伴隨著電價和IT能耗的持續(xù)上升，IT相關的能源成本正受到越來越嚴格的審查。在一處精心設計的數(shù)據中心，冷卻耗電成本大約占到總的耗電量的37%。換言之，其實這在許多情況下，意味著通過提高冷卻效率來降低IT能源成本帶來了機會。
本文中，我們將為廣大讀者諸君介紹關于提高數(shù)據中心冷卻效率的五大戰(zhàn)略：
1、適當密封的數(shù)據中心環(huán)境
一款蒸汽密封在控制相對濕度，從而減少了不必要的加濕和除濕方面發(fā)揮了至關重要的作用。
2、優(yōu)化氣流
機架布置、機房空調布局和線纜管理都會影響到在關鍵設施內空氣流通的能量消耗量。
3、在適當?shù)牡胤绞褂霉?jié)能器
在寒冷的季節(jié)，節(jié)能器允許使用外部空氣以支持數(shù)據中心的冷卻，從而創(chuàng)造了無需耗能實現(xiàn)冷卻的機會。
4、提高冷卻系統(tǒng)效率
諸如可變容量系統(tǒng)和改進的控制等新興技術的使用，正推動室內空氣調節(jié)系統(tǒng)效率的提升。
5、使冷卻更接近熱源
補充冷卻系統(tǒng)使得冷卻更靠近熱源，從而減少了空氣流動所需的能量。總之，上述這些方法有助于將冷卻系統(tǒng)的能源成本減少30%至45%，并帶來顯著的、經常性的成本節(jié)約。再加上新興技術的采用，如效率更高的處理器和新的基于芯片的冷卻技術，這些措施可以有助于保持能源成本與服務器密度和能源價格的持續(xù)上漲步調一致。
直到最近，仍然很少有人注意到IT系統(tǒng)所耗費的能量成本。但是，隨著能耗和電價的持續(xù)上漲，能源成本日漸受到來自企業(yè)高層管理人員們更加嚴格的審查，以便進行成本的管理。事實上，能源成本現(xiàn)在已成為了企業(yè)數(shù)據中心的選址和設計的決定因素之一。
最近，根據由Data Center Users' Group所進行的一項調查顯示，數(shù)據中心的能源效率正在迅速成為業(yè)內最為關注的優(yōu)先事項。42%的調查受訪者表示，他們所在企業(yè)已經對能源效率進行了分析或目前正在進行分析。受訪者們普遍認為，顯著的能源效率提升機會存在于冷卻設備(49%)、服務器(46%)、電力設備(39%)和和存儲(21%)的領域。
EYP Mission Critical Facilities Inc. 公司分析了數(shù)據中心的能源使用情況，并估計數(shù)據中心50%的能源消耗是由信息技術系統(tǒng)所消耗的。據了解，隨著冷卻和配電負載的降低，IT設備節(jié)省10%的能源消耗將帶來一個額外的7%到10%的能耗減少。因此，在這方面的能源消耗減少對下游的節(jié)省影響或將達到兩倍。
有一系列的策略可以用來評估IT系統(tǒng)能耗的降低，最值得注意的是服務器整合和虛擬化。使用虛擬化技術和數(shù)字控制技術，以提高數(shù)據中心的運行效率。
而在本文中，我們將把關注重點放在由必要的基本支持系統(tǒng)所消耗的剩余的50%能耗方面，如電源，制冷和照明(圖1)的能耗。除技術系統(tǒng)本身之外，在數(shù)據中心消耗最多能源的就數(shù)冷卻系統(tǒng)了，其能耗占到了數(shù)據中心用電量的37%。
最近幾年，隨著服務器密度上升到了前所未有的水平，數(shù)據中心對于冷卻系統(tǒng)的需求大幅上升。這種變化不僅帶來了制冷系統(tǒng)容量需求的增加，同時也暴露了數(shù)據中心現(xiàn)有冷卻方法的效率低下。其結果是，冷卻現(xiàn)在已然成為了許多數(shù)據中心(并也僅僅只是減少了IT設備負載)節(jié)省IT能源成本的第二大機會。
