據(jù)估計，數(shù)據(jù)中心的耗電量占到了全球總耗電量的1.5%至2%，相當(dāng)于400億千瓦時，幾乎接近法國的總用電量。
想象一下，如果有一種方式可以重新利用數(shù)據(jù)服務(wù)器中所部署的電力。在本文中，我們將與廣大讀者朋友們共同探討關(guān)于如何通過熱回收來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心冷卻，以便將數(shù)據(jù)中心的成本效率和可持續(xù)性提高到一個全新的水平。
數(shù)據(jù)中心冷卻標(biāo)準(zhǔn)
自從ASHRAE于2004年首次提出其《數(shù)據(jù)處理環(huán)境的熱指南(Thermal Guidelines for Data Processing Environments)》以來，伴隨著CPU性能和功率密度的提高，數(shù)據(jù)中心設(shè)備容差性的提升，新的冷卻技術(shù)的進(jìn)步，以及成本和環(huán)保意識的增強(qiáng)，使得數(shù)據(jù)中心實(shí)施冷卻的相關(guān)指導(dǎo)方針和方法已經(jīng)經(jīng)歷了重大發(fā)展。
ASHRAE的該指南建議現(xiàn)在已經(jīng)更新到第四版了，并在2008年與相應(yīng)的電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備/建筑系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)了同步，成為了數(shù)據(jù)中心行業(yè)熱管理的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。該指南的發(fā)展演變以支持IT設(shè)備的更有效的冷卻，而不會影響其可靠性。
圖1：ASHRAE熱指南，2015年第4版。資料來源：ASHRAE。
斯德哥爾摩的環(huán)境條件
顯然，數(shù)據(jù)中心具體冷卻解決方案的選擇將嚴(yán)重依賴于其選址所在地的自然環(huán)境條件。
瑞典的天氣，在其全國范圍和季節(jié)間變化差異很大。在其首都斯德哥爾摩，自2001年1月1日以來，斯德哥爾摩北部的干球溫度在82.26%的時間都一直低于15°C;99.63%的時間都低于27°C(ASHRAE所建議的最高操作環(huán)境溫度值);99.998%的時間都低于32°C(ASHRAE A1所建議的最高操作環(huán)境溫度值)。(資料來源斯德哥爾摩的空氣和噪聲分析，2016年)
斯德哥爾摩的冷卻選擇方案
斯德哥爾摩的自然氣候條件為數(shù)據(jù)中心提供了大量潛在的冷卻解決方案。在本節(jié)中，我們將為您概述最適合該城市天氣狀況的解決方案。
基于空氣的冷卻系統(tǒng)
鑒于瑞典的自然環(huán)境條件，直接和間接空氣冷卻系統(tǒng)代表了兩大相當(dāng)有吸引力的方案。然而，到目前為止，整個瑞典在打造這種建筑方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還相當(dāng)有限。
在該國實(shí)施直接空氣冷卻方案的最好的案例是Facebook位于瑞典北部的Lule的數(shù)據(jù)中心。在斯德哥爾摩，并沒有采用直接空氣解決方案的重要建筑設(shè)施。究其原因可能是源于城市環(huán)境中過濾器維護(hù)成本太高所導(dǎo)致的問題。該系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是低PUE值。
然而，該解決方案的最重要的問題是大量有價值的能量被浪費(fèi)，因?yàn)閬碜詳?shù)據(jù)服務(wù)器的多余熱量被簡單粗暴地排放到環(huán)境空氣中了。然而，直接空氣系統(tǒng)可以被設(shè)計成能夠通過引入水對空氣的熱交換器來對這些多余的熱量實(shí)施再利用。雖然這在理論上是可行的，但除了Yandex網(wǎng)站在其位于芬蘭Mntsl的數(shù)據(jù)中心采用了之外，這種裝置在整個北歐地區(qū)仍然是極為罕見的。盡管斯德哥爾摩地區(qū)的自然環(huán)境條件相當(dāng)有利，仍然需要一套全面的備用冷卻系統(tǒng)來管理少數(shù)時間段的高露點(diǎn)溫度(Dew point temperature)。
