模块化数据中心各种空气侧节能器的节能潜力
Sang-Woo Ham , Min-Hwi Kim , Byung-Nam Choi ,
Jae-Weon Jeong
a．汉阳大学建筑工程系，首尔133-791，大韩民国
b．SAMHWA空调工程，汉城405-818，大韩民国
要点
（1）对模块化数据中心的年冷负荷估算过程进行了改进。
（2）建立了各种空气侧节能器及其运行算法。
（3）对9种空气侧节能器方案进行了能量模拟。
（4）间接空气侧节能器具有显著的节能潜力。
文章历史
（1）2014年4月21日收到初稿
（2）2014年9月2日收到修改稿
（3）2014年10月24日通过审核
（4）2014年11月14日上传至网络
关键词
模块化数据中心 冷却系统 空气侧的节能装置 蒸发冷却 节约能源
摘要
随着近年来IT技术的发展，对数据中心的需求显著增加，模块化数据中心以其良好的稳定性、可扩展性和经济可行性而备受关注。本研究定量分析了各种空气侧节能器在模块化数据中心中的适用性及其节能潜力。针对模块化数据中心，建立了详细的冷负荷估算过程，并利用各种空气侧节能器进行了年度冷负荷模拟。与数据中心的常规冷却系统相比，各种空侧节能器的冷却盘管负荷节约量为76-99%，节能器的总冷却能量节约量为47.5% - 67.2%。采用高效热交换器的间接空气侧节能器节能效果显著(63.6%)，系统配置简单。
1．介绍
随着近年来通过网络租赁资源(如解决方案、设施、软件等)的云计算公司的增多，以及高性能计算(HPC)基础设施成本的降低，数据中心需求的增加导致的能源消耗占全球总用电量1.12-1.5%(即， 2034 - 2718亿千瓦小时/年)。此外，到2020年，数据处理需求将每两年翻一番，高密度、高性能数据中心的相关能源消耗将显著增加。关于冷却能耗，文献表明数据中心31%的总能耗是冷却能耗。许多人正在努力减少或重复利用数据中心的能量。
最近的研究检查了不同的冷却系统，以减少数据中心的冷却能量。Hellmer分析了美国不同地区采用加湿器的三种不同类型的数据中心冷却系统(干式冷却器、空气侧节能器和水侧节能器)的节能效果。在大多数地区，空气侧节能器是三种系统中能效最高的。Lui检验了空气侧节能器和水侧节能器在数据中心的使用情况，得出空气侧节能器更节能的结论。但从安装费用来看，水侧节能器更适合改造。
Cho等对韩国某数据中心空气侧节能器和水侧节能器的年能耗进行了对比，发现空气侧节能器比常规系统的冷却能耗降低了42.4%，而水侧节能器的冷却能耗降低了16.6%。Shrivastava等人估计了三种不同类型冷却系统(干式冷却器、冷却塔和水侧节能器)中使用的三种通道围护结构的能耗。他们发现带有热通道密封的干式冷却器是最节能的。
关于气候对数据中心中各种节约器的节能效果的影响已经进行了许多研究。Udagawa等人比较了日本主要城市数据中心空气和水侧节能器和冷凝器压力控制包装空气冷却器的能源使用情况。Tozer和fluker分析了各种节能器的用电效率(PUE)，并为间接空气侧节能器和水侧省节能器提供了全美国的零制冷图。Lee和Chen分析了不同气候区域数据中心空气侧节能器的节能潜力，发现空气侧节能器的最佳气候是温和、湿度适中的气候。在寒冷干燥的气候条件下，增加湿度所用的能耗抵消了空气侧节能器的节能。此外,当数据中心的室内温度降低2°C,节能潜力是减少了2.8 - -8.5%。Siriwardana等人分析了澳大利亚不同气候区域空气侧节能器的节能效果，发现在气候寒冷的澳大利亚南部，全年最大的降温导致的节能降幅可能达到60%。
在空气侧节能器结构的研究中，Scofield考察了直接蒸发冷却器(即湿球型冷却器)的适用性，采用刚性介质。Facebook使用带有雾状蒸发冷却器的空气侧节能器获得了1.07的PUE（用电效率）;然而，他们使用自己定制的服务器和热环境范围。Sullivan等人研究了热轮在数据中心间接空气侧节能器中的适用性，发现在许多不同的气候区域，热轮比典型的空气或水侧节能器更节能。Davidson分析了一种带干燥轮的空气侧节能器在潮湿气候下的能源性能，发现除非有一种低成本的干燥剂再生热源，否则没有显著的经济效益。Dunnavant检验了湿式或干式盘管间接蒸发冷却器辅助下的间接空气侧节能器的适用性，发现它在服务器可靠性和冷却节能方面都有优异的性能。美国国家可再生能源实验室(NREL)在科罗拉多州的国家冰雪数据中心(NSIDC)安装了一个系统，该系统使用间接和直接空气侧节能器和间接蒸发冷却器。该系统在夏季和冬季分别降低了75%和90%的能耗。