這方面的節(jié)省可以說是相當顯著的。例如，假設支持系統(tǒng)所消耗的能源量與IT系統(tǒng)大約相同的話，那么一處3兆瓦的數(shù)據中心設施將需要6兆瓦的電力。而如果電力成本為每小時10美元，這一數(shù)據中心設施的年度總能源成本將達到525萬美元(600美元/小時×8765小時)。而IT負載降低10%，就將會節(jié)省105萬美元，而冷卻系統(tǒng)效率提高30%會節(jié)省約58萬美元的開支。
1、適當密封的數(shù)據中心環(huán)境
冷卻通過數(shù)據中心的地板、墻壁和天花板損失，或通過外部的關鍵設施所帶來的濕度降低了冷卻系統(tǒng)的效率。因此，數(shù)據中心應盡可能地與一般建筑和外部環(huán)境隔離開來。
在任何時候，保持門的關閉，并使用蒸氣密封來隔離數(shù)據中心的空氣。蒸汽密封是控制數(shù)據中心環(huán)境的最廉價且最重要的方法之一，同時對于保持適當?shù)臐穸人绞翘貏e重要的。
如果數(shù)據中心的濕度太高，就可能出現(xiàn)導電性陽極故障(CAF)、吸濕性粉塵失敗(HDF)、磁帶介質錯誤和過度磨損和腐蝕。而如若相對濕度的增加超過55%以上，這些風險將成倍增加。
而如果濕度太低，則將增加靜電放電(ESD)的幅度和傾向，其可能會損壞設備或對操作運營帶來不利影響。此外，當暴露于相對濕度較低的環(huán)境下，磁帶產品和介質可能會發(fā)生過多的錯誤。
ASHRAE已經將數(shù)據中心環(huán)境最佳的相對濕度定義為40%至55%。機房精密空調(CRAC)根據需求，通過加濕或除濕進行濕度控制，加濕或除濕兩者均需要消耗能量。而采取有效的蒸汽密封可以在加濕或除濕過程中降低能量消耗的量。
蒸汽密封通常是通過結合使用塑料薄膜、汽阻涂料、乙烯基墻紙和乙烯基地板系統(tǒng)所打造的。所有門、窗和線纜的入口也應密封。
這是任何提高效率計劃的第一步。如果操作房間沒有被妥善密封，那么隨后所采取的所有其他的提高效率的措施都將是事倍功半的。您企業(yè)可以通過各種工程咨詢公司或您企業(yè)的冷卻系統(tǒng)供應商來對數(shù)據中心進行評估，以幫助您查明和確定外部空氣從何處進入您數(shù)據中心的控制環(huán)境，并就適當?shù)拿芊獠呗蕴岢鼋ㄗh。
2、優(yōu)化氣流
一旦操作環(huán)境的密封工作完成之后，下一步工作便是確保高效的空氣流通。其目標是利用最小的能耗量將最大量的熱量從設備移走。而優(yōu)化空氣流通需要評估和優(yōu)化機架的配置、空調的布局和線纜的管理。
機架布局
目前所生產制造的大多數(shù)設備都是被設計為從正面吸入空氣，并從后 面排出。這使得設備機架可以被安排為創(chuàng)造熱通道和冷通道。這種機架安置方法，使一排排的機架面對面，每排機架的正面都能夠從同一過道吸入冷空氣(“冷”過道)。兩排機架排出的熱空氣形成一個“熱”通道，提高了返回CRAC的空氣的溫度，并使得CRAC得以更有效地運作(圖2)。
冷、熱空氣不混合，這種方法是最有效的。因此，穿孔地板應該從熱通道中移除，并只在冷通道使用。沖裁板應該被用來填補機架的開放空間，以防止熱空氣通過機架被吸入。
某些類型的電纜管也可用于防止冷空氣通過電纜開口進入操作空間，其通常在機架后部。