間接空氣系統(tǒng)執(zhí)行空氣到空氣的熱交換，其中外部空氣用蒸發(fā)冷卻方案來冷卻。該方法的效率將取決于外部空氣的濕球溫度，并且當(dāng)短時間內(nèi)發(fā)生相對濕度太高以至于蒸發(fā)過程不能奏效時，將需要機(jī)械自頂向上的冷卻來實(shí)施管理。該系統(tǒng)具有較低的PUE值，但該P(yáng)UE值通常高于直接空氣系統(tǒng)。
如同在直接空氣系統(tǒng)中一樣，多余的熱量被排放到環(huán)境中。然而，與直接空氣系統(tǒng)不同，難以設(shè)想一套有效的設(shè)計，可以使得熱回收與間接空氣系統(tǒng)相結(jié)合。
冷凍水系統(tǒng)
最常用的系統(tǒng)依賴于具有某種機(jī)械冷卻的冷卻水冷卻方案，通常在一年中的大部分時間與免費(fèi)的自然空氣冷卻模式相組合。該系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施與基于空氣的系統(tǒng)的不同之處在于，能量在數(shù)據(jù)中心是在液體中被消耗的，并且是通過數(shù)據(jù)機(jī)房中的液體到空氣的熱交換來進(jìn)行冷卻的。
冷凍水系統(tǒng)通常具有比基于空氣的系統(tǒng)更高的PUE值。另一方面，冷凍水系統(tǒng)傾向于允許更大的設(shè)計靈活性，并且與間接空氣系統(tǒng)相比，需要更少的空間。
冷卻水系統(tǒng)的一個特殊版本是區(qū)域冷卻。在區(qū)域冷卻解決方案中，使用的是相同的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，但是冷卻則是作為來自區(qū)域冷卻供應(yīng)商所提供的服務(wù)。提供冷卻服務(wù)的供應(yīng)商可以使用不同的方法來生產(chǎn)冷卻水，包括海水冷卻，冷卻機(jī)和熱泵。雖然這種情況在斯德哥爾摩不存在，但其他地區(qū)的制冷供應(yīng)商正在考慮基于吸附的制冷。
冷凍水系統(tǒng)的一大關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是其有助于進(jìn)行有效的熱回收。在常規(guī)的冷卻水系統(tǒng)中，多余的熱量可以從冷卻塔中除去。
然而，在使用熱泵來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的冷卻的冷凍水系統(tǒng)中，過熱的溫度或?qū)⑸撸沟脽岜猛ㄟ^到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)的連接同時產(chǎn)生用于住宅和辦公室需求的加熱。在提供數(shù)據(jù)中心冷卻作為服務(wù)的區(qū)域冷卻解決方案中，熱回收是系統(tǒng)的固有特征，其中返回管將多余的熱量從數(shù)據(jù)中心傳送到配備有熱泵的生產(chǎn)設(shè)備以及區(qū)域加熱網(wǎng)絡(luò)的連接。
隨著高性能計算的出現(xiàn)，液體冷卻的部署開始興起。一款液體冷卻解決方案并不需要液體到空氣熱交換，并且具有更好的熱吸收，更高的溫度和更少的機(jī)械輔助需求，以達(dá)到用于住宅加熱的溫度水平，對于熱回收更有效。
斯德哥爾摩的數(shù)據(jù)中心和熱回收
斯德哥爾摩的條件對于熱回收是非常理想的。而在其他地方執(zhí)行的許多熱回收項(xiàng)目并不滿足成功熱回收的先決條件。第一大挑戰(zhàn)便是需要管理的大量的熱量。一處10兆瓦的數(shù)據(jù)中心負(fù)載對應(yīng)于大約20 000幢現(xiàn)代住宅公寓(55 千瓦時/平方米/年)的供暖需求。因此，在本地或在與數(shù)據(jù)中心相同的建筑中完全重復(fù)利用熱量的方案是不可行的。
另一大需要考慮的關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)中心依賴于單幢建筑或有限住宅區(qū)吸收數(shù)據(jù)中心熱量的風(fēng)險。
只有當(dāng)數(shù)據(jù)中心被連接到龐大的建筑物網(wǎng)絡(luò)時，才能以足夠大的規(guī)模和合理的風(fēng)險進(jìn)行熱回收。而鑒于斯德哥爾摩12 千瓦時/年的區(qū)域供熱系統(tǒng)，有足夠的熱需求以適應(yīng)任何規(guī)模的數(shù)據(jù)中心(接近150處10兆瓦負(fù)載的數(shù)據(jù)中心)的熱量回收。
