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自然冷却技术在机房空调中的应用现状

发表日期:2019/1/3 10:22:37 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

目前,数据中心的建设越来越广泛,为保障数据中心在加工、存储和管理数据时可靠运行,需要排出电力消耗过程中产生的热量,即空调系统全天候宽温区制冷运行。IDC(Internet Data Center)产业调研报告显示,2014年全球IDC增长速度略有上升,整体规模达到327.9亿美元,增速15.3%,中国IDC市场增长迅速,市场规模达到372.2亿元,增速达到41.8%。据统计,现代信息化社会的数据中心用电量会占到全社会总用电量的5%,而这其中有1/3左右用于冷却排热。相关数据显示,中国数据中心2016年用电量超过1 000亿千瓦时,相当于三峡水电站一年的发电量。对于企业而言,数据中心用电费用是很大一笔开支,大幅侵蚀企业利润,例如2012年中国联通营业收入407亿美元,利润仅12亿美元,其电费开支高达17亿美元。空调系统能耗约占整个数据中心能耗的40%,目前中国数据中心能效PUE(PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗)大约在2.5左右,与发达国家数据中心能效PUE相比偏高。为响应国家节能减排、发展绿色经济的号召,建设绿色数据中心、实现数据中心节能减排刻不容缓。

随着高功率、高发热密度刀片服务器设备的大规模应用,数据中心总热负荷和热密度急剧上升,单个机柜发热量急剧升高,目前已高达20~30 kW,为了提供安全、高效的工作环境,空调设备应具备以下主要技术性能:大功率、高热密度的供冷能力,良好的气流组织,严格的空气洁净度要求,全天候、宽温区制冷运行的功能,高可靠性、环境适应性和节能性。常规机房空调采用蒸气压缩制冷技术,全天候制冷运行,电能消耗大。在冬季及春、秋过渡的低温季节,尤其是在低环境温度、小负荷工况下,制冷系统工作效率低,存在低温启动、回油不畅、润滑效率低、负荷调节等诸多技术难题,若能够利用室内外温差低成本输送热量,将大幅降低空调系统的能耗和运行成本。利用室外低温介质等自然冷源的空调系统已受到业内的广泛关注,如各类新风系统、气-气、气-水热交换系统,以及应用热管技术的复合型空调。

1  自然冷却技术与产品分析

利用室外空气低温冷源为室内侧提供冷量已成为数据中心节能减排的研究热点,也是解决目前数据机房高能耗、实现节能减排的重要举措之一。从利用自然冷源方式上可分为直接利用与间接利用2种,其中新风系统属于直接利用,而气-气、气-水热交换系统以及热管技术等属于间接利用方式。

1.1  新风系统

新风系统由于直接将室外冷空气引入机房,直接换热,节能效果显著,约占所用自然冷却方式的40% ;Chen Y.等针对广州一典型的通信基站提出了一种通信基站的通风冷却控制策略,在保证室内温、湿度前提下实现节能约49%。Chang Y. T.设计了一种自然冷却的独特结构,冷空气通过外墙上的孔进入数据中心,然后通过数据中心顶部的风机将热空气排出。Intel公司对一座10 MW的数据中心进行了长达10个月的空气侧自然冷却研究,结果表明每年可以节约287万美元电费。Microsoft和Google公司在欧洲建造采用新风自然冷却的数据中心。A. Shehabi等对加利福尼亚州的8个数据中心进行研究,结果表明利用空气侧自然冷却导致的污染物颗粒浓度提高并未超过ASHRAE规定的标准上限。尹华等研究了中国通信基站采用通风自然冷却的可行性,结果表明我国空气灰尘较大,不适合采用空气侧自然冷却方案。直接引入新风取决于当地气候条件,只能作为辅助手段,并且该方案会破坏机房建筑结构,且无法杜绝室外灰尘、腐蚀气体、水分等的侵入,无法保证室内空气品质,易对服务器等电子设备造成损害,采用过滤网虽然可以缓解新风对数据中心的影响,但频繁更换过滤网会增加数据中心运营成本;在某些工况下,如过低温度、相对湿度过高等,还须对新风进行预处理,反而增加能耗。

