在當前企業的數據中心，大約40%的總能耗是用于其IT相關設備冷卻的。因此，冷卻成本可以說是大型數據中心總電費的主要貢獻因素之一。在本文中，將與廣大讀者朋友們共同研究影響數據中心冷卻能耗的兩大關鍵性的因素，即數據中心內部的氣流管理及其選址。文章中，介紹了一種具有垂直冷卻氣流的獨特機架布局，同時還將與您一起分析兩種冷卻系統，計算機房空調(CRAC)冷卻系統和空氣側節能器(ASE)。基于這兩種不同的冷卻系統，作者在全球范圍內選擇了位于四處不同城市選址地理位置的數據中心進行了對比。文中還采用了包括諸如電力使用效率(PUE)、制冷系數(COP，Coefficient Of Performance)和冷卻器采用運行小時數在內的許多種能效指標來對數據中心的冷卻進行了深入的探索。通過分析冷卻器采用運行時長和節能器的采用運行時長的比較，得出兩種不同的冷卻系統所提供的冷卻功率成果。結果表明，在不同的氣候因素、能源價格和冷卻技術條件下，冷卻效率和運行成本差異很大。而有鑒于氣候條件是影響空氣側節能器的主要因素，因此在寒冷氣候下使用空氣側節能器可以大大降低數據中心的能耗和運行成本。
全球范圍內，數據中心業界的能耗急劇增加，目前約占到全球總耗電量的1.3%。同時，在過去幾十年中，數據中心行業通過在數據中心基礎設施管理(DCIM)中采用更有效的技術和實踐方案也取得了相當顯著的進展。2016年，全球數據中心行業市場已經達到1520億美元，同時整個市場將繼續保持約5%的年增長。當前有一種趨勢是建設容量超過40兆瓦的大型數據中心。能源效率顯然是數據中心的一個重要問題，可以大限度地減少對環境的影響，降低能耗成本，并優化數據中心的運營績效。
現代數據中心有一個大的操作環境空間，內有許多排機架，里面裝滿了大量的服務器和其他用于處理、存儲和傳輸數字信息的IT設備。這些成千上萬的服務器和其他IT設備將會產生大量的散熱。為了保持數據中心內服務器和其他IT設備的可靠運行，保持適當的操作環境溫度和濕度條件非常重要。下圖1顯示了針對10處數據中心進行隨機調查的結果。圖中顯示了具有代表性的功耗分布和變化情況，并展示了冷卻數據中心IT設備所消耗的總能量的30%到55%之間的差異。平均而言，冷卻和通風系統的能耗占到數據中心總能耗的約40%。因此，在構建數據中心之前，企業必須慎重考慮如何降低功耗，電力成本，提高冷卻效率，并大化可用性。
圖1：數據中心功耗分布和變化。
通過垂直氣流實現數據中心的通風和氣流管理
現代數據中心有一個大的操作環境空間，內有許多排機架，里面裝滿了大量的服務器和其他用于處理、存儲和傳輸數字信息的IT設備。通常，服務器和其他IT設備被安置在機架中。在具有熱通道/冷通道的傳統數據中心中，由冷卻系統產生的冷空氣通過室內地板下方的增壓室供應。在機架的兩側，在地板上安裝了穿孔的氣流板，以便讓冷空氣進入。理想情況下，冷空氣將從穿孔的氣流板向上流動，從服務器的一側進入服務器之間的微小空間，然后從另一側流出。因此，來自一側的冷空氣形成冷通道，另一側形成一個暖通道，以便將冷熱通道彼此隔離，并消除了從一排機架排出的熱空氣進入另一排機架的入口。該方法奏效的原因就在于冷空氣在服務器之間流動時會被加熱。但這種布置有幾個缺點，主要是因為不能很好地控制氣流。特別是，冷空氣和暖空氣將在機架的上側混合，因為冷空氣比在服務器之間流動更容易向上流動，這會使得冷卻效率降低。由于水平流過服務器并且空氣流過穿孔板的布置，帶來了更高的壓降，這導致了很大的空氣流動阻力，并限制了冷卻空氣和服務器之間的熱傳遞。因此，會使得冷卻系統的能量消耗更高。