由Fortum公司和斯德哥爾摩市合資的Fortum Vrme公司擁有超過25年的數(shù)據(jù)中心熱量回收，并將其轉(zhuǎn)移到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)方面的經(jīng)驗(yàn)，IBM公司從1989年就開始從其位于希斯塔(Kista)數(shù)據(jù)中心提供熱量了。
除了由許多較小的數(shù)據(jù)中心使用的普通的區(qū)域制冷外，F(xiàn)ortumVrme公司還開發(fā)了一種特定的區(qū)域制冷服務(wù)，其中包括熱回收，例如Interxion公司在其希斯塔的數(shù)據(jù)中心所采用的。在Interxion公司，所需要的僅僅是一臺熱交換器和一個循環(huán)泵來冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的冷凍水回路。在此過程中，來自數(shù)據(jù)中心的多余熱量被回收并返回FortumVrme公司，在那里熱量將進(jìn)入大型熱泵，然后提供區(qū)域供熱。
FortumVrme公司自此開發(fā)了一種商業(yè)模式，允許任何熱生產(chǎn)商與區(qū)域供熱系統(tǒng)接口，并接受供熱支付——即其開放區(qū)域供熱。使用專門選擇用于熱回收的熱泵，熱泵的冷凝器側(cè)與區(qū)域供熱系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，在那里傳遞熱量，而不是將其散發(fā)到外部空氣中，這使得能量被使用兩次——為服務(wù)器提供供電和為斯德哥爾摩市供熱。
圖2：在網(wǎng)絡(luò)不可用的情況下，使用連接到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)和冷卻塔的熱泵的數(shù)據(jù)中心的圖示。
在斯德哥爾摩有30多處數(shù)據(jù)中心進(jìn)行著熱回收。
借助熱回收的冷卻即服務(wù)(CaaS)
如上所述，在斯德哥爾摩，熱回收可以以兩種方式的其中之一進(jìn)行。數(shù)據(jù)中心要么可以使用熱泵生產(chǎn)自己的冷卻，并在合適的溫度下將多余的熱量排入?yún)^(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)。或者要么可以采用FortumVrme公司所提供的冷卻即服務(wù)(CaaS)，其中數(shù)據(jù)中心的多余熱量通過回水管中被運(yùn)送到生產(chǎn)工廠。在生產(chǎn)工廠，多余的熱量進(jìn)入大型集中式熱泵的蒸發(fā)器側(cè)，為區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)供熱。
在斯德哥爾摩數(shù)據(jù)公園，F(xiàn)ortumVrme公司歡迎這兩種解決方案。為了實(shí)現(xiàn)和分享規(guī)模經(jīng)濟(jì)，F(xiàn)ortumVrme公司已經(jīng)開發(fā)并提出了針對數(shù)據(jù)中心的增強(qiáng)的CaaS服務(wù)，希望達(dá)到超過5兆瓦的計算機(jī)負(fù)載。通過使用更大的機(jī)器并且串聯(lián)連接熱泵，與局部熱回收解決方案相比，COP可以增加，并且耗電降低，通常是并聯(lián)構(gòu)造。
每處數(shù)據(jù)園(分別位于斯德哥爾摩的不同地點(diǎn))將包含一個專門的冷卻工廠，在該工廠內(nèi)大型離心(而不是滾動或螺旋)冷卻器將通過整個數(shù)據(jù)園的熱回收為數(shù)據(jù)中心冷卻提供CaaS。
從數(shù)據(jù)中心的角度來看，交付的服務(wù)是通過一對分配連接到標(biāo)準(zhǔn)冷凍水系統(tǒng)的冷凍水，允許這樣的一款冷卻系統(tǒng)提供全范圍的設(shè)計靈活性。數(shù)據(jù)中心冷水分配系統(tǒng)通過熱交換器與CaaS系統(tǒng)接口，在交換側(cè)提供約20°C的水，允許約22°C的水進(jìn)入CRAH單元。熱回流水返回到CaaS工廠，在那里根據(jù)加熱需要進(jìn)入熱泵，產(chǎn)生68℃的水到達(dá)區(qū)域供熱系統(tǒng)。
在斯德哥爾摩數(shù)據(jù)公園Kista，冷卻服務(wù)的價格(SEK / MWh)隨著負(fù)載而下降，這反映了隨著容量的增加所帶來的熱回收增加的益處。在該產(chǎn)品中，將免費(fèi)提供冷凍水冷卻，以換取冷卻負(fù)荷剛好在10 MW以上的數(shù)據(jù)中心的多余熱量。
