據(jù)估計(jì)，整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)所消耗的電力資源大約占到了全球總的電力消費(fèi)的1.5到2%之間，共計(jì)達(dá)400太瓦時(shí)(TWh)，幾乎接近整個(gè)法國的用電總量。

想象一下，是否有一種方法能夠重新利用數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中所部署的電力。在本文中，我們就將與廣大讀者朋友們共同探討大規(guī)模數(shù)據(jù)中心如何借助熱回收以實(shí)現(xiàn)冷卻，進(jìn)而將數(shù)據(jù)中心的成本效率和可持續(xù)性提升到下一個(gè)水平。

數(shù)據(jù)中心冷卻標(biāo)準(zhǔn)

自從ASHRAE于2004年發(fā)布第一版《數(shù)據(jù)中心環(huán)境處理熱準(zhǔn)則建議(Thermal Guidelines for Data Processing Environments)》以來，伴隨著CPU性能和功率密度的提升、設(shè)備耐受性的提高、新的冷卻技術(shù)的進(jìn)步、以及企業(yè)成本意識(shí)和環(huán)保問題的增強(qiáng)，數(shù)據(jù)中心冷卻的指導(dǎo)方針和方法已然發(fā)生了顯著的進(jìn)步。

ASHRAE的該份建議目前已經(jīng)出到第四版了，并在2008年與電信行業(yè)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)要求實(shí)現(xiàn)了同步，事實(shí)上已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)中心行業(yè)熱管理的標(biāo)準(zhǔn)。而該準(zhǔn)則也在不斷的演變，以試圖更有效地支持IT設(shè)備的冷卻，而不損害其可靠性。

　　圖1：ASHRAE于2015年發(fā)布的熱指南第四版。來源：ASHRAE

斯德哥爾摩的環(huán)境條件

當(dāng)然，冷卻解決方案的選擇很大程度上需要依賴于數(shù)據(jù)中心所處的具體環(huán)境條件。

瑞典的天氣在其全國各地和季節(jié)之間差異很大。其首都斯德哥爾摩北部的干球溫度自2001年1月1日以來，82.26%的時(shí)間一直都低于15°C;99.63%的時(shí)間都低于27°C(ASHRAE推薦的最大值);99.998%的時(shí)間都低于32°C(ASHRAE A1所推薦的最大值)。在96.98%的時(shí)間內(nèi)，其露點(diǎn)溫度均低于15°C(ASHRAE推薦的最大值)，而在99.19%的時(shí)間內(nèi)均低于17°C(ASHRAE A1所推薦的最大值)(資料來源：Stockholm Luft- och Bulleranalys，2016年)。

斯德哥爾摩的冷卻方案

斯德哥爾摩為數(shù)據(jù)中心提供了大量潛在的冷卻解決方案。如下，我們將為大家概述最適合城市天氣條件的解決方案。

基于空氣的冷卻系統(tǒng)

鑒于瑞典的環(huán)境條件，直接和間接的空氣冷卻系統(tǒng)是兩大具有吸引力的備選方案。但截至今天，瑞典在這種建筑方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)卻是有限的。

采用直接空氣冷卻解決方案方面最佳的實(shí)例無疑是Facebook位于瑞典北部的Lule的數(shù)據(jù)中心設(shè)施。在斯德哥爾摩，沒有采用直接空氣解決方案的重要裝置。其原因可能在于城市環(huán)境中高過濾器維護(hù)成本。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是PUE低。

然而，該解決方案最重要的問題是浪費(fèi)了大量有價(jià)值的能量，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心服務(wù)器的多余熱量被簡單粗暴的排放到了外部環(huán)境空氣中。然而，直接空氣系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)成通過引入水到空氣的熱交換器來重新利用熱量。雖然這在概念上是可行的，但除了Yandex公司在芬蘭的Mntsl數(shù)據(jù)中心設(shè)施之外，北歐地區(qū)的這種數(shù)據(jù)中心設(shè)施依然相當(dāng)罕見。盡管斯德哥爾摩地區(qū)有良好的環(huán)境條件，仍然需要一套全面的備用冷卻系統(tǒng)用以管理少數(shù)幾個(gè)小時(shí)的高露點(diǎn)溫度。

