江億：數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能

來源：機(jī)房3602013-02-24

       各位來賓、各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)早上好!我好象是第一次參加綠色數(shù)據(jù)中心的技術(shù)大會(huì)，因?yàn)樵蹅儾皇歉阌?jì)算機(jī)這行的，是搞空調(diào)，搞建筑節(jié)能的，但是好象也慢慢把我們推到這個(gè)行業(yè)了。為什么?是因?yàn)榭照{(diào)的能耗或者說派熱降溫的能耗在數(shù)據(jù)中心里占了比較大的比例。所以，剛才我聽前面這位領(lǐng)導(dǎo)講數(shù)據(jù)中心都快到了運(yùn)行這個(gè)程度了，運(yùn)行主要是能源消耗，能源消耗里就40%或者更多是空調(diào)的能耗。所以，怎么能夠降低空調(diào)的能耗，一方面給國家的節(jié)能減排作貢獻(xiàn)，一方面也使我們數(shù)據(jù)行業(yè)產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益，就變成重要的問題了，所以我今天跟大家匯報(bào)一下我們?cè)谶@方面的想法跟體會(huì)。

　　從空調(diào)的特點(diǎn)來看，現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展，芯片技術(shù)都比原來高，主機(jī)的發(fā)熱度越來越大，這樣導(dǎo)致空調(diào)排熱成為這里面大的部分。后面有一些細(xì)的發(fā)展?fàn)顩r不說了，就直接看到空調(diào)里頭?，F(xiàn)在統(tǒng)計(jì)大致的結(jié)果，對(duì)于中小型的數(shù)據(jù)中心大概PUE值都在2，或者以上，這是空調(diào)占了一半或者還多的一個(gè)能源消耗。對(duì)大型的IDC機(jī)房管理做的比較好的，這時(shí)候空調(diào)效率相對(duì)比較高，但是也能占到40%左右的能耗。

　　所以，降低數(shù)據(jù)中心的能耗可能一個(gè)是提高服務(wù)器的使用效率，沒活兒的讓它歇著，一方面減少了空氣的運(yùn)行能耗，當(dāng)然，電源也有可以提高的技術(shù)?？照{(diào)應(yīng)該有很大的潛力，空調(diào)里面的能耗由什么構(gòu)成?以前一想說制冷機(jī)，壓縮機(jī)耗電多，實(shí)際上壓縮機(jī)耗電在50%-60%左右，除了壓縮機(jī)之外，風(fēng)機(jī)也能占在40%或者更多的空調(diào)耗能。 本文來自暖通空調(diào)在線網(wǎng)站

　　現(xiàn)在的情況什么樣?大概有這么幾塊：第一、因?yàn)槿曛评?，所以絕大部分的數(shù)據(jù)中心制冷機(jī)都開了，這是一年來總的空調(diào)的考點(diǎn)狀況，可以看出冬天、夏天區(qū)別很少，北京、上海、廣州冷的地方，熱的地方區(qū)別很少，應(yīng)該說冬天天涼了，北京空調(diào)越來越大幅度下來，這個(gè)變化也不大，所以全年度在這兒用。然后，有關(guān)發(fā)熱密度非常大，負(fù)責(zé)把這些熱量排走，所以循環(huán)風(fēng)特別大。并且風(fēng)吹的還厲害，不行把風(fēng)量減少，降低送風(fēng)溫度，但是當(dāng)冷源溫度低于屋子里溫度的時(shí)候，蒸發(fā)器就凝水，恨不得天天都出濕，出了濕又怕屋子里太干，所以又有了一些加濕器，這邊除濕，那邊又得加濕，又得用電，冬天大冷的天還得制冷，這構(gòu)成了現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心，無論是大的，還是小的空調(diào)能源消耗高的主要問題。