1.2  气-气、气-水热交换系统

气-气、气-水热交换系统,如京都转轮系统在原有的直膨式空调上增加一个可以旋转的转轮,利用转轮内填料的储能功能,让转轮在2个封闭的风道内缓慢旋转,被室外空气冷却的填料冷却室内空气,系统的年平均能效为8~10。J.Clidaras等提出了一种直接将海水作为数据中心冷源,通过安装在室内的换热器对室内空气降温,这种数据中心冷源系统依赖于水源,限制性较大。气-水热交换系统,如次级盘管系统,在室外气温较低时,空调机组通过次级盘管利用室外低温冷源,这种系统在蒸气压缩制冷的时间,能效比普通空调有所降低。气-气、气-水热交换系统虽然阻止新风直接进入机房,但换热温差损失大,换热效率较低,导致换热器面积庞大、冷却介质流量大,常受到机房安装空间的限制,同时破坏建筑结构。

1.3  热管系统

热管不仅可以利用室外自然冷源保障计算机房稳定持续工作,确保房间内部空气品质,而且能够大幅降低空调系统的运行能耗。根据驱动力不同可将热管分为重力型分离式热管与动力型分离式热管,根据输送工质可分为液相热管和气相热管。单纯依靠热管系统无法满足数据机房全年散热需求,必须辅以压缩制冷系统,故而形成各种形式空调系统,大致可归纳为以下几种。

1)制冷、热管直接(间接)叠加(附加)型。田浩等、史胜起等、A.Samba等对分离式热管机房空调进行了研究,结果表明最佳充液率约为80%,模拟在上海的天气条件下的能耗,COP可达11.8。热管空调的实际产品最早由日本学者T. Suenaga等提出并开发样机,该系统采用一套分离式热管对室内空气进行预冷,预冷后的空气被蒸气压缩式制冷系统冷却至所需的温度,根据室外温度的不同,机组全年有3种运行模式:低温区热管单独运行模式、中温区热管运行模式和蒸气压缩系统联合运行模式以及高温区蒸气压缩系统单独运行模式。李奇贺等研究了由热管构成的机房空调的工作原理和技术特性,并作了试验分析,得出如下结论:当室内外环境温差≥5 ℃时,机组能够为机房提供冷量,并且随着温差增大,机组能效比提高,机组的换热效率为44.0%~65.6%。金鑫等对分离式热管的性能进行了试验研究,它是由分离式热管系统与常规制冷系统直接叠加,试验结果显示:当室外环境温度在20 ℃左右时,分离式热管型机房空调能够保证设备正常运行,并且机柜出风温度能够得到较好的控制,系统的COP随着室外环境温度的降低,从4.66升高到13.9,机组平均能效比可达9.05,具有显著节能优势。陈光明在专利中公开了一种风冷式热管型机房空调系统,系统具有蒸气压缩式制冷和热管循环制冷2种工作模式:当室外温度≥20 ℃时,开启制冷模式,利用第一制冷工质冷却第二制冷工质,再由第二制冷工质为机房提供冷量;当室外温度<20 ℃时,系统转换为热管循环制冷模式,利用室外低温空气对第二制冷工质进行冷却,进而第二制冷工质为机房供冷,达到减少全年空调能耗的目的。吴银龙等开发出采用重力型分离式热管与蒸气压缩式系统的双回路复合空调,它可以根据机房的工况在热管模式、空调模式和热管空调复合模式之间自由切换,并进行性能试验,结果显示年节能率在20%~55%之间。两套或准两套系统,成本高,制冷系统和热管系统能量调节不易控制,并且无法充分利用自然冷源。