其他額外的步驟，包括諸如使用返回天花板通風室以吸取空氣返回機房空調，在冷通道盡頭的物理窗簾對于減少冷空氣和熱空氣的混合也被證明是非常有效的。
CRAC布局
使用熱通道/冷通道的方法的時候，CRAC單元應始終垂直于熱通道，以減少空氣流動，并防止熱空氣因返回空調被拉到冷通道(圖2)。 一個返回天花板通風室，可有效地減少熱空氣和冷空氣的混合。
線纜管理
數(shù)據中心所必須支持的服務器數(shù)量的爆炸似增長已經為許多數(shù)據中心設施帶來了線纜管理方面的挑戰(zhàn)。如果管理不當，線纜可通過堵住穿孔地磚而阻礙空氣流通，并妨礙熱空氣從機架后部排出。故而檢查地板下的通風狀況，以確定電纜或管道是否被阻塞，而妨礙了空氣的流通。架空電纜正變得越來越流行，從而消除了阻塞的可能性。更深層次的機架現(xiàn)在可以增加的空氣流動。有時現(xiàn)有的機架可以配備擴展通道，以增加電纜和空氣流的深度。使用電纜管理的時候要謹慎，因為它們并不兼容所有IT設備的空氣流動模式。
最后，但也許是最重要的，調查將高電壓三相電源盡量靠近IT設備，并且增加IT設備的電壓。這些步驟將最大限度地減少地板下的電源電纜的數(shù)量和大小。有時這可以通過在機架內使用高電壓三相管理電源插排來完成，但也可能需要使用多極配電盤或IT設備機架行內的PDU。
可以添加風扇到機架的后部，以便從機架吸走熱空氣，但要知道，這些風扇也同樣需要消耗能源，并產生額外的熱量，必須從操作空間移除。
3、使用節(jié)能器以實現(xiàn)無需耗能的冷卻
在許多地方，外界的冷空氣可被用來補充數(shù)據中心的冷卻，并能夠在寒冷的季節(jié)提供“免費的冷卻”。這是通過使用節(jié)能器系統(tǒng)來實現(xiàn)的。根據巴特爾實驗室(Battelle Laboratories)的一項樓宇控制系統(tǒng)調研發(fā)現(xiàn)，平均而言，那些采用了節(jié)能器的數(shù)據中心建筑的加熱和冷卻的能源使用強度(EUI)要比那些沒有的低13%。
節(jié)能器系統(tǒng)有兩種基本類型：空氣節(jié)能器和流體節(jié)能器。而為一個特定的項目選擇一款合適的節(jié)能器類型應該是由氣候、代碼、性能和功能偏好綜合考慮的結果。
空氣節(jié)能器
空氣節(jié)能器使用一款由傳感器、管道和阻尼器所組成的系統(tǒng)，以允許適量的外部空氣進入，以滿足設備的冷卻要求。空氣節(jié)能有兩種類型，即“干燥空氣”系統(tǒng)和“蒸發(fā)式空調”空氣系統(tǒng)。前者是最常見的，但是其使用被嚴格限制到極少的地理位置，因為當環(huán)境空氣的露點溫度(Dew point temperature)低于35 F時，添加濕氣到操作空間所需的能量成本會相當高。而蒸發(fā)條件解決方案則是用于在外部空氣進入數(shù)據中心之前，進行有效調節(jié)的一種經濟的方法，但其可靠性和高維護方面的要求通常也使得這種方法對于大多數(shù)數(shù)據中心運營商而言沒有多大的吸引力。
這兩種解決方案的關鍵在于適當?shù)目刂啤？刂茟跓岷?enthalpy)的比較，而不僅僅只是干球溫度計(dry bulb
)的溫度。同樣，相關的這些方法還必須實施對于花粉、灰塵或其他外來污染物的檢測，并有效地在發(fā)生這些情況時鎖定節(jié)能器。
流體節(jié)能器
