在數據中心能耗中,IT設備的能耗居首,其次為製冷能耗;以一個PUE=1.5的數據中心為例,電力係統消耗5%～10%,接近25%～35%是製冷能耗。探索低能耗提升效率,優化TCO成本的綠色節能製冷係統方式是本文探索的重點。

1 數據中心製冷係統節能的界定

數據中心製冷係統的綠色節能,由三個主要的指標來界定和評估:最大化製冷效率、最小化能量傳遞能耗和係統成本最優。因此對於數據中心製冷係統節能方式將從兩個維度進行分析評估,即從熱量傳遞途徑橫向進行剖析和製冷係統縱向的比對。通過對製冷係統的分解,可以劃分為四個級別(見圖1):

①從冷卻數據中心的IT設備的芯片級別開始,是設備部件級別的冷卻級,為第一級;

②IT硬件設備散熱到機架,是硬件設備的冷卻級,為第二級;

③若幹設備組成的機架和機架列散熱,是機架和模塊級別的冷卻級,為第三級;

④機房內部熱量被冷卻係統傳導到室外,完成整個製冷冷卻係統的流程,為第四級,主要是縱向的不同類型製冷係統的對比。

這四個級別可以在每個層級進行分析對比,尋找每個級別最佳節能方式。最後，運營管理和能效管控係統是實現這些節能方式發揮效果的重要手段。

2 第一級別製冷係統節能方式:芯片/IT節點設備冷卻

(1) 風冷散熱片

風冷散熱片是最常見的散熱器件,一般是導熱性能比較好的鋁或銅等材料,加工成散熱翅片以增加散熱麵積和效率,通過特殊的介質(通常是導熱矽脂)緊貼住發熱量很大的芯片,然後再在散熱片上固定一個風扇來增加流速,提升換熱能力,更快帶走熱量,從而達到對芯片散熱的目的。提升風冷散熱的途徑是提高散熱麵積、提高換熱係數、提升輻射散熱效率、使用散熱效率更佳的材料、粘合充分接觸保證降低傳導熱阻等,風冷散熱片如圖2所示。

風冷散熱片的優點是簡單實用,且價格低廉。其缺點:

①冷卻效率不高,不能完全將CPU發熱量散發出去,僅依靠傳導和對流容易達到風冷散熱器導熱極限;

②隨著風扇的功率和轉速的增大,噪聲也隨之增大;

③由於風扇是運動部件,較易損壞,對可靠性有一定影響。

(2) 熱管散熱器(見圖3)

熱管散熱器對比常規的風冷散熱片有所改變,在最貼近CPU部分使用高效的熱管替代常規金屬基座。熱管是通過封閉的金屬腔體和毛細吸熱芯,充分利用了換熱工質在熱端蒸發後,在冷端冷凝相變(即利用液體的蒸發潛熱和凝結潛熱)和熱傳導原理,使熱量快速傳導透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導熱能力高於同等質量金屬達到數量級的級別,而且平板型熱管的熱溫度場均勻,局部換熱量大,成為更佳的散熱解決方案,當然成本有所增加。

(3) 液冷

液體冷卻通常采用特種或特殊處理液體直接或近距離間接換熱冷卻芯片或者IT整體設備。液體冷卻分間接液冷和直接液冷。

間接液冷實質是冷媒與發熱元件被導熱材料分離,不直接接觸,而是通過液冷板、液冷頭等高效熱傳導部件,將被冷卻對象的熱量傳遞到冷媒中,冷媒再通過製冷係統實現冷媒的循環和降溫。

采用間接冷卻的液冷散熱係統,對IT設備沒有明顯改動,僅需將原風冷散熱片替換為液冷散熱片,成為冷媒換熱係統。常規情況下,芯片工作溫度為20～60℃區間,可以使用無相變的水(離子水+銅緩蝕劑)或者水氟轉換係統進行換熱,通過外部冷卻水或冷凍水係統實現係統換熱。該係統重點在於選擇合適的冷媒,並且設計複雜的冷媒管路到達每個機架,為每個IT設備設計無滴漏的快速接頭,保證液冷係統支持熱插拔,實現維護時不中斷整個係統,並避免換熱介質流出。流體直通式間接冷卻如圖4所示。數據中心中較多的循環管路,成了故障維護和水力平衡的難題。

直接冷卻是采用密閉的氟化液等礦物質直接浸泡冷卻IT設備的芯片、內存等發熱部件,形成密封的一級散熱循環係統,而二級循環係統可以采用自然風冷或者冷卻水係統進行冷卻。對比間接製冷係統,直接冷卻對發熱元器件冷卻的均勻度更好,冷卻液溫度可以更高,尤其是選擇一定溫度下相變的液體,局部散熱能力強,散熱效果更好;比如對於60℃的芯片,可以采用50℃冷卻水或冷卻蒸發溫度在55～60℃的冷媒流體,因此,即使夏季45℃高溫天氣,也可以實現直接新風冷卻或者冷卻塔,從而數據中心實現全年自然冷卻,降低能耗,這對於全球溫帶和熱帶區域實現製冷係統的高效帶來了突破,是有競爭力的製冷方案。整體浸泡式液冷直接冷卻如圖5所示。

但是液體冷卻麵臨較多挑戰:

