揭示數(shù)據(jù)中心冷卻的隱性成本-機(jī)房精密空調(diào)制冷

行業(yè)專家表示，環(huán)境法規(guī)正在增加互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)冷卻方法的成本。那么數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商如何降低運(yùn)營成本，并獲得綠色資質(zhì)認(rèn)證?

數(shù)據(jù)中心部門需要加強(qiáng)教育，了解不同冷卻方案及其對運(yùn)營支出(OPEX)、能源效率和環(huán)境的影響。許多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商對直接膨脹(DX)空氣制冷系統(tǒng)或冷凍水制冷系統(tǒng)十分熟悉，但需要更深入地了解可以幫助數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的新方法。

隨著混合冷卻等新技術(shù)的出現(xiàn)，冷卻技術(shù)正在加快發(fā)展，這種新技術(shù)有可能顯著降低能源消耗和數(shù)據(jù)中心的環(huán)境影響。由于冷卻系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心使用能源的40%，是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商最大的支出之一，因此需要了解各種冷卻技術(shù)的隱藏成本及其比較方式。

直接膨脹(DX)冷卻

在過去的15到20年間，直接膨脹(DX)冷卻技術(shù)已經(jīng)成為市場主導(dǎo)的冷卻解決方案，直到最近，還被認(rèn)為是廉價且易于安裝的事實(shí)。直接膨脹(DX)冷卻裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如良好的冷卻水平和較低的占地面積。由于這些系統(tǒng)基于間接冷卻技術(shù)，因此也沒有將污染物從外部帶到數(shù)據(jù)中心的危險(xiǎn)。

然而，從制冷劑成本的角度來看，直接膨脹(DX)冷卻系統(tǒng)從能效角度來看并不那么令人滿意，直接膨脹(DX)冷卻系統(tǒng)也有很大的不穩(wěn)定性，這意味著這些冷卻設(shè)施不再是低成本的選擇。

水冷卻

近年來，隨著數(shù)據(jù)中心的容量穩(wěn)步增加，冷凍水系統(tǒng)也開始嶄露頭角。然而，混合冷卻解決方案的優(yōu)點(diǎn)是每單位制冷劑的加注量較低，盡管這些混合解決方案使用與冷卻器類似的工藝操作。例如，一些大規(guī)模的混合冷卻解決方案，每個制冷回路使用7.6千克制冷劑(雙回路)。

一個等效的傳統(tǒng)冷水機(jī)系統(tǒng)能夠以1：1的比例使用大約40%的制冷劑。在大型恒溫恒濕空調(diào)制冷系統(tǒng)上，同樣重要的是要注意，如果冷卻器出現(xiàn)故障，則會有更大的風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致大量制冷劑流失。使用混合冷卻系統(tǒng)并采用多個設(shè)施制冷，而大量損失制冷劑的風(fēng)險(xiǎn)將顯著降低。

混合冷卻

混合冷卻結(jié)合了直接膨脹(DX)冷卻系統(tǒng)的可靠性和控制性的優(yōu)點(diǎn)，以及自然冷卻系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。在溫暖的月份，當(dāng)外部環(huán)境溫度高于20°C時，混合冷卻系統(tǒng)可以作為水冷直接膨脹(DX)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行，其中制冷壓縮機(jī)通過板式熱交換(PHX)冷凝器將熱量排放到冷卻水回路中。水被泵送到鼓風(fēng)冷卻器中冷卻，熱量被排放到空氣中。

在較冷的月份，低于20°C的外部環(huán)境溫度，某些系統(tǒng)控制室會自動切換到部分自然冷卻模式。在這種模式下，冷卻水被引導(dǎo)通過兩個比例控制閥，并使自然冷卻和水冷直接膨脹(DX)冷卻系統(tǒng)一起工作，使用冷卻器風(fēng)扇將水冷卻到所需的水平，以達(dá)到所需的冷卻能力。

在冬季，根據(jù)水溫或熱負(fù)荷需求，冷卻水可以在“自然冷卻模式”下使用。在此模式下，冷卻水只通過自然冷卻盤管進(jìn)行冷卻，無需機(jī)械制冷(通常低于設(shè)定值3°C)。

由于該技術(shù)還使用間接冷卻技術(shù)，因此不存在將污染物從外部引入數(shù)據(jù)中心的風(fēng)險(xiǎn)。

混合模式冷卻

混合冷卻模式是自然冷卻和直接膨脹(DX)冷卻之間的組合。這意味著外部的環(huán)境空氣足夠冷，可以預(yù)先冷卻提供給混合體冷卻裝置的水，但不足以將其溫度完全降低到所需參數(shù)(通常比內(nèi)部設(shè)定值低3℃～6℃，這取決于系統(tǒng)效率。)這個“最佳平衡點(diǎn)”需要機(jī)械制冷設(shè)施作為“補(bǔ)充”，以滿足數(shù)據(jù)中心負(fù)荷的制冷需求。混合模式冷卻通常占系統(tǒng)潛在運(yùn)行模式的50%～68%。

