據估計，整個數據中心行業所消耗的電力資源大約占到了全球總的電力消費的1.5到2%之間，共計達400太瓦時(TWh)，幾乎接近整個法國的用電總量。

想象一下，是否有一種方法能夠重新利用數據中心服務器中所部署的電力。在本文中，我們就將與廣大讀者朋友們共同探討大規模數據中心如何借助熱回收以實現冷卻，進而將數據中心的成本效率和可持續性提升到下一個水平。

數據中心冷卻標準

自從ASHRAE于2004年發布第一版《數據中心環境處理熱準則建議(Thermal Guidelines for Data Processing Environments)》以來，伴隨著CPU性能和功率密度的提升、設備耐受性的提高、新的冷卻技術的進步、以及企業成本意識和環保問題的增強，數據中心冷卻的指導方針和方法已然發生了顯著的進步。

ASHRAE的該份建議目前已經出到第四版了，并在2008年與電信行業相應的網絡設備系統建設要求實現了同步，事實上已經成為了數據中心行業熱管理的標準。而該準則也在不斷的演變，以試圖更有效地支持IT設備的冷卻，而不損害其可靠性。

　　圖1：ASHRAE于2015年發布的熱指南第四版。來源：ASHRAE

斯德哥爾摩的環境條件

當然，冷卻解決方案的選擇很大程度上需要依賴于數據中心所處的具體環境條件。

瑞典的天氣在其全國各地和季節之間差異很大。其首都斯德哥爾摩北部的干球溫度自2001年1月1日以來，82.26%的時間一直都低于15°C;99.63%的時間都低于27°C(ASHRAE推薦的最大值);99.998%的時間都低于32°C(ASHRAE A1所推薦的最大值)。在96.98%的時間內，其露點溫度均低于15°C(ASHRAE推薦的最大值)，而在99.19%的時間內均低于17°C(ASHRAE A1所推薦的最大值)(資料來源：Stockholm Luft- och Bulleranalys，2016年)。

斯德哥爾摩的冷卻方案

斯德哥爾摩為數據中心提供了大量潛在的冷卻解決方案。如下，我們將為大家概述最適合城市天氣條件的解決方案。

基于空氣的冷卻系統

鑒于瑞典的環境條件，直接和間接的空氣冷卻系統是兩大具有吸引力的備選方案。但截至今天，瑞典在這種建筑方面的實踐經驗卻是有限的。

采用直接空氣冷卻解決方案方面最佳的實例無疑是Facebook位于瑞典北部的Lule的數據中心設施。在斯德哥爾摩，沒有采用直接空氣解決方案的重要裝置。其原因可能在于城市環境中高過濾器維護成本。該系統的主要優點是PUE低。

然而，該解決方案最重要的問題是浪費了大量有價值的能量，因為數據中心服務器的多余熱量被簡單粗暴的排放到了外部環境空氣中。然而，直接空氣系統可以被設計成通過引入水到空氣的熱交換器來重新利用熱量。雖然這在概念上是可行的，但除了Yandex公司在芬蘭的Mntsl數據中心設施之外，北歐地區的這種數據中心設施依然相當罕見。盡管斯德哥爾摩地區有良好的環境條件，仍然需要一套全面的備用冷卻系統用以管理少數幾個小時的高露點溫度。

間接空氣系統進行空氣到空氣的熱交換，外部空氣通過蒸發冷卻方案實施冷卻。該方法的效率將取決于外部空氣的濕球溫度，并且當相對濕度太高以致于蒸發方案無法很好的奏效時，將需要借助額外的機械冷卻方案來管理少數幾個小時的冷卻。該系統具有低PUE的特點，盡管其PUE值通常高于直接空氣系統。

與直接空氣冷卻系統一樣，間接空氣冷卻系統也是將多余的熱量排放到外部環境中。然而，與直接空氣系統不同的是，很難想到一種有效的設計，使得熱回收可以與間接空氣系統相組合。

冷凍水系統

最常用的系統依賴于冷凍水實施冷卻，通常采用某種機械制冷，并且其在一年中的大部分時間通常是與免費的空氣冷卻模式結合使用。系統基礎設施與基于空氣的系統不同，其能量在數據中心是以液體的形式傳送，并且在數據中心服務器機房是通過液體到空氣的熱交換進行冷卻的。

