自然冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用探討

1、自然冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用探討摘要：將當(dāng)前中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用背景作為基礎(chǔ)，來分析蘭州地區(qū)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的自然冷卻技術(shù)的應(yīng)用，直接引入新風(fēng)式節(jié)能系統(tǒng)相比較隔離式新風(fēng)熱交換系統(tǒng)，再結(jié)合蘭州的室外氣象條件以及數(shù)據(jù)中心機(jī)房的空調(diào)負(fù)荷情況來看，采用室外新風(fēng)的方式為機(jī)房降溫是可以實(shí)施的，并且將會(huì)帶來較好的經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益。關(guān)鍵詞：發(fā)展現(xiàn)狀；自然冷卻；可行性1數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀1.1數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)成為發(fā)展進(jìn)步的新方向，越來越多的企業(yè)也逐步承擔(dān)起節(jié)能環(huán)保的社會(huì)責(zé)任。節(jié)能環(huán)保是各行各業(yè)必須要達(dá)到的目標(biāo)。工業(yè)和信息化部門發(fā)布的我國(guó)工業(yè)節(jié)能在十二五”階段的

2、四大約束性指標(biāo)如下：?jiǎn)挝还I(yè)增加值能耗、二氧化碳排放量和用水量分別要比十一五”末降低18%、18%以上和30%,工業(yè)固體廢物綜合利用率要提高到72%左右。所以企業(yè)想要節(jié)能減排或者降低運(yùn)營(yíng)成本的重中之重就是數(shù)據(jù)中心要怎么節(jié)能降耗。當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴(kuò)大，其設(shè)備運(yùn)行的耗電量已經(jīng)成為不斷增加的重要成本。據(jù)調(diào)查，數(shù)據(jù)中心中空調(diào)、送風(fēng)系統(tǒng)等機(jī)房環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的耗電量占總用電量的45%以上；IT設(shè)備耗電量第二，基本占據(jù)了數(shù)據(jù)中心的30%的用電總量；UPS供電設(shè)備耗電量是18%，是第三位。而這三類數(shù)據(jù)中心的耗電大戶，耗電總量加一起就占據(jù)了數(shù)據(jù)中心總電能的93%,而數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備僅消耗了總用電量的三成

3、。因此，應(yīng)該把機(jī)房制冷或者送風(fēng)作為機(jī)房節(jié)能減排的主要方面，而輔助部分則是IT設(shè)備、UPS供電系統(tǒng)節(jié)能。1.2數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)應(yīng)用背景對(duì)于數(shù)據(jù)中心這類幾乎全年都需要向外排熱的特殊場(chǎng)所，全年運(yùn)行空調(diào)能耗很大，目前國(guó)內(nèi)存在以下幾種節(jié)能手段：（1）變頻技術(shù)；（2）機(jī)房空調(diào)機(jī)組自適應(yīng)控制技術(shù)；（3）自然冷卻技術(shù)；（4）合理設(shè)計(jì)及組織機(jī)房制冷的送回風(fēng)系統(tǒng)、防止跑冒滴漏等節(jié)能措施。采用正確、合理的綜合解決方案可以有效的減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，在節(jié)約空調(diào)用電的同時(shí)延長(zhǎng)空調(diào)的使用壽命，提高能源的利用率。保護(hù)環(huán)境，更大的減輕國(guó)家能源的供需壓力。眾所周知，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心節(jié)能最重要的指標(biāo)是PUE值（PowerUsageEf

4、fectiveness電能利用效率）其公式如下:PUE=機(jī)房總能耗/IT設(shè)備總能耗。目前，國(guó)外數(shù)據(jù)中心PUE值通常在1.21.8范圍內(nèi)，最先進(jìn)的已達(dá)1.06,而國(guó)內(nèi)機(jī)房PUE值多在2.0以上。而國(guó)外數(shù)據(jù)中心的PUE值之所非常低，和大量采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)有關(guān)，其中自然冷源冷卻技術(shù)是重要的節(jié)能措施。自然冷源冷卻技術(shù)是將室外的自然環(huán)境作為冷源，當(dāng)室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣溫度且達(dá)到一定程度時(shí)，通過通風(fēng)將機(jī)房?jī)?nèi)的熱量帶走，達(dá)到降低機(jī)房?jī)?nèi)部溫度的目的目前發(fā)展現(xiàn)狀的研究表明，利用自然冷源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能越來越引起了廣泛的關(guān)注，已有的研究成果仍然處在試驗(yàn)和探索階段。利用自然界天然冷源來降低數(shù)據(jù)中心溫度的方

