赤峰華為精密空調
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數據中心冷凍站模塊化建設模式探討
隨著網絡演進和數據業務的快速發展,數據中心向各行各業不斷擴展,國內數據中心建設如火如荼,大型數據中心屢見不鮮。云計算的應用推廣,業務系統不斷升級,IT需求也相應增長,要求數據中心的設計必須能夠適應不斷變化的IT和業務要求,同時能夠持續提高效率,優化運營成本。模塊化建設具有根據業務按需擴展、在提高數據中心使用率的同時降低能耗、交付迅速、分散投資風險等特點,符合IT產業發展趨勢,逐漸成為數據中心建設的發展方向。當前節能性能較好的集中空調系統成為大型數據中心空調系統的首選形式,冷凍站做為空調冷源設備的安裝場所,是數據中心空調系統的重要組成部分,冷凍站如何能夠符合模塊化建設的要求,是數據中心規劃設計中需要考慮的問題。
1 數據中心對冷凍站性能的要求
為了適應數據中心模塊化建設、靈活部署、按需擴展、快速交付、降低能耗、分散投資的要求,冷凍站需要具備以下性能。
(1)高可靠性、安全性
數據中心是網絡、信息、計算技術的中樞,由于其數據集中、處理能力集中,一旦出現問題影響面較大,因此需要設備可靠、安全工作。數據、通信等設備能夠長期、穩定正常工作,需要機房必須維持一定的溫度、濕度和潔凈度,而這些都需要空調系統去完成,冷凍站是空調系統供冷的核心,對其可靠性、安全性的高要求則是不言而喻的。
(2)高可在線擴展性、快速交付能力
數據中心的業務是逐步發展的,對空調供冷的需求也是逐漸增加的,同時冷凍站設備投資較高,在業務需求不飽滿的數據中心,冷凍站設備一步安裝到位,將增加數據中心投資壓力,故冷凍站應該具備一定擴容能力,冷凍站規模應能隨著業務的擴展而增加,并保證擴容時不影響當前業務的正常運營,同時不應降低系統的可靠性。對于IDC等托管型數據中心,客戶對業務投入使用的時限要求較高,冷凍站還需具備快速交付的能力。
(3)高穩定性、高可維護性
數據中心常年7×24小時運行,空調系統長時間運轉,作為空調核心的冷凍站需要具備穩定運行的能力,設備和安裝具備通用性和標準性,便于后期維護和修復。
(4)高節能性
數據中心的空調系統的能耗僅次于IT設備,位居數據中心能耗的第二位。而冷源設備的能耗占據空調系統能耗的50%以上,這就要求冷凍站在滿足供冷需求的前提下,盡量降低能耗。
(5)高智能化
為了數據中心安全、可靠、高效的運行,冷凍站應設置集中監控管理系統,以實時監測冷凍站設備運行狀況,迅速確定故障,協調各設備間運行,提高整體效率,減少人為操作,簡化維護工作。綜上所述,以模塊化為理念建設的數據中心,其對冷凍站在可靠性、安全性、可在線擴展性、快速交付能力、穩定性、可維護性、節能性、智能化等方面均提出了高要求,冷凍站建設也需要響應模塊化建設的要求,方能更好地適應數據中心的發展。
2 數據中心冷凍站模塊化建設
(1)數據中心冷凍站模塊化建設思路
一直以來,冷凍站以整體冷源的形象出現在數據中心,冷凍站內的各種設備、管道一步安裝到位,或者僅預留設備的安裝位置,冷凍站系統設計沒有考慮可在線擴展、快速交付的需要,使得冷凍站設備擴容時,安裝、調試難度大,施工周期長,對空調系統可靠運行造成了影響,不能適應數據中心發展的要求。
以模塊化理念建設的冷凍站,冷凍站內的設備以模塊的形式出現(如每套冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵可以組成一個供冷模塊,補水定壓等設備可組成輔助設備模塊等),各模塊在冷凍站整體架構的基礎上,可以實現單模塊擴容,降低安裝、調試難度,縮短施工周期,減小對運行中空調系統的影響,達到可在線擴展、快速交付的目的,同時模塊化設計對冷凍站設備的通用性、施工安裝的標準性也有促進,便于運行維護、故障修復。
冷凍站模塊化并不僅僅是空調系統模塊化,還應該包含冷凍站建筑布局、供配電系統、自控系統等各相關系統的建設,只有與冷凍站建設的各方面都圍繞著模塊化這個理念,才能建設出滿足數據中心要求的冷凍站。
(2)冷凍站模塊化建設模式
冷凍站模塊化建設模式主要有兩種,一種是傳統現場安裝建設模式,另一種是模塊化冷凍站建設模式。
①傳統現場安裝模式
傳統現場安裝模式是在冷凍站模塊化設計的基礎上,由機電安裝公司安裝冷凍站設備、管道系統、自控系統、配電系統等的傳統建設模式。
