分布式间接蒸发冷却技术

2020-11-22 来源:北京百度网讯科技有限公司 李代程

间接蒸发冷却是一项高效、简单的数据中心冷却系统,通过完善系统及产品设计,可充分发挥其技术优势,是新时代数据中心基础设施方案的最佳选择之一。

一、技术背景

随着互联网、云计算、大数据、AI等新兴技术的快速发展,数据中心的规模和功率密度呈现快速上涨的趋势,对数据中心的建设提出了更高的要求。新时代下,数据中心的能效水平将会被更加重视;同时,如何快速、高效、弹性地建设数据中心,以满足新兴业务对数据中心的多样化需求。空调系统是数据中心的关键系统,其能耗占比较大。以一个PUE1.5的数据中心为例,空调系统的能耗占到数据中心总能耗的30%左右,在非IT设备能耗中占据绝大部分比例。因此,提高空调系统的能效水平是降低数据中心能耗的最直接有效的措施。

回顾数据中心的发展,在数据中心刚刚兴起时,几乎全部采用直膨式精密空调。而后随着数据中心规模越来越大,对能效要求也越来越高,高能效集中式冷冻水系统得到大规模应用。目前,国内大型数据中心90%以上均采用冷冻水系统,通过提高冷冻水温、采用新型空调末端及变频技术等手段,建设水平较好的数据中心可以将PUE控制在1.3以内。冷冻水系统运行原理如图1所示。

1 冷冻水系统运行原理

集中式冷冻水系统虽然得到了非常广泛的应用,但也存在一定的局限。

1系统复杂

整个冷却系统由数十种主设备、数千米冷冻水管路、上千个阀门传感器组成,这将导致现场施工复杂,对实施能力、项目管理、招标采购、测试验收等均提出了很高的要求,现场施工质量很难保证。冷冻水系统现场布置如图2所示。

2 冷冻水系统现场布置

2交付速度慢

由于系统复杂度高,上下游关联性强,依赖现场施工,建设周期长,无法满足新时代数据中心快速建设、灵活部署的需求。

3)运营调优难

国内大型数据中心的年均PUE1.51.8,需要科学精细的运营调优才能将PUE控制在1.3以下,大部分用户难以实现,且系统难以实现自动化运行,对运维人员的依赖性较强。

目前,一种新型的间接蒸发冷却系统(Indirect Evaporative CoolingIDEC)可能彻底颠覆集中式冷冻水空调系统。IDEC是一种简单、高效的数据中心冷却方案,其技术特点可完美匹配当前数据中心的建设、运维需求,将得到越来越多数据中心行业专家的认可。

二、技术分析

1.系统构成

IDEC机组由箱体、室内风机、室外风机、空空换热器、喷淋水泵、直接膨胀式(Direct eXpansionDX)制冷系统、电控系统组成。IDEC利用蒸发冷却技术原理,间接蒸发冷却运行原理如图3所示,通过空空换热器实现室内空气与室外空气的不接触换热。机组一般有3 种工作模式。

1干模式

当室外环境温度较低时,仅依靠空空换热器即可完成冷却。

2)喷淋模式

当室外环境温度升高但湿球温度较低时,开启喷淋系统,利用水蒸发带走热量完成冷却。

3混合模式

当室外环境湿球温度较高时,需要同时开启喷淋系统及DX制冷系统完成冷却。在3种运行模式下,均可以实现全部或者部分的自然冷却,以达到降低能耗的效果。

2.系统对比

以一个中型数据中心为例,采用集中式冷冻水系统配置见表1,采用间接蒸发冷却系统配置见表2

1 采用集中式冷冻水系统配置

2 采用间接蒸发冷却系统配置

集中式冷冻水系统是一套非常复杂的系统,包括冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器、蓄冷罐、空调末端等主设备以及复杂的阀门管路系统、水处理设备、补水设备等配套设备。而间接蒸发冷却系统仅需要一种主设备和少量配套设备就可以完成冷却过程。相较于冷冻水系统,间接蒸发冷却系统可减少80%的主要设备、95%的阀门管路及60%的监控点位,大大降低了系统复杂度。冷冻水系统换热示意如图4 所示,集中式冷冻水系统需要经过34次换热,才能将数据中心的热量散发到大气中,自然冷却温差(环境湿球温度-机房送风温度)一般为9℃14℃IDEC系统换热示意如图5所示,而IDEC系统则是一种简单、高效的系统,仅需要通过一次换热,就可以完成数据中心与室外大气的热交换,自然冷却温差一般可控制在7℃以下,更小的温差意味着IDEC可以在较长时间内利用自然冷源。

4 冷冻水系统换热示意

5 IDEC 系统换热示意

3.技术优势

通过以上对比,我们来深入分析IDEC方案的技术优势。

1快速部署

IDEC是一种高度预制化的产品,冷却系统设备数量及工程量大幅度减少,工厂内预制生产,现场仅需要简单的吊装、拼接、接电、接水、接风管即可完成交付,数据中心设计、招标采购、供货安装、综合测试等环节的效率大幅提升,冷却系统建设效率可提升80% 以上。

2)节能节水

在我国绝大部分地区,间接蒸发冷却与冷冻水系统相比,自然冷却时长可延长10002000h,比冷冻水系统节能20%50%(因气象参数及运行工况有所差异)。IDEC机组在环境温度较低时,采用干式冷却的运行模式,全年节水率达到50%70%,非常适合应用在水资源紧张的地区。

3)更低成本

因为IDEC DX 系统一般无须满配置,其全年的峰值PUE 比冷冻水系统更低,在相同的市电引入容量下,分配给服务器的电量提升20%40%,数据中心IT 的建设成本将大幅降低。

4)运行安全

IDEC为分布式的系统,设备故障仅会影响对应区域,冷却系统无大面积集中故障的风险,可靠性极大提升。由于IDEC的换热原理是室内空气与室外空气不接触换热,室外空气不会进入机房,室外空气质量不会对机房内的设备造成影响。IDEC为主动送风方案,与为了追求高能效的冷冻水近端空调末端相比,无水浸服务器的风险。

5)简化运维

在数据中心运行阶段,IDEC 机组设定好相关参数后,可以根据室外环境的变化,自动调节运行模式,实现完全自动化运行,可大幅提高运维效率。日常运维仅需要对过滤网进行清洗,无其他复杂运维调优工作,对运维人员的专业素质要求也大大降低,有利于节省运维成本。

摘自 《新基建 数据中心创新之路》