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欧洲、中东和非洲等不同地区数据中心应用程序中的自然冷却、蒸发和绝热冷却技术一览

来源:机房360 2016-10-25 10:20:51
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专题
中国制冷学会数据中心冷却工作组官方网站..
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专题
现代科技的发展对IT、电信企业的要求逐步提高,为了满足市场要求和行业竞争,企业必须不断投入人力物力进行硬件加强,随之,研发..
    仅仅几年前,数据中心白空间的标准工作温度约为22°C。但到了今天,正如美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)所证实的,数据中心在服务器前面的运行温度达到24-27°C之间是非常正常的,他们扩展了其数据中心操作温度指南。数据中心的操作环境变得越来越热,而数据中心的管理也随之相应地发展,以便能够结合更多的功率和更高的温度。

    因此,根据ASHRAE指南,数据中心的设计已经普遍接受了其所推荐的更高的操作温度的上限,在某些情况下甚至允许达到30-45°C的范围,使得数据中心的管理人员和制造商们得以能够创造性地开发冷却解决方案。他们最近所推出的最有效的解决方案之一便是绝热和蒸发冷却:一种被带入21世纪的古老技术。

图1、ASHRAE指南

    在欧洲、中东和非洲地区(EMEA)使用自然冷却技术

    传统的冷却方法考虑开放式通道架构,借助回流空气温度以冷却在22-26°C之间的单元,并为数据中心提供10-14°C之间的被视为标准的空气温度。通过使用智能空气分配管理服务器,数据中心设计人员和设施管理人员可以将冷却水温度从标准的7-12°C提高到20-26°C。而通过采用SmartAisle冷通道密封解决方案,服务器所需的精确冷却和空气流量需求得到了满足,因此投资只需要瞄准千瓦级的冷却。

    SmartAisle解决方案提高了空间效率,并为所有的IT设备提供了统一的和可预测的温度,以便直接控制冷通道的温度和湿度。

    结合恰当的制冷机,如Liebert HPC 自然冷却机组或Liebert AFC绝热自然冷却机组,其所带来的益处更大:
• 更小的占地面积,更高的容量
• 由于每年长时间的使用自然冷却,带来了显著的能源节省
• 低噪音操作运行

    在本文中,我们将分别探讨在EMEA地区的主要欧洲城市采用具备和不具备绝热、蒸发技术的自然冷却技术所带来的影响。

    关于绝热和蒸发冷却技术的介绍

    绝热和蒸发冷却如何发挥作用

    绝热/蒸发冷却这一古老的方法可以追溯到罗马帝国时代,绝热/蒸发冷却是通过降低空气温度,以便将空气中的水份蒸发出来的过程。在2000多年前,该系统被用于通过将水喷射到空气中或到地板上,来降低高温房间里的温度,随着水份的蒸发,会对被水份喷射到的区域带来冷却效果。

    今天,绝热/蒸发冷却方案采用了古代系统的原理,同时还具备21世纪在热管理单元领域的新兴技术的优点。

    将绝热冷却应用于自然冷却机组的益处

    今天,我们可以使用古老的绝热冷却的原理,来显著降低数据中心能源消耗账单。可能最有趣的一个应用是其通过加湿进入散热系统(包括冷凝和自然冷却)的空气,带来了自然冷却机组效率的提高。通过湿垫,操作环境的空气得到加湿和降温,而不会产生任何额外的能源成本。这样,空气能够以较低的温度供应给自然冷却和冷凝管,从而分别实现一个相对更高的自然冷却容量和更高效的压缩机的运行。

    借助一款满负荷运行的冷水机组,在采用该系统时,企业客户每年可以预期能够实现以下的节省:
• 较之自然冷却冷水机,节省25-35%
• 较之标准风冷式制冷机,节省60-65%