冷凍水系統通常具有比基于空氣的系統更高的PUE值。另一方面，冷凍水系統傾向于允許更大的設計靈活性，并且與間接空氣系統相比，需要更少的空間。

冷凍水系統的特殊版本是區域冷卻。在區域冷卻解決方案中，使用的是相同的數據中心基礎設施，但卻是由區域制冷供應商所提供的冷卻作為服務。提供冷卻服務的供應商們可以使用不同的方法來生產冷凍水，包括海水冷卻、冷卻機和熱泵。雖然斯德哥爾摩并未有這種模式，但其他地區的制冷供應商們則正在考慮采用吸附式冷卻。

冷凍水系統的主要優點之一是能夠有效地進行熱回收。在傳統的冷凍水系統中，可以在冷卻塔中將多余的熱量除去。

然而，在使用熱泵實現數據中心的冷卻的冷凍水系統中，可以提高多余熱量的溫度，使得熱泵通過連接到區域供熱網絡，同時為住宅和辦公室供暖。在提供數據中心冷卻的區域冷卻解決方案中，數據中心冷卻作為一種服務提供，熱回收是系統的固有特征，其中回流管將多余的熱量從數據中心運送到裝有熱泵的生產設備以及與區域連接的加熱供暖網絡。

隨著高性能計算的出現，液體冷卻的實施開始出現。一款液體冷卻解決方案不需要液體到空氣的熱交換，并且對于熱回收更有效，具有更好的吸熱性，更高的溫度，需要更少的機械輔助，以達到為住宅供熱的溫度水平。

斯德哥爾摩的數據中心和熱回收

斯德哥爾摩非常適合熱回收。在其他地方實施的許多熱回收項目都不符合熱回收成功的先決條件。第一個挑戰是需要管理大量的熱量。一處10兆瓦的數據中心負荷能夠供給約20 000套現代化住宅公寓(55 kWh / m2 /年)的供熱需求。因此，在本地或與數據中心相同的建筑物中完全重新使用熱量的選擇是不可行的。

另一個關鍵因素是數據中心依靠一幢單一的建筑物或有限的住宅區來吸收數據中心熱量的風險。

只有當數據中心連接到龐大的建筑物網絡，才能在足夠大的規模和合理的風險下進行熱回收。采用斯德哥爾摩12 TWh /年的區域供熱系統，有足夠的熱量需求來適應各種規模的數據中心(相當于150處 10 MW負荷的數據中心)的熱回收。

FortumVrme公司在數據中心熱量回收，并將其轉移到區域供熱網絡方面擁有超過25年的經驗。自從1989年開始，彼時，IBM公司開始從其Kista數據中心提供熱量。

除了許多較小規模的數據中心所使用的普通區域冷卻方案之外，FortumVrme公司還開發了具有熱回收的特定區域冷卻服務，例如，Interxion公司就在Kista的數據中心使用該服務。在Interxion公司，冷卻數據中心內部冷卻水回路所需要的僅僅只是一款熱交換器和循環泵。在這個過程中，數據中心的余熱被回收并返回到FortumVrme公司，在那里進入大型熱泵，然后提供給區域供熱。

FortumVrme公司已經開發了一種商業模式，允許任何制熱器與區域供熱系統接口連接，并接受付費供熱——開放式區域供熱。使用特別選擇用于熱回收的熱泵，熱泵的冷凝器側與區域供熱系統進行熱交換，在此進行熱量的傳遞，而不是將其散發到外部空氣中，這允許使用能源被二次利用——為服務器供電及為斯德哥爾摩市供暖。

圖2：在網絡不可用的情況下，使用連接到區域供熱網絡和冷卻塔的熱泵的數據中心的圖示

目前，在斯德哥爾摩市有三十多處數據中心從事熱回收。

具備熱回收的冷卻即服務(CaaS)

如上所述，熱回收可以在斯德哥爾摩以兩種方式之一進行。數據中心要么都使用熱泵生產自己的冷卻，并在適當的溫度下將多余的熱量排入區域供熱網絡。或者，采用FortumVrme公司所提供的冷卻即服務(CaaS)的方式，將數據中心的多余熱量通過回流管道運送到一處生產工廠。在生產工廠，多余的熱量進入大型集中式熱泵的蒸發器側，為區域供熱網絡產生熱量。