目前國內大多數據中心采用這種模式建設,建設過程中涉及多設備招標采購,多部門(設計單位、設備廠商、施工安裝單位等)、多專業(暖通專業、給排水專業、強電專業、弱電專業等)協同配合,容易出現建設周期長、管理協調工作量大、冷凍站空間利用率低、施工安裝標準化差等問題,尤其是冷凍站擴容或設備更新替換時,冷凍站內施工人員多,且耗時長,對冷凍站安全運行影響大,與數據中心對冷凍站安全可靠運行、快速交付、便于維護的要求有一定差距。
②模塊化冷凍站模式
模塊化冷凍站模式是模塊化冷凍站制造商在冷凍站模塊化設計的基礎上,通過工廠預制+現場組裝的方式建設冷凍站,冷凍站建設由現場施工變為工業產品安裝。這是一種新型的冷凍站建設模式,通過工廠預制測試、模塊運輸、現場拼裝,滿足了冷凍站模塊化建設的要求,這種建設模式具有以下特點:
通過把新的硬件和軟件結合起來實現所謂的云計算式的基礎設施，刀片式服務器與虛擬化的結合正在迅速發展。而高功率密度機架服務器、刀片服務器等高熱密度設備的應用，造成機房的單個機柜功耗不斷提高，單位面積熱量急劇上升，因此高熱密度的機房一些問題逐漸涌現出來。
1.現今高密度機房存在的問題
經過大量的實驗驗證發現，當單個機柜（服務器）的熱負荷接近或超過5kW時，如果還是采用傳統方式的機房專用空調來解決，就會造成以下問題：
（1）機房環境溫度控制得不理想，會有局部“熱點”存在；來自美國的服務器故障統計數據：“在機架頂部的服務器經常過熱；2/3的故障發生在機架的最頂部的1/3處”。
（2）由于設備需要通過大量的循環風來帶走如此多的熱量，采用傳統的機房空調系統會占用大量的機房空間。上送風機組需要采用風管的截面積尺寸非常巨大，下送風機組的架空地板的高度需要提高很多，會造成很多已經運行的機房將無法繼續使用。同時機房專用機組必須加大送風風機的功率來保證送風風量，因而造成整個制冷系統的效率大大降低。對于改建工程的供配電來說也相當棘手。
2.解決方法
目前，專業的數據機房設備供應商及IT經理最關心的問題轉移到機房的高熱密度的處理上來了。因為如果不能有效地處理機房高熱密度，對于機房的容量擴張以及數據的安全性都是致命性的。為此各大廠商提出了各種解決方案。
2.1方案A：直接式機柜精密制冷系統
這種系統主要分兩種：1）直接膨脹型，即配置風冷冷凝器，通過冷媒管連接到機房內，機組直接放置在數據機柜的旁邊或者背部，直接處理機柜散熱，需要考慮外置風冷冷凝器的擺放位置；2）冷水型，配置室外冷水機組，通過冷水連接，室內機組同樣直接放置在數據機柜的旁邊或者背部，或者是一體化的數據機柜，直接處理機柜散熱。系統特點在于直接對數據機柜進行制冷，適合高熱密度服務器的堆積，減少房間面積和架空地板高度，可以針對負荷的滿載情況調節制冷量，效率較高。
2.2方案B：水冷機房精密空調柜機+柜背裝抽風單元
系統如圖2所示，機房精密空調柜機通過地板送風系統將處理過的風送入機房內，背式抽風單元與服務器柜機結合，通過頂部的排風管從數據中心中移出熱空氣，避免產生熱風短路循環和避免冷、熱空氣的混合，熱空氣通過機房精密空調柜機的回風管系統返回主機。通過控制抽風風機的轉速來處理設備的熱量變化。
圖2柜背裝抽風單元
這種系統的特點是：1）內置的風機可以變頻運行，根據機組發熱量的大小調節風機轉速；2）布置簡潔，裝配于機柜背面，占用機房面積小；3）數據機房內無任何水管道，杜絕水患；4）風扇風量有備用，如發生故障，剩余風扇可提高風量以維持設計的散熱能力；5）實時監控，通過網絡管理了解設備實時發熱量，當服務器發熱量較大時，相應排風量較大。
2.3方案C：水冷機房精密空調柜機+柜式或頂置制冷末端
系統如圖3所示，設備間通過制冷劑管道連接，機房空調解決空間溫濕度，制冷末端解決高熱密度局部及區域制冷。通過制冷劑相變吸收大量機房顯熱，100%輸出顯冷量，既可防止產生冷凝水，又可避免潛冷量輸出而產生的能量損耗，設備末端貼近負載機架，可大大減少送風所消耗的能量，與傳統空調遠距離送風相比，可使風機能耗降低65%，整機節能30%。節能效果顯著。
圖3 柜式或頂置制冷末端
這種系統的特點是：1）變冷量設計，可以隨機房設備熱量變化自動調節制冷量大小，安裝靈活，不占用機房寶貴空間；2）根據機房需求變化增減制冷末端設備；3）冷媒管布置靈活性高、可擴展性強，便于機房布置變動或機組升級且無水患的隱患；4）干盤管技術，100％顯熱比，無冷凝水，無除濕損耗。