为了解决数据中心在可用性、可伸缩性和总拥有成本(TCO)方面的典型困难，能够轻松扩展、替换和维护的模块化数据中心，以及操作环境的变化，一直吸引着业界的极大兴趣。然而，对模块化数据中心及其冷却系统的设计过程的研究还很少。本研究旨在建立模块化数据中心的冷负荷估算流程，并通过年度能量模拟分析韩国模块化数据中心各空气侧节能器的节能效果。
2．冷负荷估算
冷负荷估算获得使用传统数据中心的冷却负荷估计方法,它考虑到电力需求单位面积(千瓦/平方米),可以在数据中心不同于实际的冷却负荷,根据热特性的各种类型的信息技术(IT)设备特点和数据中心空间使用。然而，由于模块化数据中心的模块化和标准化架构，模块化数据中心的IT设备特性和空间使用的变化较少。因此，与传统的数据中心相比，模块化的数据中心可以实现更精确的冷负荷估计。
2.1. 模块化数据中心热流
数据中心中的IT组件，如服务器、电源分配单元(PDUs)和不间断电源(UPSs)，根据IT工作负载生成大量热量并消耗大量电能。图1为模块化数据中心内各部件的功率流及伴随的热流。在储运过程中，电网向UPS输送的部分电能在某些点会因散热而损耗。电力通过PDU分配给每台服务器，这种分配也涉及到一些传输功率损失。每个服务器消耗交付给它的处理IT工作负载的电能，这个过程也会产生热量。光、辅助设备、人、信封和数据中心的渗透负荷也会产生热量;但是，与IT设备所产生的数量相比，所产生的数量是微不足道的。
图1 模块化数据中心中的典型电力和伴随的热流。
2.2. 冷负荷估算过程
本研究定义了模块化的数据中心模型，并根据图2所示的冷负荷估算过程估算了年冷负荷。模块化数据中心的年冷负荷估算过程包括七个步骤。在步骤1中，确定数据中心的运行日期和模块的类型和大小。一般来说，这些模块包括服务器、基础设施(如电源和冷却模块)和辅助模块。但是，它们可以根据用户的需要和目的进行部分或完全集成以供操作。在步骤2中，对所选模块进行分类，确定模块的大小和内部位置。服务器模块承担了大部分的冷却负载，基础架构模块通常与服务器模块集成。辅助模块位于服务器模块之外，在负载计算中被忽略。在步骤3中，通过将所有IT设备产生的热量相加，计算服务器模块产生的总热量。步骤4根据建立的功率趋势报告确定设备未来的产热趋势。在步骤5中，功率调节装置产生的热量(即PDU和UPS)确定。步骤6根据预期数据IT工作负载(流量)的年变化确定服务器的部分负载产热，最后步骤7估算全年总冷负荷。
图2 年度冷负荷估算过程。
2.3. 年度的冷负荷
主要设备的能耗，即服务器、PDUs、UPSs和冷水机高度依赖于IT工作负载(即中央处理器，CPU，利用率)。因此，本文选取了文献中典型的数据中心IT工作负载调度，对数据中心模型能量仿真中的部分负载运行特性进行了分析。
2.3.1服务器
服务器是数据中心中产生热量的最大来源，它们的功耗取决于IT工作负载、硬件和软件。本研究采用图3所示的特定工作日服务器负载分布图。周末服务器负载设置为工作日使用量的80%。服务器的最大运行功耗设置为10 kW/rack。
图3 典型的IT工作负载配置文件。
在检查服务器工作负载和电力需求之间的关系,假设所有的数据中心的服务器机架模型组成的典型的2 u服务器,和权力的specPOWER_ssj2008基准测试结果分数(PFpower)作为服务器利用率的函数(userver),图4所示,表示由以下二阶多项式回归方程,采用在能源模拟。
图4 服务器功耗与利用率之间的关系。
2.3.2功率调节单元
如图5所示，提供给UPS的电源主要传输给PDU；但是，在存储和传输过程中会丢失一部分电力。在文献资料的基础上，利用等式(2)-(5)计算了PDU和UPS的功耗，包括部分负载运行的功耗。图6为文献所示，服务器功率变化对PDU和UPS功率和效率的影响。
图5 数据中心电力调节装置的热流和功率流。
图6 服务器功率变化对PDU和UPS功率和效率的影响。
