PDF数据中心冷却
为了使数据中心冷却系统的能源效率更高，可以做些什么？
安迪·伍兹，剑桥大学
在美国和英国，发电量约占一次能源供应的40%至45%，其中很大一部分用于建筑物供暖、制冷和通风。该领域一个新的且日益增长的挑战涉及计算机数据中心和其他用于冷却计算机数据系统的设备。2006年，美国的数据中心用电量约为60亿千瓦时，约占该国电力消耗的1.5%。在这些电力需求中，通常超过20%用于冷却计算机设备，但一些较新的装置通过数据中心冷却系统设计以及软件和硬件改进方面的一系列创新，成功地降低了能耗。
随着计算能力的增长以及大型数据中心容纳越来越密集的服务器阵列，控制功耗的需求变得越来越重要。可以采用多种不同的系统为这些大型、能源密集型建筑物提供冷却，并且不断涌现提高冷却方案能源效率的机会。
本文回顾了一些通用的冷却方法，并指出了进一步创新的机会。在评估冷却的能源需求时，既有外部因素，涉及气候以及建筑物与外部之间的相关热损失，也有内部因素，涉及将要采用的冷却方法以及实现高效热交换的相关挑战。
参考模型
在本文提出的模型和简单计算中，我对数据中心的发电量采用了一些简化的假设，尽管这些数字可以缩放到不同的系统规模。服务器的工程设计包括水平机架服务器和垂直堆叠机架服务器，它们的能量密度可以高达每平方米地板面积10千瓦。因此，对于一个4,000平方米的数据中心来说，这意味着高达每年350吉瓦时的巨大热负荷。
可以采用两种方法来冷却服务器：水冷或风冷。风冷的优点是可以直接通过容纳设备的空间，因此可能易于循环。然而，除非气流路径针对高热量产生的区域，否则风冷系统可能会导致温度的空间变化。因此，为了将设备保持在正确的工作温度下，主体空气需要稍微冷一些。通常，不仅有向空间或服务器机架的主空气供应，而且还有靠近高热量产生率设备的微型风扇，这些风扇驱动大量的主空间空气流过这些特定的设备。如果服务器成簇排列，则空间中仍然会倾向于产生温度梯度。如果外部温度高于主体空间所需的温度，则这可能会导致冷却系统效率降低；效率降低是由于随着内部温度降低，通过建筑物结构的传热增加，这反过来又需要额外的冷却。
已经进行了许多尝试，以提供更直接地针对发热设备的冷却，从而减小温度梯度。实现这种定向冷却的一种方法是使用水作为热交换流体，因为水具有大的比热和相对于空气非常高的密度，因此与空气相比，每单位热通量传递所需体积流量要少得多。通过将冷却盘管放置在发热设备附近，水可以直接对流带走热负荷。如果盘管有一些散热片，则通过散热片的空气也会被盘管中循环的水冷却。这为混合冷却提供了机会，小风扇可以将来自冷却盘管的冷空气吹向设备的其余部分，而水盘管本身负责与高热负荷设备进行热交换。然而，关于水热交换的一个需要注意的问题是，它需要仔细的构造，以免在发生故障或泄漏时损坏IT系统。
简单的考虑说明了通过系统的典型空气体积流量。例如，ASHRAE（美国供暖、制冷与空调工程师学会）建议为服务器提供温度范围为20-25°C（68-77°F）的冷却空气，而从系统排出的热空气可能高达35°C（95°F）。每平方米10千瓦的热负荷需要每平方米地板面积每秒1-2立方米的气流速率。将其放大到4,000平方米的数据中心，则需要每秒4,000-8,000立方米的空气循环速率。这种空气需要小心地通过管道或增压室引导，以确保没有再循环或停滞区域，否则会导致过热。对于水冷系统，比热要高得多，因此对于相同的温升，我们只需要每秒1-2立方米的水分布在整个4,000平方米的数据中心中。这里的挑战是如何有效地将水分配到整个系统中，以限制过热的可能性；例如，这可能涉及一种新型的带有内置冷却水板的机架设计。
