接送入机房作为冷源,也能节省大量能源,称为风冷自然冷却。这种自然冷却方式原理比较简单,成本也比较低,但存在以下不足之处:
1、要保证空气的洁净度不是一件容易的事。虽然可以通过高质量的过滤网保证空气的洁净度,但由于风量特别大,需要经常清洗更换,同时巨大的阻力也要消耗相当的能源;
2、湿度不好控制。加湿和除湿都是相当的消耗能源。如果采用简单的工业加湿设备,需要对加湿的水源进行高度净化(成本比较高),简单的软化水不能满足要求(对设备有害,长时间会在设备内部形成一层白色物质);
3、温度过低,容易结露并除湿。因此需要进行细致严格的保温处理;
4、对于大型数据中心,由于距离远,风量特别大,这样就需要很大的风道,风机的电能消耗也非常的大。实际的设计和安装也是很困难的事;
5、不可能实现全年自然冷却,夏季的制冷方式还需要安装单独的空调设备。因此,在大型数据中心中对自然环境要求较高,因此不推荐使用风冷自然冷却方式。
采用水冷空调系统,当室外环境温度较低时,可以关闭制冷机组,采用板式换热器进行换热,称为水冷自然冷却。这样减少了开启冷机的时间,减少大量能源消耗。湿球温度在4℃以下时可以满足完全自然冷却,在湿球温度4～10℃之间可实现部分自然冷却。在北京,一年内平均有5个月左右可以实现完全自然冷却,有2个月左右可以实现部分自然冷却。节能效果将是非常明显的。
水冷精密空调系统中具有以下三种工作方式:
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夏天完全靠冷冻机制冷,通过阀门控制使得板式换热器不工作;
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冬天完全自然冷却,冷冻机关闭,通过阀门控制冷冻水和冷却水只通过板式换热器;
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春秋季节部分自然冷却。这时冷却水和冷冻水要首先经过板式换热器,然后再经过冷冻机组。
由于天气在不断的变化,上述三种工作方式也将不断进行转化。为了减轻运维人员的工作和精确控制,在所有阀门采用电动阀的情况下,在空调系统管道若干位置加装可以自动采集数据的温度计、流量计和压力表等,通过一套自动化控制系统全年按最佳参数自动运行。但这套最佳运行参数的获取需要一定时间的经验积累。
对于大型数据中心,由于制冷量特别大,同时考虑到降低N+1备机的成本,一般采用2+1、3+1或4+1系统,为了便于检修和提高整个系统的可靠性,蒸发式冷却塔、水泵、板式换热器和冷冻机组应一对一配置。
我们知道,空调系统的制冷能力和环境密切相关,夏天室外温度越高,制冷能力越低,因此大型数据中心空调系统的制冷量都是按最差(夏天最热)工况设计的(空调的制冷量一般要比其在理想工况下的额定值低,这时建筑物本身不但不散热,反而吸热。)。这样,全年绝大部分时间空调系统运行在负荷不饱满状态。另外,大型数据中心的IT负荷从零到满载也需要相当的时间,一般需1～3年。另外,IT负载的能耗和网络访问量或运行状态相关,根据其应用的特点,每天24h的能耗都在变化,一年365天的能耗也都在变化。比如,游戏服务器在早上的负载和能耗都比较低,但在晚上就比较高;视频服务器在遇到重大事件时的负载和能耗就比较高。
因此,我们强烈建议在水冷空调系统中所有电机采用变频系统,这样可以节约大量的能量,其增加的投资一般在一年内节省的电费中就可以收回(基本满负荷情况下)。要注意的是在选用变频器时,要求谐波系数一般小于5%,不然将对电网造成不良影响。对于风机和水泵,输入功率和这些设备转速的三次方成正比。例如,如果风机或水泵的转速为正常转速的50%,仅需要同一设备运行在100%额定转速时理论功率的12.5%。因此,当设备运行在部分负荷时,变速装置的节能潜力十分明显。
1、变频冷水机组。冷水机组采用变频电机并作相应的特殊设计,节能效果非常明显。表1是一台典型的制冷量1000冷吨的变频冷水机组相对常规定频机组不同负荷的节能效果,负荷越低,节能效果越明显。
即便是数据中心处于满负荷状态,但由于数据中心的冷水机组需要常年运行,而室外的气温不断变化,对应冷却塔的供水温度也在不断变化,压缩机的工作压头也随之变化,在这种情况下,采用变频驱动的离心机组能够不断的根据压头的变化调节转速,达到节能效果。表1为机组在室内负荷恒定,机组100%满负荷运行状态下,定频机组与变频机组的节能比较。
2、变频冷却塔。冷却塔采用变频电机可以在部分负荷和满负荷的不同气象条件下实现节能效果。一般冷却塔的变频电机根据冷却水的温差进行控制,温差一般为5℃,若高于5℃,将降低频率减少冷量来降低温差,若低于5℃,将增加频率加大风量来提高温差。另外,冷却水的温度越低,冷水机组的效率就越高。根据YORK公司在网络上公布的材料,冷却水温度每提高一度,冷水机组的效率就要下降4%左右。因此,在进行冷却塔的变频控制时还要考虑这个因素。