間接空氣系統(tǒng)進(jìn)行空氣到空氣的熱交換，外部空氣通過蒸發(fā)冷卻方案實(shí)施冷卻。該方法的效率將取決于外部空氣的濕球溫度，并且當(dāng)相對(duì)濕度太高以致于蒸發(fā)方案無法很好的奏效時(shí)，將需要借助額外的機(jī)械冷卻方案來管理少數(shù)幾個(gè)小時(shí)的冷卻。該系統(tǒng)具有低PUE的特點(diǎn)，盡管其PUE值通常高于直接空氣系統(tǒng)。

與直接空氣冷卻系統(tǒng)一樣，間接空氣冷卻系統(tǒng)也是將多余的熱量排放到外部環(huán)境中。然而，與直接空氣系統(tǒng)不同的是，很難想到一種有效的設(shè)計(jì)，使得熱回收可以與間接空氣系統(tǒng)相組合。

冷凍水系統(tǒng)

最常用的系統(tǒng)依賴于冷凍水實(shí)施冷卻，通常采用某種機(jī)械制冷，并且其在一年中的大部分時(shí)間通常是與免費(fèi)的空氣冷卻模式結(jié)合使用。系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施與基于空氣的系統(tǒng)不同，其能量在數(shù)據(jù)中心是以液體的形式傳送，并且在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)房是通過液體到空氣的熱交換進(jìn)行冷卻的。

冷凍水系統(tǒng)通常具有比基于空氣的系統(tǒng)更高的PUE值。另一方面，冷凍水系統(tǒng)傾向于允許更大的設(shè)計(jì)靈活性，并且與間接空氣系統(tǒng)相比，需要更少的空間。

冷凍水系統(tǒng)的特殊版本是區(qū)域冷卻。在區(qū)域冷卻解決方案中，使用的是相同的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，但卻是由區(qū)域制冷供應(yīng)商所提供的冷卻作為服務(wù)。提供冷卻服務(wù)的供應(yīng)商們可以使用不同的方法來生產(chǎn)冷凍水，包括海水冷卻、冷卻機(jī)和熱泵。雖然斯德哥爾摩并未有這種模式，但其他地區(qū)的制冷供應(yīng)商們則正在考慮采用吸附式冷卻。

冷凍水系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠有效地進(jìn)行熱回收。在傳統(tǒng)的冷凍水系統(tǒng)中，可以在冷卻塔中將多余的熱量除去。

然而，在使用熱泵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的冷卻的冷凍水系統(tǒng)中，可以提高多余熱量的溫度，使得熱泵通過連接到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為住宅和辦公室供暖。在提供數(shù)據(jù)中心冷卻的區(qū)域冷卻解決方案中，數(shù)據(jù)中心冷卻作為一種服務(wù)提供，熱回收是系統(tǒng)的固有特征，其中回流管將多余的熱量從數(shù)據(jù)中心運(yùn)送到裝有熱泵的生產(chǎn)設(shè)備以及與區(qū)域連接的加熱供暖網(wǎng)絡(luò)。

隨著高性能計(jì)算的出現(xiàn)，液體冷卻的實(shí)施開始出現(xiàn)。一款液體冷卻解決方案不需要液體到空氣的熱交換，并且對(duì)于熱回收更有效，具有更好的吸熱性，更高的溫度，需要更少的機(jī)械輔助，以達(dá)到為住宅供熱的溫度水平。

斯德哥爾摩的數(shù)據(jù)中心和熱回收

斯德哥爾摩非常適合熱回收。在其他地方實(shí)施的許多熱回收項(xiàng)目都不符合熱回收成功的先決條件。第一個(gè)挑戰(zhàn)是需要管理大量的熱量。一處10兆瓦的數(shù)據(jù)中心負(fù)荷能夠供給約20 000套現(xiàn)代化住宅公寓(55 kWh / m2 /年)的供熱需求。因此，在本地或與數(shù)據(jù)中心相同的建筑物中完全重新使用熱量的選擇是不可行的。

另一個(gè)關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)中心依靠一幢單一的建筑物或有限的住宅區(qū)來吸收數(shù)據(jù)中心熱量的風(fēng)險(xiǎn)。