2)制冷、热管一体复合型。上世纪90年代T.Okazaki等提出并研发出一体式热管复合制冷空调样机,该系统在原有蒸气压缩空调器的基础上,在气液分离器前加设电磁阀,并设置单向阀,保证蒸发器在竖直方向上低于冷凝器一定距离,当室外温度较低时,系统在热管模式下运行;当室外温度较高时,机组切换至蒸气压缩制冷模式。Han L. J.等研发了一种一体复合型空调系统,并开发了适合于2种模式性能特点的三通阀、蒸发器入口分液器和连接管等部件,使得热管模式的流动阻力有所降低,制冷量大幅改善,测试结果表明,与普通空调系统相比节能约34.3%~36.9%。S. Lee等提出一体式复合空调,采用4个电磁阀分别控制运行热管模式和制冷模式,并总结了充注量、换热器流程以及高度设计方法。石文星等将重力型分离式热管技术与蒸气压缩式制冷技术结合,开发出小型一体重力型复合空调,并将研制的热管/蒸气压缩空调机组在全国多个基站中进行试点应用,实测结果表明机组运行稳定、室内温度控制良好,在同等条件下,比常规基站空调节能30%~45%。马跃征等利用磁力泵设计出一体动力型复合空调,探究室外环境温度与冷凝器迎面风速对系统的影响,获得了2种运行模式的最佳转换温度,并选取哈尔滨与石家庄2个地区进行全年泵驱动运行时间模拟,结果表明在哈尔滨地区节能潜力更大。A公司等推出了制冷剂泵驱动的一体复合空调产品,该空调系统可根据室外环境温度与室内负荷分别切换制冷模式、混合模式以及泵循环模式,产品在全球范围内形成较好的规模。一体重力型复合空调系统要求室外机组的位置必须高于室内机组,然而很多场合难以满足这种特定的要求;一体动力型复合式空调系统在市场产品推广较多,该系统结构简单、成本低,但是无法利用过渡季节的自然冷源,并且存在系统模式硬切换的问题。

3)制冷、热管复叠复合型。王飞等研发出具有复合区的热管复叠复合型空调系统,该系统能够根据室外温度以及机房负荷分别切换热管模式、复合模式以及制冷模式,并对动力型分离式热管系统、复叠复合型空调系统分别进行探究,热管复叠复合型空调系统相较于常规蒸气压缩制冷系统综合节能率高达40%。王景辉等将复叠复合型空调系统与风冷式直膨式机组、风冷式双冷源冷水机组在广州、上海、北京、哈尔滨4个地区进行能效模拟对比分析,结果表明热管复叠复合型机组节能率为4.8%~46%。白凯洋等利用板式换热器作为冷凝蒸发器,开发全年用泵驱动回路热管及机械制冷复合冷却系统进行试验研究,结果表明复叠复合系统能效比EER高达8.3,是传统空调的2倍多。张海南等提出了机械制冷/回路热管机房空调,利用三介质换热器将机械制冷与热管耦合,包括热管模式、制冷模式以及双启模式;Wang Z. Y.等提出一种不依赖电磁阀的热管自然冷却空调,热管回路具有2个通道,试验结果表明该系统可以将机房PUE降低0.3左右。D公司等近年推出热管背板空调,即利用带自然冷却型(热管复叠复合型)冷水机组与重力型热管背板联合运行,取消原有地板送风方式,直接将蒸发器贴近服务器换热,提高了换热器效率,降低了机房初投资,但该系统采用制冷剂-水-制冷剂多次换热,且重力型热管无法解决水平方向上分液不均问题。复叠型空调机组成本高,热交换补偿制冷本身带来了能耗与成本的增加。

4)制冷、热管耦合复合型。石文星等设计一种带自然冷却多联式空调系统,利用多个电磁阀作用使系统可运行制冷模式以及热管模式;王君等设计一种热管耦合复合型机房空调系统,又称动力热管背板系统(图1),即直接将制冷系统、热管系统在低压储液器处进行耦合,真正实现按需制冷,将由制冷剂泵驱动的热管复合空调系统从成本、节能、可靠性等方面发挥到极致,并制作出30 kW热管耦合复合型空调样机,与常规机房空调进行试验对比,热管耦合复合型空调样机全年能效比提升50%以上。王铁军等在专利中公开一种具有自然冷却功能的复合型空调系统,系统在4个电磁阀切换作用下可运行制冷模式、自然冷却模式以及复合模式,其中热管模式有2个冷凝器在工作;热管耦合复合型空调降低了复叠空调中间换热器成本,但文献所述系统采用过多电磁阀影响成本与可靠性,制冷剂泵价格较高,且制冷剂泵驱动的热管系统抬高了蒸发温度,降低了末端换热温差。

