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數據中心冷卻系統的演進

2019/9/29 10:12:19   電源在線網
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  全世界包含規模較小的數據中心總量有大約850萬個,其中300萬個座落于美國,幾乎是每100個人就有一座數據中心,而它們占美國所有用電量的近2%。

  這些數據中心所使用的IT硬設備,將所消耗的電力100%的轉化為熱能。因此,需要強大且高效的冷卻系統,但通過傳統的冷卻方法冷卻也需要電力,冷卻系統的電力需求也占數據中心總電力的50%以上,整體能源的需求是如此龐大。

  這使數據中心成為巨大的電加熱器,而現今趨勢不斷地建設更多數據中心,這有可能使企業甚至國家的永續性發展變得更加困難,幸運的是,傳統數據中心的冷卻模式有更高效的替代方案。用于檢測數據中心冷卻系統運行效率的測量標準,稱為能源使用效率或PUE。它是數據中心的總用電量與提供給IT設備的總用電量的效率比,PUE數值越低越好,標準的評級為2.0,1.4是好的,而1.0是您可以達到的最佳PUE評級。

  傳統的方式:高架地板冷卻

  在過去的半個世紀中,大多數據中心都是使用高架地板輸送加壓空氣來冷卻的方式。CRAC(機房精密空調)或CRAH(機房空調處理裝置)由定速風扇送出冷氣來冷卻,當機柜密度較低時,這種類型的系統運行良好,而且效率并不被大家列為優先重視項目。但隨著時間的推移,缺點就被凸顯出來,舉例來說,超過2.0的PUE在這里變得很常見。

  這種冷卻方式的最大問題是從機架底部到頂部的溫度梯度,這被稱為溫度分層。靠近地板的服務器獲得最冷的空氣,機架頂部的服務器通常是吸入較熱溫度的空氣。如果增加氣流去緩解此問題,效率則會降低,因為冷空氣會溢流過服務器機架的表面并與熱回流空氣混合。因此,開發了諸如冷熱信道封閉配置的策略。這些配置還可減少再循環,這種情況發生在服務器后方排出的熱空氣再被服務器前方吸入時,可能會產生危險的設備溫度。

  現代精密空調解決方案

  自從使用定速風扇將空氣吹入高架地板以來,冷卻技術已經走過了漫長的道路,機柜密度的增加使這些進步成為必要。通過冷空氣封閉和熱空氣封閉設計,很大程度上克服了分層和旁路的局限性,機柜式空調可實現更高的效率。在這里,變速風扇安裝在冷卻系統里且整合在同排機柜中,使數據中心操作員能夠更精密的控制溫度和能耗,這些變速風扇消耗的能耗明顯低于使用定速風扇的系統。

  節能空調的使用正在增加

  經過數十年的數據中心建設,很難去想象冷卻系統還有很大的發展應用空間。物理學的基礎并沒有被改變,但應用的方式有很大的差異。部分原因可以解釋為全球地理位置的氣候差異,最有前景的數據中心冷卻節能方式之一被稱為自然冷卻或節能空調。在這種方法中,外部空氣被用于冷卻水塔或帶走冰水機的熱能,該方法當然取決于數據中心外的空氣溫度是否足夠低以提供必要的冷卻,較涼爽的氣候在這里具有決定性的優勢。

  電力不是機房消耗的唯一資源

  使用冷卻水塔做為冷卻數據中心的解決方案會消耗大量的水。然而,許多數據中心位于世界干旱地區。即使不是,水也是一種寶貴的自然資源,我們必須努力保護它。從表面上看,這至少對于干式冷卻系統來說似乎是有利的,但從更全面的角度來看,我們還必須考慮石化燃料發電廠的蒸汽階段也消耗水,如此多的水,干式冷卻系統所需的額外能耗導致干式冷卻的耗水量高于現行冰水機。

  具有低PUE的外氣冷卻方式

  有一件事是確定的導入新的方法將是必要的!最有希望但也有問題的方法之一是使用新鮮的外部空氣來冷卻數據中心,有了外部空氣,PUE可以達到非常接近1.0,正如Yahoo用“雞舍”設計所證明的那樣。其實,為機房導入外部空氣涉及多個挑戰,室外溫度需要足夠冷,以便為IT設備提供安全的溫度,否則必須使用備用冷卻系統,但濕度和灰塵也是難以解決的問題。