為解決上述這些問題，數據中心業界轉向采用在機架內垂直安置服務器的方案，如圖2(左)所示。而再不是采用傳統的水平放置服務器的方案，這使得服務器之間的空間很小，所有服務器都垂直放置，服務器之間的空間優化被限制到小于30毫米。該限制考慮了數據中心空間利用率以及用于傳熱的冷卻空氣通道。這種服務器機架可以放置在封閉的機柜中或開放空間中。通過垂直氣流管理很好地利用自然對流。服務器機架也可以分為兩個部分，以避免機架底部服務器和機架頂部服務器之間的溫差很大。如圖2(右)所示，冷卻空氣不是通過機架之間的通道供氣，而是直接從機架底部供應冷卻空氣。因此避免了冷和熱流混合。不再需要穿孔地板瓷磚，這導致了冷卻空氣流動的阻力降低，風扇功耗降低。由于空氣密度差異導致的自然重力，通過向上流動的冷卻空氣和增加通風來增強熱傳遞。為了實現分布式冷卻控制，提供了多個空氣供應管并將其放置在數據中心的地板下方，包括每個管道中的入口可調節開口。
圖2：數據中心垂直服務器機架布局，可調節入口。(左)具有垂直放置服務器的數據中心機架布局。(右)數據中心垂直服務器機架布局中的氣流圖示。
通風系統由主風扇和多個子風扇組成，具體取決于數據中心操作空間的規模大小，以便為多處安裝了機架區域提供冷卻空氣。通過子風扇和開放調節可以實現對于空氣流動模式的很好地控制。確定風扇速度和供應冷卻空氣的入口以最小化用于通風的實際總功率，同時滿足服務器溫度和無熱點需求。冷卻空氣可以是來自室外的新鮮空氣，也可以來自外部的冷卻站或CRAC單元，帶有獨立的控制系統或集成到數據中心基礎設施管理的控制系統。
數據中心選址的影響
01、CRAC和空氣側節能器案例研究方案
典型的數據中心冷卻解決方案是通過使用具有空氣處理單元(AHU)、冷卻器和冷卻塔等設備的計算機房空調(CRAC)完成的，這些設備通過地板下方的壓力通風系統向每臺機架供應冷空氣，并再循環將熱空氣排出到冷卻設備。當外部溫度低于數據中心的返回空氣的設定點溫度時，空氣側節能器將直接使用來自外部環境的低溫空氣來冷卻內部服務器。而當室外溫度不適合冷卻服務器的情況下，則使用計算機房空氣處理器(CRAH)。由于空氣側節能器不包括濕度控制，因此需要借助專用的加濕系統來穩定相對濕度(RH)的波動。空氣側節能器可以提供更長的節能時間，更節能，并降低數據中心的冷卻負荷和冷卻成本。
這項工作包括三種方案：基準方案;COP為2.1的空氣側節能器方案;COP為4.0的空氣側節能器方案。一處位于美國的具有傳統CRAC冷卻方案的數據中心案例被定義為基準的冷卻解決方案。該數據中心通風布局使用傳統的熱通道/冷通道布置。而在采用空氣側節能器的情況下，COP被分別假定為2.1和4.0兩種情況。由于外部空氣溫度通常高于CRAC冷卻空氣溫度，因此基準CRAC風扇的功率為232 kW，ASE風扇功率為410 kW。為了保持足夠的熱傳遞，ASE需要更多的風扇功率。為此，我們選擇了四處氣候條件差異很大的城市作為數據中心選址進行比較。
02、冷凍機小時，節能器小時和濕度的分析
每當需要機械冷卻以維持大允許的IT進氣溫度時，就需要記錄冷卻器采用的時長。收集節能器的采用時長以確定外部空氣條件滿足所需數據中心條件的小時數。冷卻器采用的時長和節能器采用的時長都適用于兩個區域，即數據中心完全由冷卻器冷卻的區域和過渡區域，其中一些冷卻負載由免費的自然冷卻系統滿足，其余部分由冷卻器滿足。
對于基準情況，冷卻器運行小時數等于數據中心年度運行小時數，因為該運行實際上可以不利用室外氣候條件，因此意味著數據中心全年都由冷卻器系統實施冷卻。根據ASHRAE熱環境推薦的數據中心范圍和四個城市10年氣候統計溫度和濕度數據的分析，我們計算了ASE場景設計下每處數據中心的節能器使用小時數和冷卻器使用小時數(如下表1和表2所示)。其中瑞典的呂勒奧具有零冷卻器運行時長的特殊優勢。這意味著在該地區的數據中心不需要采用機械冷卻設備。而美國西雅圖是空氣側節能器最受歡迎的城市，因為那里所需要的冷卻器運行時長較短(僅62小時)。