　　有這樣問題是壞事兒，反過來又是好事兒。說明咱們?cè)谶@兒的潛力特別大，有很大的潛力可以把空調(diào)能源消耗降下來。那么，走哪條道?怎么做?一聽說這個(gè)空調(diào)跟你們建筑節(jié)能是一碼事，建筑節(jié)能都抓圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，咱們整這個(gè)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，效果非常小，或者無效果，為什么?因?yàn)橐粋€(gè)IDC密一點(diǎn)的機(jī)房一平米大概產(chǎn)熱量3-5千萬，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入或者出去的熱量不會(huì)超過折合在占地面積上不會(huì)超過50瓦，所以，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響很小，就是1%，2%的影響。當(dāng)然，通過一些技術(shù)，避免外墻直接太陽輻射，比來我這兒熱，再拿太陽照我，盡可能的密閉，別讓風(fēng)進(jìn)來，這是很重要的。可能有些專家說，風(fēng)滲進(jìn)來，有什么不好，如果房子做的不密閉，就是不可控制的室外滲風(fēng)，是涼快了，但是濕度下降了，夏天熱容器不好，而且由于室外的濕度變化大，我數(shù)據(jù)中心里面希望濕度維持基本穩(wěn)定不變，給我添加濕、除濕的麻煩事兒。因此，通過各方面應(yīng)該把房子做密閉了，對(duì)目前來說不是保溫的事兒，而且密閉的事兒，密閉最重要。

　　那么，怎么把熱量排出去，馬上前幾年一些企業(yè)想辦法說既然冬天不開制冷機(jī)，而且外邊涼，最簡(jiǎn)單的通風(fēng)換氣吧，是通過涼風(fēng)進(jìn)來，把熱量排走，這是有點(diǎn)節(jié)能，但是恐怕數(shù)據(jù)中心這么做不太合適，為什么?室外的灰塵贓，機(jī)器得干凈，濕度室外是變化的，夏天北京的一立方米空氣有2克的水汽，另外中國是燒煤的國家，70%的化石能源都來自于煤，燃煤就出硫，硫化物到室內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致表面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，所以這是不行，您的冷卻系統(tǒng)是為主機(jī)服務(wù)的，要是有損于主機(jī)，無論是灰塵還是硫化物，還有濕度都會(huì)影響主機(jī)的壽命，這是絕對(duì)不能有的。因此，說就想法通過過濾消除灰塵，想法加濕、除濕改變濕度，想法脫硫，當(dāng)把這些東西都架上，就發(fā)現(xiàn)投入的成本和能源消耗就不低了，而且維護(hù)管理的工作量立刻上去了，那么這么大的數(shù)據(jù)中心要求高可靠性運(yùn)行，于是這事兒有點(diǎn)別扭了。

　　還有通過熱交換把涼氣取回來，這個(gè)思路是挺好，對(duì)于一些小規(guī)模的計(jì)算中心，像一個(gè)大樓里的數(shù)據(jù)中心有時(shí)候還可以，但是對(duì)于大規(guī)模的機(jī)房是無法實(shí)現(xiàn)的，是因?yàn)橹苯幼唢L(fēng)道這么大發(fā)熱量得有多大的風(fēng)量直接室外來回?fù)Q氣，風(fēng)道的體積在那兒擺著不合適，然后維護(hù)工作量非常大，尤其還是贓。所以，室外的低溫必須想法用上，是通過室外的新風(fēng)，怎么通過某種能量涼下來，最后把機(jī)器里面的熱量帶走。 EHVACR在線

　　所以，整個(gè)的數(shù)據(jù)中心的空調(diào)跟咱們樓里的空調(diào)概念不一樣，它的核心事兒就是怎么把芯片那兒出來的熱量通過某種介質(zhì)傳熱，傳完之后，幾次交換，最后導(dǎo)到室外去就這么一個(gè)任務(wù)。所以，這時(shí)候根本目標(biāo)就是讓芯片的溫度不要超過標(biāo)準(zhǔn)溫度，然后把這個(gè)溫度排出來。這樣芯片表面溫度和冷源溫度的差跟熱阻成正比，就是怎么把這個(gè)等效熱阻降低了核心的事兒就變成了這么一個(gè)問題。溫差小就是如果我芯片溫度不許超過40度，如果我的溫差是20度，只要室外溫度低于20度，我就不用開冷空氣就可以把熱量排走，所以就要減少等效熱阻。那么，這個(gè)等效熱阻由什么構(gòu)成?發(fā)現(xiàn)就像咱們的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，三個(gè)電阻，三個(gè)等效熱阻，哪三個(gè)過程?一個(gè)就是芯片跟空氣之間的換熱環(huán)節(jié)，這個(gè)差越大，溫差就越大，比如我可以取平均溫度，等效熱阻就是這塊面積除以熱量，第一個(gè)環(huán)節(jié)就是容器跟芯片表面換熱的環(huán)節(jié)。第二個(gè)環(huán)節(jié)，比如說我有一個(gè)精密空調(diào)跟水，或者室外的冷水換熱，這冷水跟容器之間的換熱環(huán)節(jié)，我們叫輸送與換熱熱阻。第三個(gè)環(huán)節(jié)，循環(huán)介質(zhì)與冷源之間換氣，叫做冷源換熱熱阻。比如說室內(nèi)溫度到20度，實(shí)際只欠10度的溫差，這時(shí)候冷空機(jī)提供的活兒就是這10度的溫差。所以，把熱阻減少了，無論是用自然冷源還是開冷風(fēng)機(jī)都可以降低功耗。因此，核心的問題就是把這三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻降下來。所以，就三個(gè)關(guān)鍵，第一、降低熱量采集過程的熱阻，同時(shí)不增加風(fēng)機(jī)電耗。第二、降低熱量傳輸過程中的熱阻，同時(shí)不增加傳輸電耗。第三、找到溫度更低的自然冷源，但是別破壞環(huán)境。