①目前液冷更適合於高功率密度和全新的服務器架構設計,無法兼容目前主流的風冷的服務器架構和數據中心設計,改造難度大。

②因規模和應用範圍的限製,尤其是部分IT設備部件材料在直接冷卻液體中的兼容性和化學穩定特性需要長期測試驗證,液體冷卻的成本較高。

③係統設計有待項目驗證和優化,如對於每個IT設備液冷需要大量的管路優化設計和水力平衡及流量控製、冷媒冷卻溫度的控製和二級循環冷卻管路的匹配聯動控製等。

④IT設備的維護更換需要液冷支持快速插拔無滲漏的更換,供電電纜和傳輸的光纜連接器等有源部件的密封和散熱都需要優化設計。

在這一級別的換熱環節中,不論散熱片還是熱管均需要IT設備級別的風扇強製對流換熱,二者的區別無非是使用換熱效率和溫度場均勻度方麵存在差異,風冷散熱片的散熱極限一般為40W/cm2。

利用腔體內的沸騰或者熱管配合風冷強製換熱,常規做到100W/cm2,利用IC工藝製成的多根微型熱管陣列的水冷泵循環,其冷卻功率可達200W/cm2,而當水的流量為10cm3/s,水的溫升為71℃時,冷卻熱流高達790W/cm2,是目前散熱能力最大的水冷裝置。

3 第二級別製冷節能方式:IT設備機架散熱

這一級別的換熱是IT機架與數據中心區域環境的熱交換,可以將換熱方式劃分為兩種模式:一種是直接風冷換熱或風冷結合某種高效液冷換熱單元部分進行接力傳遞換熱;另一種是直接浸泡換熱。

(1)機架的風冷換熱

機架的風冷換熱的核心是在實現IT設備正常工作的均勻溫度場基礎上,實現溫差和風量的匹配均衡,其節能實現的途徑主要為兩種:第一種是在保證IT設備正常工作溫度基礎上,盡量提升送風溫度,保證合適的風量,降低上一級換熱係統的能耗,實現係統的節能,是主要的節能方式;另一種是大溫差減少送風量對應減少風機能耗的節能方式,調風量降低風機能耗主要是使用直流或者變頻風機根據IT設備工作情況進行自動調節,但是對於數據中心整個製冷環節,1台250W的服務器常規配置兩個12～15W的風扇,風機能耗占比為5%左右,即使可以采用變頻或者直流風機對比定頻風機實現10%～20%的節能,但是整體節能空間僅(10%～20%)×5%=0.5%～1%,節能空間有限。

(2)IT機架氣流組織的改善

IT機架可以在滿足運營安全的情況下,去除機櫃前後櫃門改善氣流組織。目前機架常規的櫃門開孔率在40%～70%,去除櫃門,可以有效降低送風和回風阻力。

更有效的氣流組織改善方式是IT設備機架的進行盲板密封,可以將IT機架前後進出風空間有效密封,避免服務器吸入熱通道回流熱風而導致的局部過熱,增加IT設備的能耗,另外,這一措施為提升整體送風溫度做準備。

筆者在某運營的數據中心中,對比測試機架密封與不密封情況;在風冷空調送風13～14℃時,IT機架密封時正麵進風溫度場比較均勻,穩定在14～15℃;而當機架沒有盲板密封情況下,因機架熱回風容易短路回流,整個機架溫度場會提升到20～22℃,服務器風溫度提升到30℃,出現局部區域過熱的趨勢。圖6和圖7分別是IT機架在密狀態下和有漏風無盲板密封狀態下的溫度分布圖。

(3) IT機架局部高效換熱

IT設備機架散熱效率提升,主要采用各種近距離高效換熱設備,如無風扇背板換熱器和熱管換熱器、有源的定點風機盤管(置頂/機架架空地板下均可)、列間空調、冰箱式內部風機盤管等;因應用場合和對於水進入機房的考慮不同,循環工質可以選擇水或者氟利昂等介質。

近距離製冷單元(見圖8)對比遠距離的老王探花等,有兩個亮點:一是機櫃級別的換熱循環,循環路徑僅為機櫃的深度或者高度,可以減少循環路徑中的漏風或者短路影響,即減少循環風機的能耗,風機能耗同比降低10%～20%。但因為風機能耗在整體能耗所占比例低,節能空間有限。二是直接最短距離與IT設備機架的熱回風直接換熱(IT設備熱回收常規在30～40℃),可以將循環換熱供回水溫度提升到17℃/22℃,對比常規數據中心製冷係統設計的循環供回水溫度(如10℃/15℃)提升了7℃,節能環節可以轉移在外部製冷循環上。有的文獻對各種空調係統的能耗係數做了比較,指出機房級別的風冷空調能耗最高,其次為高溫冷凍水空調,再次是機架級別的列間空調和水冷背板係統,最優為芯片級別,其能耗最低。所以,減少製冷環節中的損耗、更有效的冷卻換熱設備、更短途徑的冷卻發熱設備,能實現更低的能耗。

4 第三級別製冷節能方式:機架列-模塊房間節能

在機架列到數據中心機房的節能,主要是通過房間和區域的氣流組織優化,提升老王探花的利用效率,對於IT設備發熱源進行相對精確的冷量匹配,溫度場調優,實現最大化利用冷風冷卻IT設備,實現節能。節能方式有冷熱通道進行分離,再增加送風地板或回風吊頂,有組織的進行氣流組織引導,有效減少同等散熱量情況下的風量和壓頭損失,從而降低風機能耗;再次將冷通道或者熱通道進行密閉,從而保證送風溫度場的均勻,避免局部熱點,目的是提升送風溫度對應提高製冷係統的蒸發溫度從而實現製冷係統壓縮機功耗的降低,最終在第四級別的製冷係統級實現整體節能。圖9為典型冷通道密封情況下熱成像剖麵圖,下部為地板風口,上部為通道門,兩側為服務器進風口。

5 結束語

降低數據中心的製冷能耗,是優化PUE的重要手段。探索低能耗、提升效率,優化TCO成本,構築綠色節能的製冷係統將成為建設綠色數據中心的重點。

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