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          通過提升送回風溫度來降低數據中心的能耗

          來源:機房360 作者: 更新時間:2020/4/16 16:45:52

          摘要:  本文旨在幫助人們了解數據中心的高回風溫度設計的必要性,這有助于提高數據中心的冷卻方案效率。此外,本文還闡述了提高回風溫度所造成的影響、以及如何設計最佳的熱管理解決方案。

            自從新標準對服務器機柜的進風工作溫度范圍重新定義之后,數據中心溫度管理策略發生了巨大變化,機架或冷通道的進風溫度范圍擴展到18°C ~27°C,濕度范圍擴展到8%-80%。通過提高運行溫度,能夠提高機房服務器的負載密度。

            在相同的負載條件下,提高運行溫度也能夠大幅削減能源消耗。通過提高機房空調的進風溫度,從而使室外低溫制冷有更多時間進入數據中心,是實現現代化“綠色”數據中心的關鍵要素之一。

            本文旨在幫助人們了解數據中心的高回風溫度設計的必要性,這有助于提高數據中心的冷卻方案效率。此外,本文還闡述了提高回風溫度所造成的影響、以及如何設計最佳的熱管理解決方案。

            回風溫度指數(RTI)[1]

            如何分析每個服務器機架應接收多少冷空氣才能成功消除數據中心或服務器機房中產生的熱量。下列指標利用流體動力學分析中的常規原理來確定數據中心中氣流循環的溫度性能。

            回風溫度指數(RTI)表示從冷卻機組到機架等設備的輸出氣流速度。同時,回風溫度指數(RTI)還能顯示是否存在氣流再循環或氣流短路現象。


            如果回風溫度指數大于100%,則表示存在氣流再循環現象;如果回風溫度指數小于100%,則表示存在氣流短路現象。因此,該指數的理想百分比為100%。

            理想情況下,優化后的數據中心的回風溫度指數(RTI)度量值為100%。然而,這是理論上的。在實際應用中,總會存在一些氣流短路和氣流再循環現象。關鍵是要盡量減少這些現象,從而提高數據中心空氣處理系統的效率。

            圖1. 冷卻與循環


            高精度傳感器及智能化軟件的綜合使用功能可以準確測量計算數據中心的回風溫度指數(RTI)、電能使用效率(PUE),識別現有的過冷、過熱點及有待改進的機架。

            數據中心效率衡量指標(PUE)[2]

            電能使用效率(PUE)是指數據中心輸入功率與IT負載功率之比。確定數據中心基礎設施效率是有效能源管理計劃的一部分,其益處已得到廣泛認可。


            IT基礎設施管理者的主要目的是降低基礎設施耗電,例如通過減少電力損耗、采用無源基礎設施和降低冷卻功耗(尤為重要,冷卻功耗占數據中心耗電量35%~40%);同時最大限度的提高IT負載率。冷卻功耗降低設計還有一個后續措施,即提高機房的溫度。我們將在下一節詳細討論。

            預計回風溫度每上升1°C,數據中心可以節省4%至5%的能源成本。設置較高的溫度意味著:自然冷切換工作溫度點越高,自然冷時間越長。室外溫度由15°C提升到20°C,北京自然冷利用時間增加21.6%,廣州增加90%。如果提高到30°C為切換點,北京/上海/廣州/深圳城市所跨越的緯度區基本接近90%的時間都可以利用自然冷。

            ASHRAE的溫度標準指南[3]

            ASHRAE推薦的溫度范圍18°C~27°C,并將A1等級溫度提升至32°C是為了支持節能等新技術而創建的。

            下表1總結了ASHRAE推薦的溫度范圍和級別。


            中國的溫度標準指南[4]

            《GB50174-2017 數據中心設計規范》中,對主機房和輔助區內的溫度,露點溫度和相對濕度進行定義,考慮到節能的趨勢,以冷通道或機柜進風區域的溫度為測量認證標準,而且大幅提升到27°C,所以在滿足節能,安全應用基礎上,按下表2進行:

            表2:各級數據中心環境技術要求


            數據中心溫度管理

            業務的不斷變化,新政策的推動,正在讓數據中心管理者思考如何快速的提高效率,降低數據中心龐大的電量指標。我們將討論一下關于提升機房回風溫度的三個最有爭議的問題。

            (1)提升回風溫度與保持冷/熱通道布置

            現代服務器比以前的密度更大。這意味著服務器的ΔT(出口-進口)更大。在這種情況下,采用高回風溫度是一件很自然的現象。

            IT設備的布置(如冷通道或熱通道布置)是一般數據中心遵循的最佳實踐之一。此配置將IT設備的進氣口置于冷通道上(送風側),并將熱空氣排放至熱通道(回風側)。目前,很多實踐中都允許冷通道溫度為24°C,熱通道的溫度基本上都會更高。

            制冷裝置的回風溫度越高,能夠使冷卻盤管之間的熱交換越好,冷卻能力越大,整體效率越高,這幾乎對所有的空調設備都有效。一些設備能夠處理的最高回風溫度可能有限(定頻機組<28°C),但一般來說,通過提高回風溫度,能夠提高所有冷卻系統的容量。