一旦空气或水通过服务器系统的一部分并被加热，就需要热交换或排热系统将这种热通量从数据中心排出，并提供新的冷却空气或水源，然后可以再次在服务器系统中循环。现在让我们探讨一些可能的排热方法。首先，我评估了空-空冷却的设计，假设系统是风冷的，或者水是通过建筑物内的水-空热交换系统冷却的，然后通过空-空装置排出这种热量。
风冷：气候挑战
有许多节能的方式可以将热量从建筑物中排出。需要考虑的一个关键问题是直接与外部交换室内空气；由于空气除尘和湿度调节方面的挑战，可能需要限制这种直接的空气交换；然后可以使用热交换器实现室内和室外之间的空-空热传递。如果可以将外部空气直接引入数据中心，则可以将热交换器简化为，或与直接空气交换相结合；与制冷/供暖相比，热交换或空气交换的优点在于，在空间或热交换器中泵送空气的能源成本与使用制冷循环冷却室内空气所需的能量成本不同。
注意到数据中心内温度梯度的复杂性，我们评估了理想情况，即冷却空气能够直接到达高热负荷区域，从而最大限度地减少可能产生的大温度梯度。一个关键问题与数据中心的地理位置和当地气候有关。与位于炎热气候地区（温度超过流入空气的期望温度）的建筑物相比，位于温带气候地区的建筑物可能具有可观的节能潜力。
本质上，如果外部温度低于20-25°C（68-77°F），则可以使用直接热交换系统来降低室内空气的温度，室内空气通过也连接到外部空气的热交换器循环通过空间（见图1）。这种直接热交换可以提供一种有效的空气冷却方式，因为热交换器只需要机械动力来驱动空气通过系统。此外，如果可以将外部空气直接引入室内，则可以减少与驱动空气通过热交换器（例如，热轮）相关的某些机械功，尽管在寒冷的外部条件下，可能需要将进入的空气预热到舒适或可接受的温度。如果无法通过与加热的室内空气进行热交换来实现这一点，则可以通过与室内空气直接混合来实现（Woods等人，2009年。《能源与建筑》，Elsevier）。
如果外部气温升至20-25°C（68-77°F）以上，则循环空气可能需要通过热泵或其他制冷系统进行直接冷却。然而，只要外部温度不超过热排出空气的温度，就可以使用直接热交换来降低空间中的空气温度，从而补充热泵的使用，热泵将提供最后阶段的冷却（图2）。因此，外部温度的季节性波动可能非常重要，因为它限制了需要直接热交换而不是制冷的条件范围。在以冬季为主的气候中，直接热交换方法可能非常有效，并且可以形成高效的系统，该系统可能只需要在非常炎热的日子使用备用冷却系统。这种系统面临的挑战之一是同时包含热泵和热交换系统的资本成本，尽管如果热泵仅在一年中的一小部分时间使用，则可以大幅降低运营成本。
例如，如图3所示，加利福尼亚州伯克利的气候通常只有330小时温度超过25°C（77°F），而730小时温度超过22°C（72°F），对于这种情况，简单的热交换器将需要额外的冷却能力。由于数据中心通常24/7运行，这不到一年中的8-9%，因此直接热交换系统（图1）可能具有相当大的优势。
使用直接热交换系统，室内空气通过例如通过一系列用于空-空热交换的平行板或使用旋转热交换轮将其热量传递到外部。然后，冷却不需要热力学功，尽管有机械功驱动空气通过热交换系统。相反，在较热的条件下，这种方法可以与外部交换一些热量，但随后需要额外的冷却，以将流入空气的温度降至20-25°C（68-77°F）。
在空-空热交换器中，消耗的主要能量是驱动空气通过热交换器所做的功。这种热交换器可能相对高效。例如，旋转轮式热交换器可能涉及约200-300Pa（帕斯卡）的压力损失，因此对于每秒4,000立方米的流量，因此许多这样的热交换器，这将涉及约0.8-1.2兆瓦（或可能更多）的工作负载，具体取决于风扇的效率和数量（见图4）。