流體節(jié)能器系統(tǒng)一般被劃歸為一款冷凍水或基于乙二醇的冷卻系統(tǒng)，并與一款由冷卻塔或蒸發(fā)冷卻器又或干冷器組成的散熱環(huán)路配合工作。CRAC單元采用了傳統(tǒng)的乙二醇冷卻單元和一款輔助冷卻線圈，控制閥和溫度監(jiān)控器。在寒冷的季節(jié)，乙二醇溶液從室外干式冷卻器或冷卻塔返回到輔助冷卻線圈，成為操作空間主要的冷卻來源。只要“免費的冷卻流體”是8 F ，低于CRAC返回的溫度，運行“免費的冷卻”就能夠帶來益處，因為其最大限度地減少了對于主要冷卻方式的負載。
流體節(jié)能是大多數(shù)數(shù)據中心環(huán)境系統(tǒng)的首選，因為它們不會受到室外濕度水平的影響，故而對于較寬的溫度/濕度范圍都是有效的。他們也不會給數(shù)據中心增加任何額外的空氣過濾要求。
4、提高操作空間空調的效率
對于優(yōu)化CRAC單元的效率而言，有三大至關重要的因素：
· 部分負載的情況下運轉效率如何。
· 當CRAC單元在移除顯熱(sensible heat)時，較之潛熱(latent heat)的運轉效率如何。
· 多單元一起工作的效率如何。
在部分負荷提高效率
數(shù)據中心均設計了某種程度的冷卻系統(tǒng)冗余。此外，隨著室外環(huán)境溫度下降到低于設計的峰值條件(通常為 95 F)，一個直接擴展的實際容量或空氣冷卻的CRAC單元將增加。
這意味著設備始終在低于100%的負載水平操作，由此帶來了在正常操作條件下設計系統(tǒng)以更有效地操作運營的機會。因為操作條件是不穩(wěn)定的，這需要能夠根據操作條件變化而進行相應的容量變化的一些方法。
有幾種方法可以在一款直接擴展的CRAC單元提供可變容量。而最常見的兩種是四步壓縮機卸載(four-step compressor unloading)和數(shù)字化渦旋壓縮機技術(Digital Scroll compressor technology)。
四步壓縮機卸載的概念適用于通過在系統(tǒng)內關閉一些氣缸制冷劑;從而最小化循環(huán)壓縮機開啟和關閉的需要，以控制容量能力。因為卸載本質上改變了壓縮機的操作點，使得冷卻系統(tǒng)以更低的容量能力更有效地運作。例如，一款有著兩個壓縮機“卸載”的系統(tǒng)所消耗的能量大約為滿載系統(tǒng)的50%，但將提供76%的容量，因為在冷凝器和蒸發(fā)器的規(guī)模為滿負荷。下圖3顯示出了通過壓縮機卸載所能夠實現(xiàn)的效率改進。
數(shù)字渦旋式壓縮機技術提供了一種新的方法，以便為所需的負荷精確地匹配容量和功率消耗，并且可以比標準的“固定容量”壓縮機提供顯著較低的能量消耗。
傳統(tǒng)的調制技術(循環(huán)單位和關閉匹配的負載條件)往往消耗了接近滿負荷的能量，而不是實際所需的容量。在一款高可靠性設計的系統(tǒng)中，壓縮機不只是打開和關閉。在壓縮機實際運行時，會有一個開啟延遲期和關閉泵的停機時間，確保在斷電之前適當?shù)臐櫥瓦M入壓縮機軸承。
數(shù)碼渦旋技術讓壓縮機不會循環(huán)。其可以線性地降低功耗，因為其容量調節(jié)能力，從而帶來了最佳的系統(tǒng)性能和控制。
這種技術是通過與艾默生環(huán)境優(yōu)化技術公司的一項獨家協(xié)議應用到數(shù)據中心的，后者研發(fā)了谷輪數(shù)碼渦旋壓縮機，而艾默生網絡能源公司則開發(fā)了Liebert DS精密冷卻系統(tǒng)。整合谷輪數(shù)碼渦旋壓縮機到Liebert DS系統(tǒng)使得Liebert DS系統(tǒng)的容量調制從10%達到100%。如圖4所示，以一個簡單、可靠的方式實現(xiàn)了精確的溫度控制。