    在具有系统冗余和部分负载条件的情况下,其所带来的能源节约可以更高。绝热自然冷却机组故而可以提供一个新的效率水平,让数据中心管理人员大大降低管理费用。

    Liebert AFC ——市场上首款一体化绝热自然冷却机组

    由于有了这些智能的应用程序,新一代的数据中心将能够在成本节省,可靠性和冷却可用性方面提供无与伦比的优势。事实上,即使在最恶劣的环境温度峰值环境条件下,将集成的绝热系统设计进入一款单一单元的自然冷却机组也能够保证100%的冷却。在缺水的情况下也是如此,其中备用压缩机将在需要时提供全部容量。这种单元的另一个显著的优点是其能够复现现有的热管理系统或现有的冷冻水型设计,而不需要重新设计整个冷却基础设施。 重点需要注意的是,当与地板安装单元,如Liebert PCW和SmartAisle密封解决方案在一起使用时,Liebert AFC将达到峰值性能,从而实现卓越的自然冷却和节能。到目前为止,最先进的数据中心已经将选址优选地确定在寒冷的气候区域,以便利用寒冷的环境空气,从而增加了自然冷却的使用,进而提高了年度效率。例如,在北欧,通过采用高效的自然冷却系统(例如奥斯陆的冷冻水系统,在20°-15°C水温范围工作)可以实现最佳的机械功率使用效率(pPUE)值,在1.11-1.15的范围内。

    在气候温暖的地区,如地中海地区,传统上对于自然冷却的使用非常有限,压缩机涵盖大多数的冷却负荷。为此,数据中心管理人员通常认为,较之标准风冷式冷却器系统,自然冷却系统的吸引力相对较低;标准风冷式冷却器系统所实现的pPUE值为1.2-1.3。

    然而,最近的趋势是,随着冷冻水温度以及数据中心空气温度的增加,自然冷却变得越来越方便。

图2、绝热冷却允许pPUE值低至1.1,即使是在EMEA以南的国家。

    一款绝热湿垫系统能够将进入自然冷却盘管的空气的温度降低5-10℃(取决于天气条件),从而允许自然冷却在甚至更高的环境温度下操作。

    此外,这是由于相当大的绝热自然冷却容量能力几乎覆盖了全年的负荷,该系统为在部分负载下工作的数据中心提供了更大的好处;只有在数据中心负载和外部环境温度同时出现峰值的情况下,压缩机的冷却备份才被调用:但是这种情况每年所发生的次数非常有限。

图3、Liebert AFC绝热垫

    如果我们分别考虑到欧洲的不同的城市,如伦敦和马德里,如图4所示,显而易见的是,在数据中心满负载情况下,Liebert AFC可以在几乎100%的时间内运行混合模式(绝热自然冷却加备用压缩机)。更令人印象深刻的是,即使在诸如迪拜这样平均环境温度出了名的高的城市,混合模式在50%的时间也是活跃的。

展示了Liebert AFC分别在伦敦、马德里和迪拜的年度运行模式,
1兆瓦满负荷的Tier 4数据中心(冷却机组的负载为50%)—绝热环境温度> 8°C

 
当我们检查使用我们的Liebert AFC解决方案所带来的机械功率的使用效率时,其所带来的益处也是相当显著的。如果我们考虑一套传统的解决方案,包括一款标准的冷冻水地板安装单元和风冷冷却机组(单位效率在市场标准水平),那么,在伦敦获得的pPUE为1.21,在迪拜为1.31。而如果我们考虑相同的数据中心要求,但使用Liebert PCW和Liebert AFC(结合使用26-20℃的设计冷冻水温度和22℃的数据中心空气供应),在伦敦获得的pPUE为1.06,在迪拜为1.18,二者较之使用传统解决方案所获得的pPUE值都明显较低。
事实上,在这些单元中,对于水资源的消耗较之能源节约所实现的成本方面的节约的影响非常低。由于优化的设计和先进的控制逻辑,特别是对于这款新产品的构思,使得这是可能的。通过电子控制预测计算水资源消耗和能源成本之间的平衡,实现与优化运营成本相结合。


不同城市的pPUE值。这些值考虑了由CRAC、泵和不同冷却机组技术组成的冷冻水系统。

    蒸发冷却间接应用于蒸发式自然冷却装置的优点

    Liebert EFC是艾默生网络能源公司的间接蒸发自然冷却单元,其是作为Liebert AFC绝热自然冷却冷水机组的一个互补单元。均使用绝热/蒸发冷却技术,但前者还包括间接空气热交换。该款Liebert EFC 能够利用蒸发冷却的原理,通过加压水来冷却周围的空气,进而降低空气温度。高效的蒸发系统在设备单元内部喷淋水,加上热交换器,来实现冷却,即使在较高的环境空气温度下也不需要机械冷却。

    蒸发原理使用空气吸收高压下喷射出的水。水蒸发因此从空气中带走了热量,并冷却外部空气温度。外部空气因此从干球温度转变到湿球温度(图6展示出了从35℃到20℃的转变)。使用蒸发冷却允许自然冷却操作的最大化,并且将与压缩机相关的冷却减少到最小,从而进一步优化了操作运营成本。