然后，这将允许使用约占冷却负荷10%的机械功来实现10兆瓦的冷却负荷以进行热交换——尽管重要的是要认识到，系统的整体效率会存在额外的损失，可能与管道中的损失以及空气泵送系统的效率有关。值得注意的是，我们预计，如果可以直接进行空气交换通风而无需热交换器，则该主要能耗数据将大于但与直接从外部供应和混合空气所需能量的数量级相当。
鉴于这种方法的实际实施存在低效率，我们可能预计直接热交换冷却的能源成本将超过冷却负荷的10-20%；这可以与冷却装置（例如，热泵）中的能量损失进行比较，热泵的COP系数可能为1:4或1:5，约占冷却负荷的20-25%（图5）。当外部温度高于内部温度时（即>25°C，77°F），将需要使用这种直接机械空气再循环系统，通过热泵或冷却器系统将热量排到外部，因此直接交换不再可行。在运行制冷系统时，在降低空气温度的程度与空气流量之间存在平衡，以便实现相同的总冷却通量。温度降低与流量之间的最佳平衡取决于风扇所需的能量（随着流量增加而增加）以及冷却热泵的效率（通常随着热泵两端的温差增加而降低）。通过优化耦合系统，可以找到机械冷却的最节能运行模式。
这些基于外部气候条件和内部热负荷的简单观察结果表明，数据中心的主要挑战是循环大量空气（或冷却液）以去除热量。这使用了大量的能量，并且在炎热的条件下，除了泵送工作之外，还需要冷却再循环空气，这大大增加了能量负荷。
相对于全年使用制冷循环，采用上述想法可能实现的典型节能可能非常可观；当外部条件较冷时使用直接热交换可能代表冷却能源的大部分节省。本文提出的想法可能能够大幅降低能耗，但这取决于环境温度；一些采用这种通用方法的方案已经安装，包括英特尔和京都冷却系统（KyotoCooling system）的方案，但这种设计原则似乎具有巨大的更广泛采用潜力。
然而，该分析确实指出了将数据中心设在较冷气候带的必要性，在这些气候带中，外部温度可能允许在一年中的大部分时间进行直接热交换。实际上，随着需要冷却的小时数增加，数据中心消耗的能量也会增加。如果小时数增加了一年中总小时数的x 分数，那么假设直接冷冷却约占能源消耗的四分之一，则能源消耗可能会增加约占IT设备总能耗0.2x 的量。这表明将数据中心设在更北或更冷的气候带具有优势。
风冷室内设计考虑因素
现在让我们转向室内设计，以帮助实现更多的节能。数据中心内部的主要挑战之一是冷却空气的分配，以实现每个服务器的冷却。如前所述，如果并非所有冷空气都到达高热负荷设备，则会建立温度梯度，因为热量从该设备传递到主气流；尽管在平衡状态下，流出的混合气流将是相同的，但在给定的流出温度下，设备可能比“充分混合”模型更热。这种分层的主要挑战在于，为了将设备保持在所需的温度范围内，周围的空气需要比所需的设备温度更冷。在炎热的外部条件下，为了使设备保持在所需的温度下，将主体空间维持在较低温度下可能会导致过度冷却；这是因为随着室内温度下降，通过建筑物绝缘围护结构向空间的得热量将增加。
根据墙壁和天花板上的热传递，额外冷却10°C（18°F）可能会导致数据中心每平方米增加高达20-30瓦的额外得热量。在一个4,000平方米的数据中心中，这相当于近0.1兆瓦的冷却功率。尽管这仅占总负荷的一小部分，但仍然意义重大。此外，为通风目的而与外部交换的任何空气都需要进一步冷却10°C（18°F），再次增加了冷却负荷。
通常，地板下送风系统用于通过要冷却的设备提供均匀的空气供应。一种方法是通过“冷”通道供气，并从相邻的“热”通道（在连续的服务器行之间）排出热空气。因此，这会在冷却设备行上产生横向流动，将热量传递到循环空气中；目的是通过地板下方的冷却装置循环空气。然而，这种配置会建立温度梯度。