改善顯熱/潛熱移除功能
IT設備產生顯(干)熱。潛熱來自于人員及滲透室外濕度(可通過上文所討論的蒸汽密封實現(xiàn)最小化)。
隨著服務器的密度或容量的增加，帶來了一個相應的顯熱負荷的增加。潛在熱負荷不受影響。因此，使用冷卻解決方案，可以在一個100%的顯容量能力運行，除了當要求除濕時，將導致能源消耗的減少。在較低的容量下操作可變容量的壓縮機，提高蒸發(fā)器盤管的溫度。這意味著更少的潛在冷卻發(fā)生。在絕大多數(shù)負載條件下，蒸發(fā)器盤管溫度足夠高，達到100%的顯冷。因此，添加被意外去除的濕度無需消耗能源。
跨多個單位改善協(xié)調
隨著較新的高密度服務器被部署在舊系統(tǒng)旁邊，數(shù)據中心環(huán)境變得更加多樣化了。由此所導致的一個結果便是，如果操作空間冷卻單元之間沒有進行適當?shù)膮f(xié)調，空調可能會在不同的溫度和濕度控制模式下運行。例如，在房間北側的一臺空調可能會感測到相對較低的濕度條件故而會增加濕度，而在房間南側的一臺空調則檢測相對較高的濕度，因而會去除空氣中的水分。 空氣中的實際濕度是相等的，但由于這些測量都是一個相對的測量，溫度越高，相對濕度越低。先進的控制系統(tǒng)可以在一個操作空間內跨所有的CRAC單元進行部署，使得各臺空調設備能夠進行溝通和協(xié)調，防止“戰(zhàn)斗模式”。
5、部署補充冷卻
補充冷卻是一種相對較新的數(shù)據中心冷卻方法，是由艾默生網絡能源憑借其Liebert XD系統(tǒng)率先開發(fā)的方法(如圖5)。其在2002年首次推出，而隨著數(shù)據中心管理人員尋求解決方案，以幫助他們實現(xiàn)以下需求，使得這種方法獲得了快速的普及。
· 克服高架地板系統(tǒng)在高密度應用中的冷卻容量能力限制。
· 提高冷卻系統(tǒng)的效率和靈活性。
高架地板冷卻被證明是管理數(shù)據中心環(huán)境的一種有效的方式;然而，隨著機架密度超過5千瓦，以及跨操作空間的多樣性負載的增加，應當對補充冷卻對冷卻系統(tǒng)的性能和效率所造成的影響進行評估。
在更高的密度情況下，在機架底部的設備可能消耗了太多的冷空氣，進而造成剩余的冷空氣量不足以供給機架頂部的設備。活動地板的高度造成了被分配到整個操作房間的空氣量的物理限制，所以，添加額外的空調可能無法解決上述問題。
國際正常運行時間協(xié)會(The Uptime Institute)的研究報告稱，位于數(shù)據中心機架頂部的三分之一的設備發(fā)生故障失敗的頻率往往是同一機架底部的三分之二的設備的兩倍。該組織還估計，當操作溫度超過70 F時，每提升18 F，設備長期的可靠性將下降50%。
提升機架密度和高空間多樣性的解決方案被證明是一種泵制冷的冷卻基礎設施，支持冷卻模塊直接放置在高密度機架的上面或旁邊，以補充通過地板的空氣。該解決方案具有許多優(yōu)點，包括增加冷卻系統(tǒng)的可擴展性，帶來更大的靈活性和能源效率的改進。
有兩個因素有助于提高能源效率：冷卻模塊的位置和所使用制冷劑。
高密度應用需要基于流體的冷卻，以便能夠有效地移除所產生的高熱量。從效率的角度來看，對于高密度而言，制冷劑的冷卻效果要比水更好。在Liebert XD 系統(tǒng)中所使用的R134制冷劑被泵以液體形式輸送，但當它到達空氣時轉換為氣體。這種改變有助于提高系統(tǒng)效率。 在傳輸熱量的效率方面，R134比水大約高700%。巧合的是，700%比空氣更有效。這也確保了昂貴的IT設備不會在制冷劑泄漏的情況下受損。