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商可以通過提高回風(fēng)溫度來擴(kuò)展其混合冷卻設(shè)備的自然冷卻和混合冷卻模式的潛力。如果將回風(fēng)溫度從24℃提高到27℃，每年可節(jié)省40%的額外成本。

與傳統(tǒng)的直接膨脹(DX)冷卻系統(tǒng)相比，這種混合冷卻方法大大降低了功耗，使數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)巨大的成本節(jié)約。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商也開始仔細(xì)審查投資回報(bào)，這也是混合冷卻方法可以帶來顯著效益的地方。其回報(bào)取決于冷卻系統(tǒng)的大小和位置，但投資回報(bào)可能非常快，中型數(shù)據(jù)中心(約500kW)約為3～4年。然而，規(guī)模較大的混合冷卻系統(tǒng)提供最快的投資回收期。

制冷劑的隱性成本

混合冷卻系統(tǒng)的初始資本性支出(CAPEX)高于傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)(CRAC)單元。但在計(jì)算總體擁有成本和運(yùn)營支出時，還有其他因素需要考慮。作為歐盟能源戰(zhàn)略的一部分，到2030年，需要將氟化溫室氣體(F氣體)減少60%。

最新法規(guī)于2015年生效，這意味著制冷劑的可用性和成本將受到2020年修訂目標(biāo)的嚴(yán)重影響，預(yù)計(jì)制冷劑成本將進(jìn)一步上升。由于制冷劑價格非常昂貴，這可能會對冷卻技術(shù)的總體擁有成本產(chǎn)生重大影響。

例如，2017年8月，R407c和R410a制冷劑的平均購買價格分別為每公斤14.78英鎊和29.78英鎊。到2018年7月底，R407c和R410a的平均購買價格分別上漲至每公斤50.66英鎊和58.59英鎊，不久之后又進(jìn)一步上漲。如果看一下50m(等效長度)和80kW的總散熱能力，制冷劑的成本相當(dāng)于每個冷卻系統(tǒng)的成本從1,800英鎊上升到將近3,600英鎊，僅在一年內(nèi)就增加了98% 。

然而，不僅僅是制冷劑的隱性成本給數(shù)據(jù)中心帶來了潛在的負(fù)擔(dān)。未來，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營公司和員工的認(rèn)證將會加強(qiáng)，并且需要保持記錄。而這些記錄需要保存至少五年，并且必須包括使用的F氣體的類型、數(shù)量以及在移除時如何回收。因此，當(dāng)今考慮使用可持續(xù)解決方案并盡可能減少制冷劑的使用非常重要。

混合冷卻解決方案需要的制冷劑數(shù)量顯著減少，在這種制冷劑價格飆升的背景下，這是一個顯著的優(yōu)勢。

制冷劑泄漏：法律要求

重要的是要注意，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營人員將在未來負(fù)責(zé)防止制冷劑從其設(shè)備中泄漏，而安裝、維護(hù)或處置設(shè)備的承包商應(yīng)承擔(dān)此責(zé)任。

但是，對于含有F氣體的設(shè)備，超過一定的閾值，需要以特定的間隔檢查冷卻設(shè)備的泄漏情況。簡而言之，這意味著其維護(hù)不再是反應(yīng)性響應(yīng)，而是法律要求。這些檢查必須構(gòu)成預(yù)防性維護(hù)策略的一部分。

采用全球變暖潛能值更低的制冷劑

人們對具有更低全球變暖潛能值(GWP)的新型制冷劑的潛力非常感興趣。目前正在由數(shù)據(jù)中心冷卻行業(yè)審查的新型“超級制冷劑”是R1234ze和R1234yf。不幸的是，全球升溫潛能值較低制冷劑CRAC DX解決方案的開發(fā)進(jìn)展緩慢，未來還需要考慮折衷方案。

全球升溫潛能值制較低的制冷劑的初始成本可能會更高，但其可燃性也需要仔細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)評估。丁烷是一種很好的制冷劑，但是其性質(zhì)非常危險(xiǎn)。新型制冷劑將面臨類似的問題，并將受到越來越嚴(yán)格的審查。與使用包含多個小型裝置的混合冷卻系統(tǒng)相比，使用200千克制冷劑的大型單臺冷卻器存在更大的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，每個小型制冷裝置使用18千克制冷劑。隨著有關(guān)制冷劑的法規(guī)繼續(xù)得到加強(qiáng)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商將會越來越意識到這一問題的嚴(yán)重性。

可持續(xù)發(fā)展的未來

下一代數(shù)據(jù)(NGD)和其他高端數(shù)據(jù)中心現(xiàn)在采用混合冷卻技術(shù)，數(shù)據(jù)中心管理人員發(fā)現(xiàn)可以節(jié)省成本，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，并確保高水平的彈性。隨著制冷劑成本的持續(xù)上升，傳統(tǒng)制冷技術(shù)的運(yùn)營成本將越來越高。在未來，混合冷卻技術(shù)可以幫助降低與制冷劑相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，同時利用可持續(xù)的自然冷卻方法。