  如果機房的濕度太低,則靜電放電的風險會增加。然而,最近的研究低估了IT設備的ESD風險,特別是當服務器安裝在機柜中時,損壞的風險很低,當技術人員正在接觸機房設備時,最好先佩戴防靜電腕帶。

  另一方面,過高的濕度可能會帶來更大的風險,外部空氣變得更加潮濕時,它會收集更多的灰塵顆粒聚集在IT設備上,隨著灰塵顆粒的聚集,它們使機房組件絕緣并使冷卻更加困難。鋅顆粒也會透過潮濕空氣沉積在電路上,最終導致短路。因此,太潮濕的空氣需要除濕,這反過來會消耗功率并使低PUE指數降低。

  外氣冷卻的另一個重要問題是灰塵和煙霧,根據空氣中的懸浮微粒,外氣冷卻可能需要昂貴的空氣過濾器。即使有良好的過濾,現有數據中心極其敏感的滅火系統也可能受到外氣冷卻帶來的空氣污染物的影響。

  液浸式冷卻

  電線桿變壓器使用比空氣冷卻能力還要高的冷卻方法,這是通過將電路浸沒在介電流體(通常是礦物油)中來達成的,由于油導熱但不導電,因此不會損壞部件。液浸式冷卻也可用于服務器,使用這種方法與外氣冷卻相比,將熱量從電子設備中移除的效率更高,現在已有供貨商為數據中心應用提供液浸式冷卻解決方案。

  IT設備根據美國采暖、制冷與空調工程師學會(ASHRAE)技術委員會定義的等級進行評級,這些評級類別(A1到A4)是ASHRAE開發的一套指南標準,用于確定機房硬件的最佳溫度和濕度水平,其中A1具有最小的允許溫度范圍。

  但是現在許多IT硬件制造商生產A2級甚至A3級設備,這可以為數據中心冷卻方式提供更大的選擇靈活性,因此,仔細檢查設備的冷卻要求是明智的,而不是僅僅遵循A1-A4類標準的ASHRAE建議。當然,您的設備運行溫度越高,它的可靠性就越低,但是硬件故障的成本是可以計算的。通過預測隨溫度升高而增加的故障風險,可以計算出冷卻所帶來的節省量與增加故障率的成本之間的差異。許多公司在短短三年之后就更換了他們的IT設備,在這種情況下,較高溫度的對硬件影響可能不顯著。

  實驗帶來更好的效率

  最有效的冷卻設計采用某種形式的自然冷卻或外氣冷卻,通常當戶外條件(炎熱,潮濕的夏季)無法提供足夠的冷卻以滿足數據中心的要求時,機房精密空調需要作為備援。然而,我們在一些開創性設計中看到的關鍵之一是,建筑結構總是有著不可或缺的角色。規劃建筑工程的期間,如果要盡可能地將IT設備塞入空白區域中,就須考慮之后冷卻能力是否足夠,新的數據中心概念需要從一開始就考慮到冷卻系統。

  例如,一家荷蘭公司已經實施了一個系統,該系統使用稱為京都圓盤的巨型旋轉鋁盤從建筑物中移除熱量。圓盤的一半在建筑物內,一半在外面,當圓盤旋轉時,它會在建筑物內部變暖,并在返回時將其收集的熱量傳遞到室外空氣中。但是圓盤本身相當大,并且需要相當大的空間用于圓盤旋轉通過的內部和外部區域,所以這是需要是先規劃的。

  另一種選擇是,不是簡單地將廢熱傾倒到環境中,而是充分利用它。已經有將數據中心與區域供熱和供冷系統整體結合在一起的案例,通過這種方式,來自機房的廢熱被用于提供家庭所需的熱能,這是個可持續性發展的例子,區域供冷系統也是一種非常有效的冷卻數據中心方法,通過實現高冷卻效率可以獲得巨大的競爭優勢,但如何最好地實現這一目標仍然是個未決的問題。

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