只有當(dāng)數(shù)據(jù)中心連接到龐大的建筑物網(wǎng)絡(luò)，才能在足夠大的規(guī)模和合理的風(fēng)險(xiǎn)下進(jìn)行熱回收。采用斯德哥爾摩12 TWh /年的區(qū)域供熱系統(tǒng)，有足夠的熱量需求來適應(yīng)各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心(相當(dāng)于150處 10 MW負(fù)荷的數(shù)據(jù)中心)的熱回收。

FortumVrme公司在數(shù)據(jù)中心熱量回收，并將其轉(zhuǎn)移到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)方面擁有超過25年的經(jīng)驗(yàn)。自從1989年開始，彼時(shí)，IBM公司開始從其Kista數(shù)據(jù)中心提供熱量。

除了許多較小規(guī)模的數(shù)據(jù)中心所使用的普通區(qū)域冷卻方案之外，F(xiàn)ortumVrme公司還開發(fā)了具有熱回收的特定區(qū)域冷卻服務(wù)，例如，Interxion公司就在Kista的數(shù)據(jù)中心使用該服務(wù)。在Interxion公司，冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)部冷卻水回路所需要的僅僅只是一款熱交換器和循環(huán)泵。在這個(gè)過程中，數(shù)據(jù)中心的余熱被回收并返回到FortumVrme公司，在那里進(jìn)入大型熱泵，然后提供給區(qū)域供熱。

FortumVrme公司已經(jīng)開發(fā)了一種商業(yè)模式，允許任何制熱器與區(qū)域供熱系統(tǒng)接口連接，并接受付費(fèi)供熱——開放式區(qū)域供熱。使用特別選擇用于熱回收的熱泵，熱泵的冷凝器側(cè)與區(qū)域供熱系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，在此進(jìn)行熱量的傳遞，而不是將其散發(fā)到外部空氣中，這允許使用能源被二次利用——為服務(wù)器供電及為斯德哥爾摩市供暖。

圖2：在網(wǎng)絡(luò)不可用的情況下，使用連接到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)和冷卻塔的熱泵的數(shù)據(jù)中心的圖示

目前，在斯德哥爾摩市有三十多處數(shù)據(jù)中心從事熱回收。

具備熱回收的冷卻即服務(wù)(CaaS)

如上所述，熱回收可以在斯德哥爾摩以兩種方式之一進(jìn)行。數(shù)據(jù)中心要么都使用熱泵生產(chǎn)自己的冷卻，并在適當(dāng)?shù)臏囟认聦⒍嘤嗟臒崃颗湃雲(yún)^(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)?；蛘撸捎肍ortumVrme公司所提供的冷卻即服務(wù)(CaaS)的方式，將數(shù)據(jù)中心的多余熱量通過回流管道運(yùn)送到一處生產(chǎn)工廠。在生產(chǎn)工廠，多余的熱量進(jìn)入大型集中式熱泵的蒸發(fā)器側(cè)，為區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生熱量。

在斯德哥爾摩數(shù)據(jù)工業(yè)園區(qū)，F(xiàn)ortumVrme公司對(duì)兩種解決方案都持歡迎態(tài)度。為了實(shí)現(xiàn)和分享規(guī)模經(jīng)濟(jì)，F(xiàn)ortumVrme公司已經(jīng)開發(fā)并提出了一項(xiàng)針對(duì)數(shù)據(jù)中心的增強(qiáng)型CaaS產(chǎn)品，預(yù)計(jì)將達(dá)到超過5兆瓦的計(jì)算機(jī)負(fù)載。通過使用較大的機(jī)器和串聯(lián)的熱泵，可以增加COP，并且，其與通常采用并聯(lián)配置的局部熱回收解決方案相比，電力消耗降低。

每處數(shù)據(jù)工業(yè)園區(qū)(位于斯德哥爾摩的不同地點(diǎn))將包含一款專用的冷卻設(shè)備，其中大型離心機(jī)(而不是渦旋或螺旋式)，冷卻器為整個(gè)園區(qū)的熱回收提供數(shù)據(jù)中心冷卻的CaaS。