在斯德哥爾摩數據工業園區，FortumVrme公司對兩種解決方案都持歡迎態度。為了實現和分享規模經濟，FortumVrme公司已經開發并提出了一項針對數據中心的增強型CaaS產品，預計將達到超過5兆瓦的計算機負載。通過使用較大的機器和串聯的熱泵，可以增加COP，并且，其與通常采用并聯配置的局部熱回收解決方案相比，電力消耗降低。

每處數據工業園區(位于斯德哥爾摩的不同地點)將包含一款專用的冷卻設備，其中大型離心機(而不是渦旋或螺旋式)，冷卻器為整個園區的熱回收提供數據中心冷卻的CaaS。

從數據中心的角度來看，交付的服務是通過與標準冷凍水系統連接的一對分配連接的冷凍水，允許這種冷卻系統提供全方位的設計靈活性。數據中心冷凍水分配系統通過一款熱交換器與CaaS系統接口，在交付側提供 20°C的水，允許 22°C的水進入CRAH單元。熱水返回到CaaS工廠，在那里，其進入到產生能夠68°C的水的熱泵，以便根據供暖需要供給給區供暖系統。

在斯德哥爾摩Kista數據工業園區，冷卻服務的價格(SEK / MWh)隨著負荷而下降，反映了隨著量的增加，熱回收的效益增加。在提供的這一產品中，將免費提供冷凍水冷卻，以10MW以下的制冷負荷換取數據中心的多余熱量。

　　圖3：斯德哥爾摩Kista數據工業園區的價格模型

與使用數據中心自己的電氣系統相比，使用公共連接的供電系統被認為是減少OPEX的一種方法，熱回收系統被認為是減少，并最終消除OPEX以進行冷卻的一種方式。借助這一產品，FortumVrme公司建議每年運行CaaS 8,030小時，可用性為99.7%，允許進行修訂和維護。

該產品同樣類似于電源設置，企業客戶將用低CAPEX冷卻器來補充CaaS以實現冗余，并且在沒有提供CaaS時冷卻數據中心。考慮到估計使用量低，數據 中心運營商可以選擇備用冷卻系統，而對OPEX的關注度最小。備份系統每年所使用的時長不到730小時，鑒于主系統進一步簡化，使得所需的維護也減少了。數據中心的配水基礎設施由兩個系統共享。

　　圖4：使用具有集成備份冷卻系統的CaaS的數據中心的圖示

如果首選采用完全冗余的CaaS解決方案，則可以提供具有兩個單獨Feed的架構，但會影響定價模式。

效率和環境

PUE是衡量數據中心效率的常用度量指標。由于其簡單性，該指標變得越來越流行。但是，PUE這一度量標準也受到了一定的批評，因為它不能全面了解數據中心的效率及其對環境的影響。

　　圖5 ：已100%實現使用可再生能源承諾的ICT公司(Cook，2017)。

無論以何種方式評估斯德哥爾摩數據工業園區熱回收的影響，與競爭的冷卻解決方案相比，其對于環境的影響總是更好的。沒有熱回收的數據中心可以從負面氣候環境影響變為中性氣候環境影響，但不會成為正面的氣候環境影響。

圖6:具有可再生電力和熱回收的冷卻即服務的10兆瓦數據中心負載所排放的凈二氧化碳噸數

結論

隨著現代社會幾乎所有方面及其對能源的不斷增長的需求，我們需要數據中心不僅具有成本效益，而且還必須是更加智能化，能夠可持續地和理想地應對氣候變化和環境。

斯德哥爾摩數據工業園區的計劃有助于逐步淘汰斯德哥爾摩的化石燃料。到2040年，該城市的目標是不再有化石燃料的使用。

加入斯德哥爾摩數據工業園區并采用熱回收，您企業將會對減少全球二氧化碳排放作出重大貢獻。我們為零OPEX的大型數據中心提供定價模式，并幫助您企業實現真正的綠色數據中心——甚至正的凈氣候影響。