            在這種情況下,機房空調機組的回風溫度較高,這有助于在相同的壓縮機電機功耗條件下提高機組的容量。從而提高效率,并為降低PUE增加價值。

            (2)提高機組進風溫度會使可靠性和設備維護復雜化

            提高數據中心溫度是提高效率的一部分內容。溫度提升必須遵循氣流管理的最佳實踐:使用密封性能好的通道(RTI≈100%)或消除活動地板下的電纜障礙物,并實施某種形式的氣流遏制,這些措施將有效地減少冷熱空氣的混合。

            數據中心采用40°C環境溫度是一種極端情況,通過鼓勵部分數據中心運營商進行深思熟慮的討論和批判性研究。研究之后,他們可以將機柜進風溫度從20°C提升到24°C,這些變化都可以顯著降低Pue,而不影響其可用性或設備保養。

            (3)如果數據中心回風溫度提高,是否會導致數據中心的維護人員和訪客的工作環境不舒適并非所有的數據中心都具有龐大的訪客量。一些高性能/超級計算應用程序在無人值守的環境中運行,并包括一組同類硬件,這些應用非常適合較高的溫度設定值。

            除了讓工作人員感到舒適,IT設備的可靠運行也很重要。標準建議將服務器進風溫度設定在18°C~27°C之間。通道隔離之后,非控制區的溫度可以遠遠高于27°C;如果是高密度IT設備,非控制區的溫度可以遠遠高于38°C。在GB50736中,考慮到節能與舒適性感覺,長期逗留區域空氣計算參數在夏季Ⅱ級熱舒適下,溫度范圍27~28°C,相對濕度40~70%。[5]

            所以,人們的期望值需要調整,這樣他們才能理解較高的溫度是“正常”的,節能的。這種變革需要平衡實際的節能需求與較少時間下人員舒適感的關系。

            傳統冷卻技術的局限性

            機房精密空調采用渦旋壓縮技術已有30多年的歷史,傳統普通渦旋技術的主要挑戰是在高回風(> 28°C)應用場景中,當回風溫度達到設定值時,空調頻繁啟停機,且無法長期運行恒溫環境,導致無冷空氣或冷卻不足,回風熱空氣會短路送入冷通道機柜進風側,超過27°C。

            隨著“新型變頻壓縮機”等現代技術的出現,壓縮機的蒸發溫度提升,密封渦旋電機電樞加強,導致回風溫度大大升高,這是數據中心行業更高效設計的進步。

            最新節能趨勢:使用高回風溫度的送風控制邏輯

            回風控制策略是否有效需格外關注的兩個重要因素:①整個機組入口(回風)區域的溫度變化率最小;②從每個機組送入的空氣在冷卻后返回該機組,形成一個封閉的循環回路。

            然而,在所有數據中心中,除了最小和最簡單的數據中心外,上述兩種情況都不太可能完美存在。即使往最好里說,這也會導致冷卻系統效率低下。最壞的情況是,它會導致冷卻系統發生熱點或停機。

            目前數據中心中存在一些常見的因素,如更高的負載密度、負載分布不均勻等,這些因素也導致了更高的溫度差。

            送風溫度邏輯被應用于溫度控制機制中,智能控制器也在熱管理系統中發揮著非常重要的作用。冷卻能力取決于風量與ΔT,在IT設備的各種負載中,各個服務器都會產生自身動態的風量和溫差。在這種情況下,設置恒定的回風溫度并不理想。智能控制器有助于實現冷卻能力的動態變化,并保持恒定的壓力,從而實現均勻冷卻、高效節能。蒸發溫度范圍越大會導致性能更好,但也會讓運行區域變得越復雜。

            充分利用變頻壓縮機技術的高蒸發溫度區域,機組運行時同時監控系統低壓和壓縮機轉速,依照動態低壓控制邏輯,實現負載變化范圍更廣,壓縮機運行更安全,壓縮機運行更高效。

            圖2 蒸發溫度范圍越大會導致性能更好,但也會讓運行區域變得越復雜。


            回風溫度每提高一度,冷卻能力將提高4%到5%。在RTI接近100%下,通過以上圖2變頻高效運行范圍可知,建議回風溫度設定在33°C~40°C之間,房間級冷卻設備送風溫度保持在21°C~25°C,列間級冷卻在22°C~27°C(前提是采用了正確、高效的變頻技術精密空調)。

            表3:滿足設置送風溫度范圍內的環境參數


            結論

            基于現場需求,下一代數據中心采用的兩個最佳新興趨勢是較高的回風溫度和送風控制邏輯。

            雖然這兩個趨勢倡議正在取得進展,用戶可以集中精力尋找他們的“最佳平衡點”--設置符合業務需求并且能夠提高能效的理想溫度值。需要主動測量和分析才能找到“最佳平衡點”,才能夠帶來降低PUE的最佳實踐。

            本文作者:


            Re-editor:Oliver Yu(Vertiv GC)

            Professional Product Manager

            original from Dey, Rahul (Vertiv APAC)

            【參考文獻】

            [1] MK Herrlin. [Improved data center energy efficiency and thermal performance by advanced airflow analysis].International Digital Power Forum,2007;10-11

            [2] GREEN GRID. [PUE: A COMPREHENSIVE EXAMINATION OF THE METRIC]. 2014

            [3] ASHRAE Technical Committee 9.9,2015;14-15

            [4] GB50174-2017 數據中心設計規范

            [5] GB 50736-2012 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范

            (全文完)

            責任編輯:張華

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