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数据中心制冷技术的应用与发展

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-07-15 0:55:42 * 浏览: 3
数据中心是一套复杂的设施。它不仅包括计算机系统和其他支持设备(例如通信和存储系统),还包括各种基础结构系统,例如配电系统,制冷系统,防火系统和监视系统。其中,冷却系统是数据中心中的大型功耗设备,约占整个数据中心能耗的30%至45%。降低制冷系统的能耗是提高数据中心能源效率的最直接,最有效的措施。随着数据中心需求的变化和能效要求的提高,制冷系统也在不断发展。下面简要回顾和分析制冷技术在数据中心发展各个阶段的应用,并展望数据中心的未来发展方向。 1.前言随着以云计算为核心的第四次信息技术革命的迅速发展,信息资源与能源和材料一起已成为人类三大要素之一。作为数据资源分发中心,数据中心正在发展成为具有战略意义的新兴产业,已成为新一代信息产业的重要组成部分,并成为未来3-5年全球竞争的重点。数据中心不仅是在云计算时代抓住话语权的保证,而且是确保信息安全的可控性和可管理性的关键。数据中心的发展政策和布局已经上升到国家战略水平。数据中心是一套复杂的设施。它不仅包括计算机系统和其他支持设备(例如通信和存储系统),还包括各种基础结构系统,例如配电系统,制冷系统,防火系统和监视系统。其中,冷却系统是数据中心中的大型功耗设备,约占整个数据中心能耗的30%至45%。降低制冷系统的能耗是提高数据中心能源效率的最直接,最有效的措施。随着数据中心需求的变化和能效要求的提高,制冷系统也在不断发展。下面简要回顾和分析制冷技术在数据中心发展各个阶段的应用,并展望数据中心的未来发展方向。 2,风冷直接膨胀系统及主要供气方式1994年4月,NCFC(中关村教育科研示范网)率先与美国NSFNET直接对接,实现了中国与中国之间的全功能网络连接和互联网,标志着中国最早的国际互联网的诞生。从1998年到2004年,中国的互联网产业全面启动和发展。此时,数据中心处于起步阶段,通常称为计算机房或计算机中心,并且大多数部署在需要信息交互的企业中,例如电信和银行。当时,计算机房的业务量不大,机架数量不多,规模很小。 IT设备的形式多种多样。单柜功耗一般为1〜2kw。受当时技术的限制,IT设备对操作环境的温度,湿度和清洁度有很高的要求。温度精度达到±1°C,相对湿度精度达到±5%,清洁度达到100,000。从当时的经济技术水平来看,机房大多使用风冷直接膨胀式精密空调来维护IT设备的工作环境,保证IT设备的正常运行。风冷直接膨胀式精密空调器主要包括压缩机,蒸发器,膨胀阀和冷凝器,以及鼓风机,加湿器和控制系统。制冷剂一般为氟利昂,单机制冷量为10-120KW。其原理如图1所示。每套空调都相对独立地进行控制和操作。它属于一个分散系统。容易形成冗余,可靠性高,安装维护简单。在此期间,它是数据中心中使用的大量空调解决方案。缺点是设备的能效较低,COP(CoefficientOfPerformance)值小于3.0,室内外单元受管道距离的限制。图1气冷式直接膨胀式精密空调的示意图气冷式直接膨胀式精密空调的室内机通常部署在机房的一侧或两侧。机房中的气流组织通常有两种类型:送风管道上的送风方案和高架地板下送风方案。空气管道上的空气供应方法是指将空气管道铺设在机房上方,通过在空气管道下方打开的空气供应百叶窗将冷空​​气送出,然后将负压返回到空调机中。 IT设备变热。这种方法的优点是安装速度快和建造成本低。缺点是,它受到各种电缆的布置和建筑层的高度的限制,并且不能使空气供应管的横截面变大,从而导致过高的风速和空气供应量的灵活调节。这种类型的空气供应通常用于低热量密度的计算机室。图2空气导管上的空气供应情况the地板下的空气供应是另一种,即使现在,它也是一种仍在许多数据中心项目中仍在使用和新建的空气分配方法。这样,高架地板下面的空间被用作供气静压箱,从而降低了供气系统的动压,增加了静压并稳定了气流。空调机将冷空气从地板下面穿过供气地板,使其穿过孔,然后被IT设备前端的进气口吸入。该方法的优点在于,可以通过供气地板的通孔率来调节机房中每个点的供气量。同时,通过合理布置数据中心机房电缆和管道,可以将其少量铺设在地板下,以确保美观。缺点是,随着使用需求的增长和调整,铺设在地板下的电缆不断增加,导致空气供应不良甚至形成火灾隐患。图3地板供气案例3.水冷却系统2005 2005年至2009年间,互联网行业快速发展,对数据服务的需求猛增,原始的小型,低功率密度数据中心必须承载更多的IT设备。此时,单个机柜的功率密度增加到3〜5kw,数据中心的规模逐渐变大,出现了数百到数千个机柜的中型数据中心。随着规模的扩大,数据中心的能耗急剧增加,节能问题开始受到关注。传统的风冷直接膨胀系统的能源效率低于COP(CoefficientOfPerformance)。在北京,COP约为2.5〜3.0。