数据中心热回收冷却：具有成本效益和可持续性的数据中心冷却方法

据估计，整个数据中心行业所消耗的电力资源大约占到了全球总的电力消费的1.5到2%之间，共计达400太瓦时(TWh)，几乎接近整个法国的用电总量。

　　想象一下，是否有一种方法能够重新利用数据中心服务器中所部署的电力。在本文中，我们就将与广大读者朋友们共同探讨大规模数据中心如何借助热回收以实现冷却，进而将数据中心的成本效率和可持续性提升到下一个水平。

数据中心冷却标准

　　自从ASHRAE于2004年发布第一版《数据中心环境处理热准则建议(Thermal Guidelines for Data Processing Environments)》以来，伴随着CPU性能和功率密度的提升、设备耐受性的提高、新的冷却技术的进步、以及企业成本意识和环保问题的增强，数据中心冷却的指导方针和方法已然发生了显著的进步。

　　ASHRAE的该份建议目前已经出到第四版了，并在2008年与电信行业相应的网络设备系统建设要求实现了同步，事实上已经成为了数据中心行业热管理的标准。而该准则也在不断的演变，以试图更有效地支持IT设备的冷却，而不损害其可靠性。

图1：ASHRAE于2015年发布的热指南第四版。来源：ASHRAE

斯德哥尔摩的环境条件

　　当然，冷却解决方案的选择很大程度上需要依赖于数据中心所处的具体环境条件。

　　瑞典的天气在其全国各地和季节之间差异很大。其首都斯德哥尔摩北部的干球温度自2001年1月1日以来，82.26%的时间一直都低于15°C;99.63%的时间都低于27°C(ASHRAE推荐的最大值);99.998%的时间都低于32°C(ASHRAE A1所推荐的最大值)。在96.98%的时间内，其露点温度均低于15°C(ASHRAE推荐的最大值)，而在99.19%的时间内均低于17°C(ASHRAE A1所推荐的最大值)(资料来源：Stockholm Luft- och Bulleranalys，2016年)。

斯德哥尔摩的冷却方案

　　斯德哥尔摩为数据中心提供了大量潜在的冷却解决方案。如下，我们将为大家概述最适合城市天气条件的解决方案。

基于空气的冷却系统

　　鉴于瑞典的环境条件，直接和间接的空气冷却系统是两大具有吸引力的备选方案。但截至今天，瑞典在这种建筑方面的实践经验却是有限的。

　　采用直接空气冷却解决方案方面最佳的实例无疑是Facebook位于瑞典北部的Luleå的数据中心设施。在斯德哥尔摩，没有采用直接空气解决方案的重要装置。其原因可能在于城市环境中高过滤器维护成本。该系统的主要优点是PUE低。

　　然而，该解决方案最重要的问题是浪费了大量有价值的能量，因为数据中心服务器的多余热量被简单粗暴的排放到了外部环境空气中。然而，直接空气系统可以被设计成通过引入水到空气的热交换器来重新利用热量。虽然这在概念上是可行的，但除了Yandex公司在芬兰的Mäntsälä数据中心设施之外，北欧地区的这种数据中心设施依然相当罕见。尽管斯德哥尔摩地区有良好的环境条件，仍然需要一套全面的备用冷却系统用以管理少数几个小时的高露点温度。

　　间接空气系统进行空气到空气的热交换，外部空气通过蒸发冷却方案实施冷却。该方法的效率将取决于外部空气的湿球温度，并且当相对湿度太高以致于蒸发方案无法很好的奏效时，将需要借助额外的机械冷却方案来管理少数几个小时的冷却。该系统具有低PUE的特点，尽管其PUE值通常高于直接空气系统。

　　与直接空气冷却系统一样，间接空气冷却系统也是将多余的热量排放到外部环境中。然而，与直接空气系统不同的是，很难想到一种有效的设计，使得热回收可以与间接空气系统相组合。

冷冻水系统

　　最常用的系统依赖于冷冻水实施冷却，通常采用某种机械制冷，并且其在一年中的大部分时间通常是与免费的空气冷却模式结合使用。系统基础设施与基于空气的系统不同，其能量在数据中心是以液体的形式传送，并且在数据中心服务器机房是通过液体到空气的热交换进行冷却的。

　　冷冻水系统通常具有比基于空气的系统更高的PUE值。另一方面，冷冻水系统倾向于允许更大的设计灵活性，并且与间接空气系统相比，需要更少的空间。

　　冷冻水系统的特殊版本是区域冷却。在区域冷却解决方案中，使用的是相同的数据中心基础设施，但却是由区域制冷供应商所提供的冷却作为服务。提供冷却服务的供应商们可以使用不同的方法来生产冷冻水，包括海水冷却、冷却机和热泵。虽然斯德哥尔摩并未有这种模式，但其他地区的制冷供应商们则正在考虑采用吸附式冷却。