空气湿度图

    为了优化整体系统效率,Liebert EFC单元设计为能够根据外部环境自动改变其操作模式。当外部空气足够冷以供给自然冷却时,设备将以干燥操作模式(冬季操作模式)工作。较高的环境温度和外部湿度决定了设备单元容量和性能,因为蒸发效应与外部以吸收水的空气容量直接相关。当设备单元在温度较高和相对湿度较低的环境(夏季操作模式)下工作运行时,Liebert EFC将自动调整到蒸发模式工作。在具有高湿度的气候中,设备单元可能需要集成直接膨胀(DX)系统或安装冷冻水(CW)盘管(DX / CW操作模式)。

Liebert EFC的操作模式

    在遵守ASHRAE指南的同时,Liebert EFC设备单元不仅可以安装在较冷的气候环境中,而且还可以在较热的环境中使用(如图8所示,在伊斯坦布尔),其中DX操作减少到最小值,并且仅在全年出现的极端温度峰值时使用。这导致即使在满载的情况下(在部分负载时达到最高可能的节省),也能实现电力消耗的显著减少。成本函数是嵌入在软件的逻辑控制中的,优化运行成本(水和电),并且能够根据外部干球和热负荷,选择最便捷的工作模式(即,干湿比)。使用相同的逻辑,成本函数还将优化可选的DX模式的使用。

图8、Liebert®EFC在不同城市的操作模式

    Liebert EFC的主要区别之一是其最先进的iCOMTM控制,其保证了在设备单元和团队水平上的水管理和能量优化。用户友好的iCOM控制从不同单元的关键参数和操作模式(干、湿和DX / CW模式)收集信息,同时考虑到水和电费成本。这允许控制器能够预测性地计算和组合,进而实现运行成本的优化。Liebert EFC还通过其集成的控制逻辑提供了对于数据中心空气的持续控制,确保露点温度低于热交换器表面的温度,从而避免了在极端冬季运行条件下(即温度<-20°C)经常发生的不必要的除湿。当设备单元发生不必要的内部除湿时,会发生这种情况,而这可能导致其超过ASHRAE建议的最低湿度水平。此外,SmartAisle的控制逻辑能够根据特定的服务器需求来优化内部空气量和温度,并允许Liebert EFC精确匹配服务器的空气流量需求,确保哪怕一瓦特的用于移动或冷却空气的能源也不浪费。

    伴随着这些无论是在服务器和热管理技术方面的最先进的技术的发展,今天企业也可以在温暖的气候条件下建立最有效的数据中心了,从而以领先的方式在全球范围内带来能源消耗的大幅减少。

    热管理产品组合

    随着Liebert AFC绝热自然冷却机组和Liebert EFC间接蒸发冷却装置的退出,艾默生网络能源公司得以能够为广大的企业客户提供更好地满足任何数据中心需求的解决方案(即最大限度地提高可用性,降低总体拥有成本,提高效率,降低安装成本,单元模块化或室外空间限制)的独立的应用:
• 直接膨胀制冷系统:从地板安装到机架行单元,能够在高回风温度下工作,适合工作时温度会升高的IT设备;
• 冷冻水系统:高效的冷冻水地板安装设备单元和自然冷却机组,能够在全年实现自然冷却操作的最大化;
• 绝热冷冻水系统:在一款单一的设备单元中结合了绝热,自然冷却和机械冷却技术;
• 间接蒸发自然冷却:在一个操作空间内的间接的空气到空气的热交换和蒸发冷却技术。


    借助iCoMTM控制实现数据中心系统效率最大化

    艾默生网络能源公司热管理解决方案的最后一个显着特点在于创新的iCOMTM控制,其利用了单个设备单元操作以及多个设备单元协同工作的功能(团队合作模式)。该特性对于在数据中心环境中最大化能量效率是非常重要的。 除了在任何热管理设备单元中均可提供团队合作操作模式,在Liebert®AFC和Liebert EFC上,iCOM控制还通过收集来自不同设备单元的关键参数和操作模式的信息,同时考虑水费和电费,来进行能耗和水资源消耗的管理。预测性地计算控制,然后实现优化操作运营成本的组合。

    在考虑到整个数据中心的情况时,包括室内和室外的设备单元,该iCOM控制成为了在数据中心系统在交付效率的关键的驱动因素。软件逻辑被嵌入到控制中,保证了整个系统的完美协调,从而在整个数据中心水平带来了杰出的节能效果。 
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