5)气相热管复合型、变频热管型。魏川铖等应用滑片式压缩机设计出气相驱动热管循环,并测试其在不同充注量、高度差和温差下的循环性能,该循环展现出良好的节能效果。国德防等提出了可实现热管自然循环、基于磁悬浮无油压缩机为动力的气体增压循环和蒸气压缩循环的三模式全年制冷冷水机组技术方案,模拟结果表明该方案具有良好的节能效益。石文星等提出一种气体增压热管复合空调,设计出10 kW样机,并测试其全年能效,与常规压缩式机房空调相比节能40%。王飞等对热管系统与制冷系统在全年制冷领域重新定义,提出一种热管型空调系统,又称变频热管系统,该系统将压缩制冷功能与气相热管循环泵功能合二为一,系统结构简单,成本低廉,克服安装位置限制(图2),并设计出额定制冷量为13 kW的变频热管型空调产品的样机,在实验室进行性能试验,并与常规定速压缩制冷系统、变频压缩制冷系统进行全年能效对比测试,结果表明:在不增加成本的前提下,热管型空调全年能效比(AEER)较具有同等能力定速型、变频型机房空调分别高40%和20%以上。

6)变频多联技术。目前,变频技术被逐渐运用于机房空调领域,具有较好的节能效益与市场效益。王飞等将单冷型VRF技术引入机房空调,设计出一种系统简单、可靠的多联式机房空调系统,做出“一拖三”的样机,并对多联式机房空调全年能效及部分负荷特性进行试验研究。结果表明:多联式机房空调具有很好的节能效益,解决了定速单元式机房空调能量调节不足问题;与定速单元式机房空调相比,全年能效比AEER提升50%,为数据中心低成本、区域化、高效散热提供新的思路。

2  数据中心冷却分析与思考

在数据中心能耗中:IT设备能耗占比约40%,空调系统能耗约40%,故通过提高空调系统能效比是降低数据中心PUE最直接、有效的方式。目前数据中心仍采用风冷冷却方式,即通过气流组织实现机房降温,从最初小型机房到目前高热流密度型数据中心气流组织方式变化历程来看,基本经过无组织送风、有组织送风、机柜内部送风以及元件直接冷却几种方式。最初小型机房空调采用的是无组织送风,该空调系统送风方式类似于家用空调柜机,占地面积小,初投资少,但该送风方式为先冷却环境再冷却设备,易出现近冷远热,过度制冷现象,系统能效低。随着数据中心扩大,这种送风方式无法满足较大数据中心要求,从而出现了上送下回或下送上回送风方式,目前以下送上回方式居多,其中:上送下回易出现顶部冷空气与上升热空气掺混,冷却效果不好,风机机外余压高,噪声和能耗大的问题;而下送上回需要架空地板,初投资高,地板内走线,影响送风,可能出现地板漏风影响整个机房效率。随着服务器单个机柜热流密度增加,行业出现了一种行级机房空调(或称列间机房空调),它是将空调系统穿插于数据中心内部,形成冷热通道封闭,实现降温,该送风方式大大提高了机房气流组织效率,同时提高了空调系统蒸发温度,配合变频技术引入,整个机房PUE得到了较大幅度提高。通过气流组织优化可以看出,减少冷热掺混环节可以有效提升数据中心气流组织效率。近年有企业推出了热管背板冷却方式,即直接将蒸发器贴近服务器换热,直接有效实现数据中心散热,提高了空调系统蒸发温度,提升机房气流组织效率。至于未来数据中心是否会出现直接冷却,如将服务器置于油池内冷却仍依靠市场发展与科技进步。