圖3：斯德哥爾摩數(shù)據(jù)公園Kista的價格模型。
類似于通過公共連接所提供的電源被認(rèn)為是能夠降低OPEX的方式一樣，較之使用數(shù)據(jù)中心自己的電氣系統(tǒng)，熱回收系統(tǒng)也可以被認(rèn)為是有助于減少并最終消除用于冷卻的OPEX的方式。有了這項(xiàng)產(chǎn)品，F(xiàn)ortumVrme公司建議每年運(yùn)行CaaS達(dá)8,030小時，可用性為99.7%，允許進(jìn)行修訂和維護(hù)。
同樣，該產(chǎn)品類似于電源設(shè)置，設(shè)想企業(yè)客戶將使用低CAPEX的冷卻器來補(bǔ)充CaaS以實(shí)現(xiàn)冗余，并在不提供CaaS時冷卻數(shù)據(jù)中心。考慮到估計使用量低，數(shù)據(jù) 中心操作員可以選擇備用冷卻系統(tǒng)而最小化OPEX。由于備份系統(tǒng)每年的使用不到730小時，并且主系統(tǒng)的簡單性，所需的維護(hù)也減少了。數(shù)據(jù)中心的配水基礎(chǔ)設(shè)施由兩個系統(tǒng)共享。
圖4：使用具有集成備用冷卻系統(tǒng)的CaaS的數(shù)據(jù)中心的圖示
如果優(yōu)選完全冗余的CaaS解決方案，則可以提供具有兩個單獨(dú)饋電的結(jié)構(gòu)，但會影響定價模型。
效率和環(huán)境
PUE是測量數(shù)據(jù)中心效率的常用指標(biāo)。已經(jīng)變得越來越受歡迎，主要是由于其簡單性。但PUE也受到批評，因?yàn)樗茨苋娣从硵?shù)據(jù)中心的效率和對環(huán)境的影響。
FortumVrme公司認(rèn)為，未來的綠色數(shù)據(jù)中心將采用可持續(xù)發(fā)電，以盡量減少對環(huán)境的影響。幾家主要參與者已經(jīng)做出了這樣的承諾，并且正在投資額外的可再生電力，主要是風(fēng)力發(fā)電(Cook，2017)。在2016年12月，Google公司宣布計劃到2017年使用可再生電力運(yùn)營整家公司。
在此過渡中，F(xiàn)ortumVrme正在與主要的數(shù)據(jù)中心供應(yīng)商做出同樣的承諾，在斯德哥爾摩數(shù)據(jù)公園為其電力使用增加了可再生能力。
斯德哥爾摩的數(shù)據(jù)中心負(fù)載為10兆瓦，可以為大約20 000幢現(xiàn)代住宅公寓供熱，可以節(jié)省用于焚燒的燃料資源，并減少二氧化碳的排放。
通過部署熱回收，一處綠色環(huán)保的數(shù)據(jù)中心可以成為氣候凈正性(net positive)。在斯德哥爾摩，10兆瓦的數(shù)據(jù)中心負(fù)載可以減少接近8000噸的二氧化碳排放量。
圖5：已經(jīng)做出100%可再生能源承諾的ICT公司(Cook，2017)
無論以何種方式評估斯德哥爾摩數(shù)據(jù)公園熱回收的影響，對環(huán)境而言，總是比競爭對手的冷卻解決方案更好。沒有采用熱回收的數(shù)據(jù)中心可以從氣候負(fù)性到氣候中性，但絕不會變成凈的正氣候。
圖6：具有可再生電力和熱回收的冷卻即服務(wù)的一處10兆瓦數(shù)據(jù)中心負(fù)載的凈二氧化碳排放噸數(shù)
結(jié)論
由于數(shù)據(jù)中心幾乎所有方面都在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化及其對能源的不斷增長的需求，我們需要它們不僅具有成本效益，而且要求其更加智能，可持續(xù)，并且是應(yīng)對氣候變化的理想組成部分。
斯德哥爾摩數(shù)據(jù)公園計劃有助于在斯德哥爾摩逐步淘汰化石燃料。到2040年，該城市的目標(biāo)是無化石燃料。
加入斯德哥爾摩數(shù)據(jù)公園并采用熱回收，您企業(yè)將對減少全球二氧化碳排放量作出了重大貢獻(xiàn)。我們?yōu)榇笮蛿?shù)據(jù)中心提供零OPEX的定價模式，幫助您使您的數(shù)據(jù)中心真正實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保——甚至凈正氣候性。
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