　　下面逐條看，采集過程中的熱阻，實(shí)際的采集熱阻，除了空氣跟芯片換熱之外，還有相當(dāng)大的消耗是機(jī)房里面冷風(fēng)跟熱風(fēng)的互相攙混，制冷機(jī)就是把冷風(fēng)熱的溫度分開，分出冷熱風(fēng)，這個(gè)屋子里面又沒地兒跑，又?jǐn)v混起來了，所以避免冷風(fēng)熱機(jī)的攙混。比如說要是給定芯片溫度，當(dāng)攙混小的時(shí)候，回風(fēng)溫度可以更緊的接近芯片，如果我恒定芯片溫度回風(fēng)少的時(shí)候，這樣就可以更大程度的利用這個(gè)資源。有一些實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，是在大的IC機(jī)房里實(shí)測(cè)的，大家可以看出來，比如冷通道進(jìn)來，從機(jī)房送出來應(yīng)該這兒是16點(diǎn)幾度，到這兒怎么就能30多度呢?它這兒上面還有一塊擋，這30多度是哪兒來的?就是因?yàn)椴糠值倪^了服務(wù)器之后，服務(wù)器里面有空檔，空檔的熱風(fēng)又滲回來了，熱風(fēng)跟這些東西攙混到這些地兒，能到35度。為了保證上面服務(wù)器的這些效果，于是就得降低送風(fēng)溫度，為了保證上面差不多，結(jié)果把這個(gè)溫差就拉大了，導(dǎo)致整個(gè)的冷交熱的增加。所以，這兒看著排風(fēng)有40度的，這些排風(fēng)35、36度，總的到空調(diào)下一看，派風(fēng)溫度才28度，怎么降下來了?就是涼風(fēng)過去跟熱風(fēng)攙和起來了，這樣芯片大概在45度以上。如果避免了這些混合之后，就可以把回風(fēng)溫度很容易提高到35度，輸送溫度也可以提高到20度，保持芯片溫度最高的溫度不變，于是這溫差小多了，采集的等效熱阻下來了。當(dāng)然，具體計(jì)算可以拿出溫度差仔細(xì)算出來知道什么毛病，總的指導(dǎo)思想是這樣的。所以，在機(jī)柜頂部架一些擋板，這樣能夠有點(diǎn)改善。但是由于金桂內(nèi)刀片式服務(wù)器之間不可避免存在氣流短路現(xiàn)象，因此，仍存在短路現(xiàn)象，使冷氣流通道內(nèi)有旁通過來的熱氣流，熱氣流通道內(nèi)也會(huì)有旁通過來的冷氣流。

　　還有就是直接把換熱器安裝在機(jī)柜內(nèi)，在機(jī)柜內(nèi)或者機(jī)柜旁制備冷空氣，可以有效減少摻混這樣現(xiàn)象，降低熱量采集過程溫差，可以減少風(fēng)量、豐足，大幅降低風(fēng)機(jī)電耗。所以，這是很重要一條，但是不能讓柜子出水。

　　這樣有一種做法，就是采用背板冷卻，將空調(diào)系統(tǒng)熱換器安裝在裝載IT設(shè)備的機(jī)柜上，根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)各個(gè)不同的機(jī)柜實(shí)現(xiàn)按需供冷，避免局部熱。分布式制冷系統(tǒng)使空調(diào)系統(tǒng)的吸熱端更接近熱源。這是第一個(gè)減少采熱采集過程中的熱阻。