由上述气流组织发展历程可知,传统数据机房气流组织差,冷热掺混严重,未能很好利用自然冷源,故而降低数据机房能耗核心就是消除冷热混合(换热)损失、冷风驱动损失,提高蒸发温度,利用自然冷源。一般服务器芯片温度大约在50~60 ℃,若可以直接利用空调系统送出的20~25 ℃冷风冷却服务器,然后经过热交换的冷风吸取热量使得回风温度大约在35~40 ℃范围内,尽量去除冷热空气掺混环节,并配合自然冷源利用效率,是目前风冷型机房空调最有效的冷却系统。首先直接冷却减少换热环节,较高的回风温度使得空调系统具有较高蒸发温度,并且系统蒸发温度(热管工作温度)提高,可利用的自然冷源更多,如热管工作温度为20 ℃,即室外环境温度低于20 ℃即可使用热管系统。

我国地域辽阔,需要走一条具有我国特色的数据中心冷却道路,其中阿里巴巴在千岛湖的数据中心即采用了千岛湖深层常年17 ℃左右的湖水冷却,水冷效率高,使得阿里巴巴数据中心PUE≤1.5,甚至可达1.3,当然千岛湖自净能力有限,并不能将全国所有数据中心全部建设到千岛湖附近,不能依靠牺牲生态环境而提高能效。我国绝大部分地区具有较丰富的自然冷源,因此核心为在不破坏环境前提下如何低成本利用室外自然冷源,并配合现有产品技术以及数据中心附近环境。

通过对现有行业技术与产品调研,新风系统或气-气热交换器技术适用于室外空气品质较高,并且对机房内空调温湿度以及洁净度不高的数据中心,如云南、昆明等地区,并配置较好的过滤网,可以有效降低数据中心能耗。对于一些小型基站、数据中心,若具有足够安装位置,则一体重力型热管复合空调是较好选择。对于现有产品中一体动力型复合空调、热管复叠式空调以及热管耦合式空调产品,由于制冷剂泵价格较高,甚至高于压缩机,鉴于投入产出比要求,适用于负荷较大的机房,如单个空调系统制冷量尽量超过30 kW。笔者认为,对于采用制冷剂泵驱动的机房空调系统,热管耦合复合式空调中制冷剂泵动力输送制冷剂至末端直接蒸发换热,解决了现有热管背板多次换热与分流不均问题,机组还可以采用微通道换热器,实现机组小型化、轻量化,机组制冷量可覆盖30~200 kW,可完全替代现有一体动力型热管空调、热管复叠复合型空调以及重力型热管背板空调,机组适用性高。对于变频热管技术,机组本身成本几乎与现有产品基本相当,小型变频热管空调系统可采用变频转子式压缩机,产品制冷量覆盖3~100 kW,并随着未来变频转子式压缩机排量增大,机组冷量范围将扩大;同时随着变频涡旋式压缩机技术更新,其压缩比最低值从原来的2.0可以降低至1.2,近似可实现气相热管循环,甚至压缩机可实现变电机功率功能,即气相热管模式下压缩机电机功率比制冷模式低;对于大型空调系统,可采用磁悬浮无油压缩机,单体行业内部最小制冷量可达150 kW,若再结合多联技术,产品制冷量覆盖范围更广泛。

3  结束语

通过对自然冷却技术在机房空调行业运用的现状进行分析,对我国数据中心冷却方案进行总结,得到如下结论:

1) 利用自然冷却是解决我国目前数据中心高能耗状态最有效、最直接的方式,可根据具体环境利用不同方式实现数据机房节能;

2) 虽然直接利用自然冷源,但无法满足机房空气品质要求,而气-气热交换器不仅成本高,也无法保障数据中心空气品质,因此只适用于空气质量较好的场合;

3) 重力型分离式热管系统成本低,适用于具有足够安装位置的场合,动力型分离式热管系统由于制冷剂泵价格限制,适用于负荷较大(≥30 kW)的数据中心;

4) 随着变频多联技术日趋成熟,可推广至机房空调领域实现数据中心低成本、高能效、区域化供冷,动力热管背板以及变频热管技术成本低、技术较先进、适用性较好,可提高数据机房运行能效。

本文摘自《制冷与空调》2018年10月刊 1-7页作者:王飞;未经许可,不得转载




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