图6显示了一个数据中心，其中有几排服务器，冷空气通过地板进入，穿过服务器机架，然后通过下一个热通道流出，回到地板下方的冷却系统。根据外部温度，返回的热空气可以通过位于地板下方的制冷装置冷却，也可以通过使用如上所述的与外部空气的直接热交换器系统冷却。
这种涉及一系列流入和流出通道的设计已经应用于某些数据中心，但可能存在提高系统能源效率的机会。一个挑战是，如果空气通过地板排出，则热通道中的气流会逆重力运行，并且任何热空气和冷空气区域的混合都需要更大的流经服务器的气流速率，以避免过热。解决此问题的一种方法可能是向服务器机架的低层供应空气，并直接在服务器机架的顶部上方排出。然后可以将空气通过管道输送到制冷装置或热交换器，然后重新供应到空间（图7）。这可能会导致明显的分层，即进入设备机架的空气是冷的，而从高层排出的空气已被热交换加热；从能源角度来看，这种配置是有益的，因为冷空气流过发热设备并升温，然后在远高于此温度的情况下从空间排出。然而，热负荷的垂直范围需要仔细限制，以便高层的设备不会因下层热量的上升而变得无法持续过热。
这种设计减少了冷空气供应被加热的可能性（服务器热交换除外），因此可以减少气流。理想情况下，该系统将与外部直接热交换相结合（图1和图2），以便制冷装置尽可能少地用于冷却（即，仅在非常炎热的外部温度条件下）。
另一个可能提高能源效率的领域是设备本身的几何排列，以及根据计算负荷对机器使用的相关控制。本文前面提到的关键信息之一与发热设备与主体空间空气之间温度梯度的发展有关；这种情况可能需要降低主体空间温度，以维持设备的热传递，使其能够在正确的工作温度范围内运行。堆叠和本地化设备可能会增强这种温度梯度的发展，或者可能需要更大的局部空气循环速率。使用上流置换方案并在地板空间上分布产生热量的设备将最大限度地减少这种温度梯度的累积，因此，无论是在任何时候所需的冷却程度还是通过特定供应路径的冷却空气流量。服务器切换和虚拟化软件与系统冷却能源效率的集成提供了开发硬件使用策略的潜力，这些策略可以大幅节省冷却负荷和给定硬件活动的空气流量需求，尤其是在数据中心硬件容量存在一定延迟的情况下。
总结
这种简化的计算机数据中心图景说明了数据中心基于服务器冷却系统设计的能源性能的显着变化。在节能的世界中，将最大限度地减少服务器的主要用途，以减少主要热量产生。这是一个软件挑战，可以使用虚拟服务器技术和其他方法来解决，以最大限度地减少计算资源的使用，而不会影响系统的速度。然而，在给定热负荷的情况下，很明显，通过仔细设计数据服务器中心空气的对流模式，并结合使用混合热交换/制冷系统，可以大大减少冷却运行中服务器所需的额外能量。
除了直接热交换系统和风扇的设计外，还有许多优化制冷系统能源效率的选择，包括使用地源热泵和空-空热泵。鉴于互联网和银行服务提供商的数据中心的大规模扩张，优化其冷却系统的设计具有巨大的节能潜力，并能显着降低中心的运营成本。
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安迪·伍兹是英国剑桥大学BP研究所的负责人。他的研究兴趣在于开发自然系统中流体流动和热传递的数学和实验模型，包括建筑物的能源效率和自然通风以及热泵的热力学，以及用于地热发电、石油和天然气生产以及二氧化碳封存的多孔岩石中流动的动力学。
© 2010 1542-7730/10/0300 $10.00
最初发表于Queue第8卷，第3期—
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