    第二減少輸配過程中的熱阻，實(shí)際這個(gè)環(huán)節(jié)比如一條空調(diào)器，是空氣跟水的換熱，那么空氣溫度是這樣的，水溫度是這樣的，就會(huì)看到有時(shí)候往往都不是平衡的，是帶三角形性質(zhì)的，只要帶三角形性質(zhì)，就浪費(fèi)一部分溫差。所以，想法調(diào)整兩邊的流量，使得兩邊的溫差接近，可以有效的降低數(shù)配系統(tǒng)的等效熱阻，或者減少等效溫差。有時(shí)候說是由于我用背板，或者機(jī)柜里的換熱器那里面不是走水，無論是走二氧化碳，還是走氟利昂，這是機(jī)柜內(nèi)送派風(fēng)溫度，這是熱管溫度，這是室外側(cè)進(jìn)出口溫度，是這么一個(gè)過程，(如圖所示)，還有一種換熱器，每排的熱管單獨(dú)連接，這時(shí)候室內(nèi)室外的溫度就變小多了，盡管換熱面積一樣，它就強(qiáng)多了。當(dāng)然，這樣會(huì)導(dǎo)致熱管布置起來要復(fù)雜，但是在二者之間，總有一個(gè)好的權(quán)衡去減少輸送過程的熱阻或者說降低它的溫差。

　　第三條就是到底我們用什么樣的室外的自然冷源和怎么把這自然冷源跟我的機(jī)械制冷有機(jī)的統(tǒng)一結(jié)合起來?因?yàn)橛袝r(shí)候天熱還得開冷機(jī)，這二者之間能不能實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較自然的轉(zhuǎn)換?我們現(xiàn)在看看到底把這個(gè)熱量往哪兒排，實(shí)際在空氣里面并不是一個(gè)空氣的問題，咱們有三種溫度，一種就是空氣的干球溫度，像今天大概室外27、28度，是天氣預(yù)報(bào)說的溫度。直接換熱就是干球溫度。但是，如果我對(duì)外面拿冷卻塔噴水，就是濕球溫度，大概23、24度。比如到五一濕球溫度比干球溫度低的多，所以通過冷卻塔就可以降低濕球溫度，還可不可以再降低，還有一種就是間接蒸發(fā)冷卻，西部地區(qū)很多地方用它做空調(diào)，它可以把試問降到室外的露點(diǎn)溫度，像現(xiàn)在這個(gè)時(shí)候，北京的露點(diǎn)溫度低于20度了。

　　這是拿北京氣侯為例，藍(lán)的是全球的干球溫度，紅的是濕球溫度，綠的是全年的露點(diǎn)溫度的變化。所以，我要是安全露點(diǎn)溫度考慮問題，全年北京市5876小時(shí)低于20度的時(shí)間占全年的67%，如果熱阻做好了，就只有10%幾的時(shí)間，做不好，15度的時(shí)候，露點(diǎn)溫度也能占到77%的時(shí)間。所以這個(gè)比例還是挺大的。

　　那么，怎么跟制冷機(jī)統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)無縫連接，自然過渡呢?這是一個(gè)方案，包括幾部分，先說柜子，剛才我講背板式的換熱，現(xiàn)在是上下的換熱，屋子里的空氣26度，從這兒進(jìn)入機(jī)柜，兩組換熱器，一組一個(gè)管給19度，一個(gè)管給16度，經(jīng)過兩種換熱，從26度到20度，經(jīng)過發(fā)熱的服務(wù)器，達(dá)到32度，然后經(jīng)過兩組換熱器降溫，又變成26度，再回來，維持屋子里的溫度是26度，不是靠屋子里別地兒裝的孔，而是靠這個(gè)機(jī)柜，屋子里的溫度是由機(jī)柜決定的，由于屋子里的溫度是16度，露點(diǎn)溫度只有12、13度，我把物資弄密閉了，人也不怎么進(jìn)去，里面沒有濕的事兒。然后，這四組換散熱器，拿熱管引出來，這四組是16、19、22、25度，然后這個(gè)水就是跟這熱管換熱，把熱量都帶到水里去，所以從15恩度，漲到24度。然后，24度，如果室外是兩管，冷空氣不用開，直接經(jīng)過間接冷卻塔就能夠把水溫降大15度，如果溫度再低，只要朝這風(fēng)機(jī)跟這兒的轉(zhuǎn)換裝置，能夠維持我進(jìn)入到換熱器全年只有15度。當(dāng)室外溫度高到30度，露點(diǎn)溫度到18度，這時(shí)候冷卻塔還能起一點(diǎn)作用，能起1/3的冷量還從這兒出，不足了再拿冷風(fēng)機(jī)降一部分。所以，這個(gè)冷風(fēng)機(jī)是連續(xù)的就能夠使得冷風(fēng)氣從10%的復(fù)合逐漸加到5%的復(fù)合。冷卻塔只要露點(diǎn)溫度在20度以下，總能起點(diǎn)作用。 轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處(暖通空調(diào)在線)