空调设备的功耗惊人。它占数据中心总体功耗的很大一部分。而且,随着安装需求的扩大,原建在数据中心大楼中的风冷冷凝器的安装位置严重不足,噪声干扰问题突出,限制了数据中心的扩展。此时,广泛用于办公楼的冷冻水系统开始逐渐应用于数据中心制冷系统。由于冷水机组的COP可达到3.0〜6.0,因此大型离心式冷水机组甚至更高。使用冷冻水系统可以大大减少数据。中心运营能耗。冷冻水系统主要由冷冻机,冷却塔,冷冻水泵,冷却水泵和冷冻水式专用空调终端组成。系统采用集中式冷却源,冷水机组具有较高的冷却效率高,冷却塔放置在灵活的位置,可以有效地控制噪音,使建筑物的外墙美观。达到一定规模后,与直接蒸发系统相比,它的建设和维护成本更高。经济优势。图4水冷却系统冷水系统最常用的空调是冷水型精密空调。它的单制冷量可以达到150kw以上。空气供应方法与以前的空气冷却直接膨胀系统没有太大不同,只是最后的冷却介质已改变。空调设备仍然远离IT热源,并且主要依靠空调风扇来输送空气以维持气流的组织。 4.自2010年至今的水边自然冷却和新型空调终端,随着数据中心制冷技术的发展以及人们对数据中心能耗的进一步关注和追求,自然冷却的概念逐渐应用于数据中心。在冬天冬天室外温度较低的中国北方,使用水侧自然冷却系统,冬天无需打开机械制冷装置。冷却源是通过冷却塔和板式热交换器免费获得的,以减少数据中心的能耗。水侧自然冷却系统基于原始的冷却水系统,增加了一组板式热交换器和相关的切换阀组。在高温天气下,冷却器仍用于机械制冷。在低温季节,由冷却塔准备的低温冷却水与高温冷却水进行热交换。在过渡季节,将低温冷水和高温冷水在进入冷水机之前进行预冷,也可以达到减少冷水机负荷和运行时间的目的。图5水冷却系统自然冷却系统的原理传统数据中心的冷冻水温度通常为7/12℃。以北京为例,一年中有39%可以使用自然冷却。如果将冷水提高到10/15℃,则每年的自然冷却时间将延长到46%。同时,由于蒸发温度的升高,冷却器COP可以提高10%。另一方面,随着服务器容忍温度的升高,冷冻水温度可以进一步提高,并且全年的自然冷却时间将进一步延长。目前,国内技术领先的数据中心已将冷冻水的温度提高到15/21°C,全年的自然冷却时间可以达到70%甚至更长。尽管水侧自然冷却系统比较复杂,但应用于大型数据中心项目的节能效果显着。水边自然冷却系统日趋成熟,已成为我国数据中心项目设计中最受认可的空调系统解决方案。我国目前的PUE能源效率管理数据中心也基于水侧自然冷却系统,并且PUE全年已达到1.32。在冷源侧系统不断发展和发展的同时,新型空调终端形式也正在涌现。机房中传统精密空调单元的结构是相对固定的。设备厚度一般为600mm,宽度约为2500mm,风量约为27000m3 / h,机组内部风速达到7m / s,空气阻力很大,风扇压力大失利。在装置内部,浪费了大量能量。一般装有450Pa风扇的全压空调,外部剩余压力仅为200Pa左右。图6所示的AHU风扇矩阵是一种新型的空调终端。在运行过程中,AHU设备的回风口被吸入机房的热回风中,并依次通过设备的内部过滤器,表面冷却器和其他功能部件。冷空气通过位于AHU前面的风扇矩阵水平输送到机房,冷空气被输送到机房。机房的旧区域,即机柜的前部。冷却IT设备后,温度释放到机柜后部的高温区域,即封闭的热通道。回风顶板返回到空调的回风口,并重复该循环。这种新型的空调终端改变了机房的布局和传统精密空调单元的内部结构,大大增加了通风面积。截面风速可控制在3米/秒以下,从而减少了空气在设备内部改变方向的次数,并大大减小了由于紧凑的组件布置而带来的阻力。最终能耗降低了约30%。图6AHU风扇矩阵设备行级空调系统(Inrow)和顶置冷却单元(OCU)是一种将空调终端的部署位置从机房的两侧从负载中心移到负载中心的方法。 IT机柜排或机柜顶部附近的空调终端侧优化导致所谓的集中式冷却方法靠近负载中心。行级空调系统由风扇,表面冷却盘管,水路调节装置,温度和湿度传感器等组成。该设备布置在IT机柜的行之间。行级空调通过内部风扇将封闭通道的热空气发送到地面冷却盘管,以实现冷却和冷却。 IT设备根据自身需要引入低温冷通道空气,并通过服务器风扇将其排放到封闭的热通道中,以达到水平方向。空气流通。行级空调系统(Inrow)更靠近负载中心,缩短了将冷空气输送到负载中心所需的距离。设备维持制冷循环所需的能量消耗将低于传统方法。顶置冷却装置与行式空调系统的制冷循环非常相似,但是顶置冷却装置仅由工作台冷却盘管,水路调节装置,温度和湿度传感器等组成。不再装有风扇,并且桌子冷却盘管安装在机柜顶部。 IT机柜的风扇将排出的热空气收集到封闭的热通道中。热空气通过热压力的作用自然上升。通过机柜顶部顶部冷却装置上的台式冷却盘管冷却后,热压开始下降,然后IT机柜风扇吸入IT设备进行冷却并实现垂直空气流通。顶置式冷却单元(OCU)没有风扇,并且热压效应保持了空气的自然循环,从而将空调终端设备的能耗降低到了0。大规模应用行级华北地区空调系统(内排)和顶置冷却装置(OCU)的冷却技术