在Liebert XD系統(tǒng)中，制冷劑被輸送到冷卻模塊盡可能地靠近熱源。這減少了空氣流通所需的能量，帶來了額外的能源節(jié)約。
同時，較之僅僅靠高架地板冷卻，制冷劑的效率和冷卻模塊的位置可以降低27%的冷卻系統(tǒng)能源成本(如圖6)。
此外，制冷劑的使用減少了20%的制冷機的容量要求。進一步節(jié)約了能源，也帶來了額外的冷卻能力，無需添加額外的冷卻器。
傳統(tǒng)的地板安裝的冷卻系統(tǒng)在地板下的進行空氣輸送將繼續(xù)在數(shù)據中心環(huán)境管理中發(fā)揮重要作用。我們建議，傳統(tǒng)的系統(tǒng)被配置為提供第一個100瓦每平方英尺的熱負荷所需的冷卻，并解決操作空間的充分加濕和過濾的要求。補充冷卻可以為超過150瓦每平方英尺的密度進行部署。
新興技術
伴隨著今天大多數(shù)企業(yè)組織的計算需求，能源成本在未來也將有可能繼續(xù)上漲。而企業(yè)在采取措施以增加冷卻系統(tǒng)的效率的同時還可以采用更新的、更高效率的技術，以抵消能源成本上升的影響。如下三種技術在提高數(shù)據中心能效方面特別有潛力：
· 多核處理器
· 嵌入式冷卻
· 芯片級冷卻
現(xiàn)在，新的服務器基于多核處理器，使一款單一的處理器能夠同時執(zhí)行多個單獨的任務，在單個處理器上運行多個應用程序，或在較短的時間內完成更多的任務。芯片制造商聲稱多核處理器可以減少功率和散熱高達40%。
嵌入式冷卻使用 Liebert XD 冷卻基礎設施提供高效率的冷卻直接進入機柜中。這種方法帶來的冷卻更接近熱源，并允許冷卻系統(tǒng)針對特定機架環(huán)境進行優(yōu)化。使用此方法如何高效的一個例子來自Egenera公司和艾默生網絡能源公司的CoolFrame系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過熱量離開機架前將其移除，從而防止20千瓦的熱量從Egenera公司的BladeFrame系統(tǒng)進入操作空間。
芯片級的冷卻通過將熱量從芯片移除進一步將這種方法發(fā)展到下一個新的水平。隨著嵌入式和芯片級的冷卻解決方案的部署，一個高效的三層的方法來實現(xiàn)數(shù)據中心冷卻將出現(xiàn)。在這種方法中，熱量能夠有效地遠離芯片，然后在機架上冷卻，使得空調能夠保持操作空間穩(wěn)定的溫度和濕度。
這些發(fā)展預計將不會降低數(shù)據中心冷卻要求。相反，它們將導致計算能耗的增加，而計算則需要由一個特定的設施來支持。其結果是，今天所取得的效率的提升將繼續(xù)在未來產生效益，而未來更新的技術的發(fā)展又將達到今天現(xiàn)有設施所不可能支持的密度。
結論
冷卻系統(tǒng)是數(shù)據中心提高效率的一個顯著的機會。在許多情況下，進行相對簡單和成本便宜的變化，如提高操作空間的密封，移動電纜或阻礙空氣流動的其他對象或安裝沖板，可以立即產生效益。此外，采用新的技術，諸如可變容量操作空間空調和復雜的控制系統(tǒng)時，應考慮其對效率的影響。最后，補充冷卻系統(tǒng)能夠增加設備密度的一個響應，可以提高現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)的可擴展性和效率。
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