在等式(2)和(3)，PDU和UPS消耗的电量表示为空闲状态和部分负载损耗之和。在等式(4)和(5)，pi;PDU和pi;UPS为损耗系数，表示服务器利用率变化时PDU和UPS的功耗变化。在本研究中，假设PDU在满负荷运行时消耗3%的服务器功率(sum;Pservers)。还假设UPS消耗服务器9% (PUPS,loss)和PDU消耗(sum;PPDU)。在空闲状态下，PDU和UPS的损失分别为满载损失(PPDU,loss，PUPS,loss)的1.5%和5%。在给定条件下，损失系数pi;PDU和pi;UPS估计分别为0.000075和0.05。
3.模拟仿真
3.1. 模块化数据中心仿真
图7为本研究使用的数据中心模型。三个服务器模块由两个风冷冷水机冷却，其中一个是出于安全考虑多余的。图7中没有描述风冷冷却器，因为它们位于每个模块的外部。表1列出了数据中心模型的能量模拟条件。还应该注意的是，没有渗透，因为每个模块总是加压。此外，还采用了典型的地板下送风和天花板回风系统。
图7 模型数据中心，3个模块。
关于空气供应温度，美国供热、制冷和空调工程师协会技术委员会9.9 (ASHRAE TC 9.9)指南建议热环境范围(即表2为数据中心的服务器进风温度范围)，考虑到各数据中心类的设备可靠性和能耗。服务器入口温度应在推荐范围内，以确保设备可靠运行。允许的温度范围是指除非长期暴露在极端温度下，否则设备应在该温度范围内运行而不会出现致命问题。
数据中心模型符合表2所示的推荐范围。表2中指定的温度表示该模型中的服务器入口空气条件。考虑空气吸热从机房空气处理程序(CRAH)供应服务器通过地板下方和冷通道入口,CRAH供应空气温度设置为24°C。采用通道密封，提高了空气冷却性能。CRAH风扇是一个控制变风量的风机，用来保持CRAH的返回和保持一个空气温差12°C。这个值保证了冷热通道之间的轻微正压力。 （即CRAH气流略大于rack气流）。
为了防止服务器失效和故障,ASHRA TC 9.9指南还建议设置送风露点5.5至15°C(表2)。静电放电(ESD)较低的湿度和导电阳极丝(CAF)在高湿度可能会导致服务器故障。在本研究中,室内空气露点设置为11.1°C,依照CRAH测试标准。
利用EnergyPlus对数据中心模型的冷负荷进行了估算。在利用EnergyPlus计算热负荷的基础上，利用商用方程求解软件EES估算了集成到CRAH中的几种空侧节能器的年能耗，该软件能够利用已建立的数值系统组件模型和已有的性能数据进行基于方程的仿真。
3.2. 系统描述
本研究分析了9种适用于模块化数据中心模型的空气侧节能器备选方案(表3)。在模块化数据中心中，由于模块的添加或删除容易导致数据中心的扩张或缩小，因此中央空调系统的使用并不合适，因为中央空调系统缺乏灵活性。针对9种空气侧节能器系统，选择了适合模块化数据中心的配置。还有一些其他类型的空气侧节能器可以考虑作为替代方案，如主动干燥剂轮式系统或直接空气侧节能器与各种类型的加湿器。然而，如果没有廉价的热源来再生干燥剂，主动干燥剂系统是不实用的。直接空气侧节能器的节能性能与绝热加湿器相差不大。
3.2.1. 案例1:传统CRAH系统
传统的CRAH系统，如图8所示，对热回风(RA)进行冷却，然后将冷却后的空气提供给服务器。该系统由冷却盘管、过滤器和电源风扇组成。最小效率报告值(MERV) 8级过滤器用于防止由于空气中的污染物导致的设备故障。假定RA的温度是36°C,并且在它供向支架前由冷却线圈冷却到24°C。
图8 常规CRAH系统(案例1)示意图。
3.2.2. 案例2:带超声波加湿器的空气侧节能器
案例2如图9所示，是在OA温度低于RA温度时引入室外空气(OA)的直接空气侧节能器。当由于干燥的OA条件难以维持推荐的内部湿度水平时，启动超声加湿器来维持送风(SA)的湿度水平。安装MERV 6级和MERV 11级过滤器，分别保护空调机组和IT设备免受空气污染。
图9 带有超声波加湿器的直接空气侧节能器(案例 2)原理图。
根据OA条件，案例2有五种不同的操作模式(图10)。当OA露点温度(DPT)超过ASHRAE TC 9.9推荐范围的上限（即15℃），且OA干球温度(DBT)高于RA DBT（即区域A），系统对RA进行再循环，并通过冷却盘管对其进行冷却，以保持SA设定值。
图10 带有超声波加湿器的直接空气侧节能器(案例2)工作
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资料编号：[2191]
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