5、式已經(jīng)受到高度重視。例如布萊恩特發(fā)著，它位于美國(guó)羅德島，就利用該地區(qū)出現(xiàn)的冰雪天氣來將數(shù)據(jù)中心的能耗降低，如果氣溫降低到寒冷的時(shí)候，該大學(xué)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)利用室外的冷空氣來降低冷卻劑溫度，而這種將室外天然冷源等免費(fèi)資源加以利用是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能的方式。該大學(xué)稱，這種方式制冷的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，所消耗的電能比之前降低了20%30%。因此提高制冷效率、降低制冷系統(tǒng)能耗，使用外部冷源等方式制冷將成為今后機(jī)房制冷的主流。2.數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的可行性2.1數(shù)據(jù)中心運(yùn)行環(huán)境要求隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)越來越多，其運(yùn)行環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在對(duì)溫度、濕度和潔凈度的控制，這些因素直接影響

6、IT設(shè)備的運(yùn)行可靠性和使用壽命。通常數(shù)據(jù)中心的環(huán)境溫度范圍是21C27C,濕度范圍40%60%,潔凈度的要求為空氣中的含塵小于50卩g/m3為保證數(shù)據(jù)中心環(huán)境的溫濕度和清潔度要求，需要合理的配備機(jī)房專用空調(diào)的設(shè)備，以保證機(jī)房設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。2.2數(shù)據(jù)中心應(yīng)用新風(fēng)降溫的可行性數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)IT設(shè)備的發(fā)熱量非常大，就需要精密空調(diào)產(chǎn)生冷氣為其降溫，精密空調(diào)的耗電量比較大，而在北方地區(qū)冬季室外卻有豐富的自然冷源一一冷空氣。一方面，空調(diào)壓縮機(jī)通過消耗能源制冷；另一方面，有效利用室外的自然冷源。如果能充分利用自然冷源給機(jī)房降溫，將有效的降低能耗，節(jié)約能源。由表1可以看出，蘭州地區(qū)2012年氣象資料。全

7、年約有6個(gè)月的時(shí)間月平均最高溫度低于15C。假如可以使用自然冷卻源來降低機(jī)房溫度，將會(huì)縮短空調(diào)壓縮機(jī)6個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間。這樣的話不僅可以達(dá)到降低電能耗損的目的，還能延長(zhǎng)空調(diào)壽命的，降低空調(diào)機(jī)的維修耗損，進(jìn)而大大減少了空調(diào)的維護(hù)成本。由此可見，可以利用室外冷源來冷卻蘭州數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度。2.3數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能自然冷卻方式應(yīng)用室外冷源進(jìn)行機(jī)房降溫，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上主要有直接引入新風(fēng)式節(jié)能系統(tǒng)和隔離式空氣換熱器系統(tǒng)。隔離式又包括熱管式換熱器和板式換熱器。三種不同新風(fēng)冷卻方式的性能比較（見表2）。直接引入新風(fēng)式節(jié)能系統(tǒng)是直接將室外新風(fēng)送入機(jī)房?jī)?nèi)，當(dāng)室外空氣溫度較低時(shí)，可以直接將室外低溫空氣送至室內(nèi)，通過冷空

8、氣為室內(nèi)降溫。當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度，不足以帶走室內(nèi)熱量時(shí)，則仍然需要開啟空調(diào)工作。蘭州地區(qū)的大氣污染比較嚴(yán)重，可吸入顆粒物PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)，當(dāng)送風(fēng)溫度低于機(jī)房空氣的露點(diǎn)溫度，需對(duì)室外空氣經(jīng)行加熱；冬季蘭州地區(qū)的空氣比較干燥，需對(duì)室外空氣進(jìn)行加濕；這將需要一定的設(shè)備投資，而加熱和加濕都要消耗電能，就會(huì)抵消因自然冷卻而得到的成本節(jié)約。因此，建議不選用直接引入新風(fēng)式節(jié)能系統(tǒng)。根據(jù)以上功能分析比較，扳式換熱器應(yīng)為首要考慮的設(shè)備。熱交換器在完全隔離內(nèi)部、外部空氣的前提下，利用外界冷源，對(duì)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行冷卻，達(dá)到減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。兩組風(fēng)機(jī)分別抽吸外部的冷空氣（外循環(huán)）和內(nèi)部的熱空氣（內(nèi)循環(huán)），冷、熱空氣在熱交換芯體中進(jìn)行熱量交換，通過熱交換芯體膜片，內(nèi)部熱空氣放出熱量，溫度降低。由于機(jī)房保持密閉，還能保證室內(nèi)空氣潔凈度不下降