　　這樣一個(gè)系統(tǒng)，這兒計(jì)算了一下，拿北京的氣象條件可以看出來，如果是這么一個(gè)機(jī)房，跟一般傳統(tǒng)的機(jī)房來比，咱們就直接取它一年用電量是百分之百，那么即使沒有自然冷源，就是拿制冷機(jī)做，但是因?yàn)槲覝p少了摻混，減少了數(shù)配能耗，能夠節(jié)能40%幾。如果用最好的間接冷卻方式，用電量只有23%，能夠節(jié)省70%的電量，所以有巨大的節(jié)能潛力。

　　按照這個(gè)思路，我們有一些機(jī)房的改造實(shí)例，這是清華大學(xué)圖書館的一個(gè)全校支持整個(gè)學(xué)老師、同學(xué)做研究的數(shù)據(jù)中心。它原來就是在這個(gè)屋子里頭擺了一堆空調(diào)器，機(jī)器多了，熱量還大，所以追加了好幾臺(tái)空調(diào)器。用了跟剛才這個(gè)圖差不多的方式，結(jié)果總機(jī)柜里面的風(fēng)機(jī)降到7千瓦，這時(shí)候能效比從2.7漲到8.2，就只用原來1/3的能耗。最熱的時(shí)候，冷機(jī)都得開了，即使如此，能耗還能差一半。所以，全年下來總的能耗消耗能夠降低60%左右，這就是一個(gè)實(shí)際案例，這個(gè)還有一些遺憾的地方，就是做得不徹底，做得徹底了，還能夠進(jìn)一步降低消耗量。

　　總結(jié)一下，就是數(shù)據(jù)中心排熱的空調(diào)實(shí)際上有巨大的節(jié)能潛力和節(jié)能空間。它的核心是機(jī)房的氣流組織怎么采集熱量合理的空調(diào)器，其中幾個(gè)基本原則，一個(gè)就是盡可能避免不同的溫度的氣流摻混，我們現(xiàn)在對(duì)機(jī)柜進(jìn)行空調(diào)制冷的目的，不是對(duì)機(jī)房進(jìn)行空調(diào)制冷，所以盡可能把冷源越貼近發(fā)熱體越好，充分的利用自然冷源，有各種不同的法子獲得不同溫度的，然后想法介紹能耗，這樣給出去的這些思路，今天講的某一兩個(gè)做法，實(shí)際在這個(gè)思路下發(fā)揮創(chuàng)新的精神還可以創(chuàng)造出好些各種各樣的方案，真正把數(shù)據(jù)中心排熱的空調(diào)能耗降下來。我們覺得完全按照目前大多數(shù)方式來比較，有可能把機(jī)房的空調(diào)節(jié)能達(dá)到70%以上，相當(dāng)以機(jī)房用電量降低30%以上。剛才我聽領(lǐng)導(dǎo)講，國外發(fā)達(dá)國家比，機(jī)房的PUE到1.2，1.3那跟它機(jī)房的位置有關(guān)系。在不同的氣侯條件下，實(shí)際上抓好這幾條，以自然冷源為主，適當(dāng)?shù)募右稽c(diǎn)機(jī)械制冷的補(bǔ)充，解決一年里面20%，25%的節(jié)能，完全可以把我們國家不同地方數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗都有效的降下來，應(yīng)該做的比發(fā)達(dá)國家，比美國還好，謝謝大家。

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