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    數據中心提升操作環境溫度對能源效率的益處

    TIME:2019-10-20   click:

    據最新的研究發現,企業提升數據中心操作運營環境的溫度可以有助于降低數據中心的PUE值,進而實現高達64%的能源節省。

    企業數據中心想要提升能源效率,就需要其數據中心的設計人員和操作運營管理人員們持續的關注這一領域,以期望能夠降低成本,并提高投資回報率(ROI)。當前的企業數據中心提升能源效率有很多驅動因素,其中包括對環境保護的關注以及提升企業的社會聲譽和影響力,以及遵守企業所屬的行業及政府的相關監管部門現有和預期的行業準則和法律規定,但其實這一切最終都可以歸結為企業控制成本的長期需求。而減少數據中心能源方面的費用開銷從來就是一項不錯的理念。

    除了數據中心的IT設備之外,冷卻系統可以說是任何數據中心在能源消耗方面的最大頭了。通常,計算機服務器機房空間的工作溫度是由冷水盤管維持,通過該冷卻水盤管來自數據中心建筑外部的冷卻器循環的提供冷卻水。盤管從白空間移除熱量,并將被加熱過的水返回到冷卻器,在重復循環到計算機服務器機房進行冷卻之前,冷卻器再次對這些熱水冷卻,并通過一款干燥冷卻器。

    對于任何數據中心而言,冷卻器本身都是能源的主要消耗大戶,其能耗通常占到整個制冷過程所需能量的65%至80%。通常,包括一款冷卻塔或干燥冷卻器所組成的冷卻排熱機械裝置所需的耗電要少得多。如果條件允許,并且干式冷卻器的運行足以維持最佳操作環境溫度的話,則可以采用節能器模式。在這種節能器模式下,冷卻器完全繞過干燥冷卻器以進行一些冷卻過程的循環。當然,有鑒于考慮到由此所帶來的節能效果,許多的數據中心運營商們會嘗試最大限度地提高“免費自然冷卻”方案的采用量,或者盡可能的使冷水機組可以在節能模式下運行。

    確保能源效率的一種方法便是通過企業數據中心的系統設計,使冷凍水(CHW)的溫度升高到傳統上適用于空調系統的7以上。如果可以在不損害數據中心核心IT設備的安全運行的情況下,實現更高的CHW溫度,則可以在冷卻器運行時僅僅只需要更少的工作量便可以實現成本的降低,從而增加對于免費自然冷卻方案采用的小時數。

    采用更高的CHW溫度對整個制冷設備進行系統分析,可以研究出如何有效降低運營成本的方法,這將主要歸功于更長的冷卻時間和更少的制冷機負荷。但是,這必須通過在整個冷卻機組使用壽命周期中的其他地方增加的資本支出(CAPEX)來抵消。盡管如此,對于那些正在尋求降低能源成本的數據中心運營商們而言,這無疑為他們提供了更多的備選方案,而最佳的解決方案將取決于企業數據中心的具體情況,數據中心的具體地址位置,以及所在地的主要氣候條件等關鍵因素。

    在溫帶氣候條件下最大限度地提高能源效率

    我們不妨考慮一下在溫帶氣候條件下的數據中心冷卻的情況。例如,一處位于德國法蘭克福的數據中心擁有一套典型的冷卻系統,包括一個外部冷卻器和干燥冷卻器,水從數據中心泵送到數據中心內的冷卻盤管。在采用節能器的模式下,當外部的空氣條件達到規定的設定點范圍內時,干冷卻器是唯一用于冷卻CHW的元件,因為冷卻器本身被旁路。

    我們假設IT操作運營空間中的空氣入口溫度應保持在23的恒定范圍內,這足以使IT設備保持有效的運行。如果允許CHW能夠以7到17的范圍內實現增量上升,那么采用節能模式的時間將更長,能源效率也將得到提高,進而會使得冷卻器所消耗的能量穩步下降。

    但是,當CHW溫度高于15時,必須在IT空間內部署額外的計算機房空氣處理(CRAH)單元,以維持所需的23入口空氣溫度。顯然,這會涉及資本支出的增加,但有助于減少能源消耗。如果增加更多的CRAH裝置,它們的風扇轉速可以降低,這也節省了能源成本——即:運營成本——盡管會因此帶來額外的資金支出。

    根據最近在位于法蘭克福的一處數據中心所進行的一項研究發現,當CHW從7這一基線溫度開始計算總能量需求時,隨著CHW以穩定增量的增加,當CHW達到17時,與基線溫度時的能耗相比,實現了39%的能源節省。

    如果要將CHW增加到更高的溫度,則需要對冷卻系統進行進一步的修改。雖然增添額外的CRAH裝置可以補償由于CHW溫度升高所導致的冷卻效果降低,但一旦CHW達到20,就有必要重新設計CRAH中的冷卻盤管。這當然需要進一步的花費資本支出,但在本文所介紹的位于法蘭克福的數據中心的案例中,當允許CHW升至21時,使用改進的冷卻盤管則能夠將總體的能源節省達到50%以上。

    絕熱冷卻器的使用案例分析

    通過部署額外的絕熱冷卻,以提高設備效率,帶來更有效的控制方法和更高效的液壓結構,有助于實現數據中心能源效率的進一步的提升。

    絕熱冷卻是讓空氣通過水滴的自然物理過程。從空氣到水的傳熱導致水分蒸發,進而使得空氣溫度下降。這被稱為等焓過程(constant enthalpy process),因為空氣中的總能量不會改變。

    水進入冷凝器的空氣流,并蒸發到氣流中,從而降低空氣溫度。通過這種方式降低冷凝器的溫度,可以有助于降低冷水機組的能耗,并增加節約器的使用時長。只要有充足的水源,絕熱冷卻通??捎糜跍嘏母稍餁夂驐l件。對于法蘭克福數據中心的案例,增加絕熱冷卻比基線水平提高了6%的節能效果。

    數據中心基礎設施供應商們仍在進一步的開發其電源和散熱產品,以實現能源效率的最大化。而數據中心冷卻領域中的示例或最新進展包括用于現有冷卻器的變頻驅動器和CRAH中的變速風扇。通過選擇和部署這種節能設備,可以使得數據中心的操作運營人員們進一步的提高整個數據中心基礎設施的整體效率。

    通常,數據中心的冷卻裝置是由數據中心的操作運營人員以獨立、分散的方式手動控制的,手動操作的人員根據具體情況調節冷凍水設定點,并打開和關閉冷卻器。但是,借助集中式的系統管理和數據中心基礎架構管理(DCIM)軟件則可以大大提高冷卻設備對變化條件的準確性和響應能力,從而相應地進一步提高能效。

    結論

    為評估使用更高的CHW溫度所能帶來的總體成本的節省,數據中心科學中心專門研究了兩處不同數據中心的運行情況,這兩處不同的數據中心均采用了類似的制冷架構,但卻分別位于兩個截然不同的氣候條件的地區。

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