　　冷冻水系统的主要优点之一是能够有效地进行热回收。在传统的冷冻水系统中，可以在冷却塔中将多余的热量除去。

　　然而，在使用热泵实现数据中心的冷却的冷冻水系统中，可以提高多余热量的温度，使得热泵通过连接到区域供热网络，同时为住宅和办公室供暖。在提供数据中心冷却的区域冷却解决方案中，数据中心冷却作为一种服务提供，热回收是系统的固有特征，其中回流管将多余的热量从数据中心运送到装有热泵的生产设备以及与区域连接的加热供暖网络。

　　随着高性能计算的出现，液体冷却的实施开始出现。一款液体冷却解决方案不需要液体到空气的热交换，并且对于热回收更有效，具有更好的吸热性，更高的温度，需要更少的机械辅助，以达到为住宅供热的温度水平。

斯德哥尔摩的数据中心和热回收

　　斯德哥尔摩非常适合热回收。在其他地方实施的许多热回收项目都不符合热回收成功的先决条件。第一个挑战是需要管理大量的热量。一处10兆瓦的数据中心负荷能够供给约20 000套现代化住宅公寓(55 kWh / m2 /年)的供热需求。因此，在本地或与数据中心相同的建筑物中完全重新使用热量的选择是不可行的。

　　另一个关键因素是数据中心依靠一幢单一的建筑物或有限的住宅区来吸收数据中心热量的风险。

　　只有当数据中心连接到庞大的建筑物网络，才能在足够大的规模和合理的风险下进行热回收。采用斯德哥尔摩12 TWh /年的区域供热系统，有足够的热量需求来适应各种规模的数据中心(相当于150处 10 MW负荷的数据中心)的热回收。

　　FortumVärme公司在数据中心热量回收，并将其转移到区域供热网络方面拥有超过25年的经验。自从1989年开始，彼时，IBM公司开始从其Kista数据中心提供热量。

　　除了许多较小规模的数据中心所使用的普通区域冷却方案之外，FortumVärme公司还开发了具有热回收的特定区域冷却服务，例如，Interxion公司就在Kista的数据中心使用该服务。在Interxion公司，冷却数据中心内部冷却水回路所需要的仅仅只是一款热交换器和循环泵。在这个过程中，数据中心的余热被回收并返回到FortumVärme公司，在那里进入大型热泵，然后提供给区域供热。

　　FortumVärme公司已经开发了一种商业模式，允许任何制热器与区域供热系统接口连接，并接受付费供热——开放式区域供热。使用特别选择用于热回收的热泵，热泵的冷凝器侧与区域供热系统进行热交换，在此进行热量的传递，而不是将其散发到外部空气中，这允许使用能源被二次利用——为服务器供电及为斯德哥尔摩市供暖。

图2：在网络不可用的情况下，使用连接到区域供热网络和冷却塔的热泵的数据中心的图示

　　目前，在斯德哥尔摩市有三十多处数据中心从事热回收。

效率和环境

　　PUE是衡量数据中心效率的常用度量指标。由于其简单性，该指标变得越来越流行。但是，PUE这一度量标准也受到了一定的批评，因为它不能全面了解数据中心的效率及其对环境的影响。

图5 ：已100%实现使用可再生能源承诺的ICT公司(Cook，2017)。

　　无论以何种方式评估斯德哥尔摩数据工业园区热回收的影响，与竞争的冷却解决方案相比，其对于环境的影响总是更好的。没有热回收的数据中心可以从负面气候环境影响变为中性气候环境影响，但不会成为正面的气候环境影响。

图6:具有可再生电力和热回收的冷却即服务的10兆瓦数据中心负载所排放的净二氧化碳吨数

结论

　　随着现代社会几乎所有方面及其对能源的不断增长的需求，我们需要数据中心不仅具有成本效益，而且还必须是更加智能化，能够可持续地和理想地应对气候变化和环境。

　　斯德哥尔摩数据工业园区的计划有助于逐步淘汰斯德哥尔摩的化石燃料。到2040年，该城市的目标是不再有化石燃料的使用。

　　加入斯德哥尔摩数据工业园区并采用热回收，您企业将会对减少全球二氧化碳排放作出重大贡献。我们为零OPEX的大型数据中心提供定价模式，并帮助您企业实现真正的绿色数据中心——甚至正的净气候影响。

（来源 数据中心运维管理）