濕度控制是數據中心運營中的另一大問題。濕度應根據ASHRAE所推薦的最嚴格的范圍進行控制，即5.5°C露點溫度至60%相對濕度和15°C露點溫度。基準情況使用水冷式冷卻機組通過熱交換器冷卻水，從而在數據中心保持更恒定的濕度水平。空氣側節能器的主要缺點是缺乏濕度控制。用于加濕的額外能量可以抵消ASE的一部分節能，并且在ASE效益評估中必須考慮額外的加濕成本。
表1、在四處不同城市數據中心空氣側節能器和冷卻器采用時長小時數的比較
表2：ASE系統的加濕成本
03、三種冷卻方案的能耗比較
如下圖3和圖4所示，是根據冷卻器的運行小時數和PUE所計算得出的三種不同的冷卻設計方案各自的冷卻功耗和年度運行成本。其中已考慮了四個城市不同的能源價格。與紐約和西雅圖的每千瓦時0.08美元的能源價格相比，休斯頓和呂勒奧的每千瓦時0.05美元的低能源價格顯示出了優勢。在基準情況下，總設施能耗與服務器能耗的性能比為1.55，這對于所有四處數據中心都是相同的。采用空氣側節能器情況下的PUE比率低于基準情況，這表明空氣側節能器在大多數情況下可以降低能耗。此外，PUE的微小變化則能夠帶來非常顯著的節能效果。由于假設基準情景中的冷卻系統操作與氣候條件無關，因此所有四處數據中心的冷卻功率消耗相同，這相當于全年冷卻系統運行所使用的電功率。假設冷卻能耗與冷卻機和節能器采用時長成比例相關。冷卻的總耗電量使用冷卻的全功率負載和每年8760小時計算。運營中未考慮冷卻設備折舊和IT停機時間。圖4(左)中的結果表明，空氣側節能比基準情景中消耗的電能少。由于氣候寒冷，呂勒奧的空氣側節能提供了大的節能效果，而休斯頓的空氣側節能所實現的能源節約最少。上表2中還顯示，呂勒奧的冷卻器采用時長為零，而空氣側節能器的采用時間最長，而休斯頓的冷卻器采用時長最長，空氣側節能器的采用時間最短。因此，四處數據中心的冷卻能耗與不同的氣候條件有關。
圖3、數據中心PUE的案例研究。
ASE系統利用涼爽的室外空氣來調節數據中心的室內操作運營空間，從而降低冷卻成本。在三種冷卻設計方案中，空氣側節能器與基準情況相比可以節省能源;具有較高COP和較低PUE的ASE 2場景比ASE 1節省了更多的能量。與基準情況相比，ASE可以節省高達35%的電力成本。
但是，有許多因素會影響數據中心的運營成本，特別是數據中心所在當地的氣候條件、當地的電價和運營政策。在呂勒奧，涼爽的氣候可能有助于ASE系統在一年中的所有時間順利使用。此外，由于呂勒奧享有最低的能源價格和最低的工業稅率，因此該城市顯然是運營數據中心的具冷卻效率的選址地。由于ASE的使用帶來了與濕度相關的水分問題，因此加濕成本也是不容忽視的問題之一。盡管加濕成本是一筆巨大的費用，但瑞典呂勒奧的ASE方案的結果表明，加濕成本是總冷卻節能的27%。
圖4：(左)冷卻功耗。(右)業務費用。數據中心冷卻功耗和年運營成本的案例研究。
結論
采用垂直方式放置的服務器機架進行數據中心通風和氣流管理，可提供有效的熱傳遞，減少氣流壓降，有助于數據中心節能。
影響數據中心總能耗和成本的因素有很多，特別是數據中心所在當地的氣候條件、當地的電價和運營政策以及冷卻解決方案設計。對于空氣側節能器系統，主要因素是氣候條件或數據中心選址地的選擇。數據中心管理運營人員還必須考慮溫度和濕度情況。盡管加濕成本是一筆巨大的費用，但目前的研究表明，寒冷氣候條件所帶來的好處遠遠大于濕度調節的成本。
相關閱讀：
熱門專題