從數(shù)據(jù)中心的角度來看，交付的服務(wù)是通過與標(biāo)準(zhǔn)冷凍水系統(tǒng)連接的一對(duì)分配連接的冷凍水，允許這種冷卻系統(tǒng)提供全方位的設(shè)計(jì)靈活性。數(shù)據(jù)中心冷凍水分配系統(tǒng)通過一款熱交換器與CaaS系統(tǒng)接口，在交付側(cè)提供 20°C的水，允許 22°C的水進(jìn)入CRAH單元。熱水返回到CaaS工廠，在那里，其進(jìn)入到產(chǎn)生能夠68°C的水的熱泵，以便根據(jù)供暖需要供給給區(qū)供暖系統(tǒng)。

在斯德哥爾摩Kista數(shù)據(jù)工業(yè)園區(qū)，冷卻服務(wù)的價(jià)格(SEK / MWh)隨著負(fù)荷而下降，反映了隨著量的增加，熱回收的效益增加。在提供的這一產(chǎn)品中，將免費(fèi)提供冷凍水冷卻，以10MW以下的制冷負(fù)荷換取數(shù)據(jù)中心的多余熱量。

　　圖3：斯德哥爾摩Kista數(shù)據(jù)工業(yè)園區(qū)的價(jià)格模型

與使用數(shù)據(jù)中心自己的電氣系統(tǒng)相比，使用公共連接的供電系統(tǒng)被認(rèn)為是減少OPEX的一種方法，熱回收系統(tǒng)被認(rèn)為是減少，并最終消除OPEX以進(jìn)行冷卻的一種方式。借助這一產(chǎn)品，F(xiàn)ortumVrme公司建議每年運(yùn)行CaaS 8,030小時(shí)，可用性為99.7%，允許進(jìn)行修訂和維護(hù)。

該產(chǎn)品同樣類似于電源設(shè)置，企業(yè)客戶將用低CAPEX冷卻器來補(bǔ)充CaaS以實(shí)現(xiàn)冗余，并且在沒有提供CaaS時(shí)冷卻數(shù)據(jù)中心。考慮到估計(jì)使用量低，數(shù)據(jù) 中心運(yùn)營商可以選擇備用冷卻系統(tǒng)，而對(duì)OPEX的關(guān)注度最小。備份系統(tǒng)每年所使用的時(shí)長不到730小時(shí)，鑒于主系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，使得所需的維護(hù)也減少了。數(shù)據(jù)中心的配水基礎(chǔ)設(shè)施由兩個(gè)系統(tǒng)共享。

　　圖4：使用具有集成備份冷卻系統(tǒng)的CaaS的數(shù)據(jù)中心的圖示

如果首選采用完全冗余的CaaS解決方案，則可以提供具有兩個(gè)單獨(dú)Feed的架構(gòu)，但會(huì)影響定價(jià)模式。

效率和環(huán)境

PUE是衡量數(shù)據(jù)中心效率的常用度量指標(biāo)。由于其簡單性，該指標(biāo)變得越來越流行。但是，PUE這一度量標(biāo)準(zhǔn)也受到了一定的批評(píng)，因?yàn)樗荒苋媪私鈹?shù)據(jù)中心的效率及其對(duì)環(huán)境的影響。

　　圖5 ：已100%實(shí)現(xiàn)使用可再生能源承諾的ICT公司(Cook，2017)。

無論以何種方式評(píng)估斯德哥爾摩數(shù)據(jù)工業(yè)園區(qū)熱回收的影響，與競(jìng)爭(zhēng)的冷卻解決方案相比，其對(duì)于環(huán)境的影響總是更好的。沒有熱回收的數(shù)據(jù)中心可以從負(fù)面氣候環(huán)境影響變?yōu)橹行詺夂颦h(huán)境影響，但不會(huì)成為正面的氣候環(huán)境影響。

圖6:具有可再生電力和熱回收的冷卻即服務(wù)的10兆瓦數(shù)據(jù)中心負(fù)載所排放的凈二氧化碳噸數(shù)

結(jié)論

隨著現(xiàn)代社會(huì)幾乎所有方面及其對(duì)能源的不斷增長的需求，我們需要數(shù)據(jù)中心不僅具有成本效益，而且還必須是更加智能化，能夠可持續(xù)地和理想地應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境。

斯德哥爾摩數(shù)據(jù)工業(yè)園區(qū)的計(jì)劃有助于逐步淘汰斯德哥爾摩的化石燃料。到2040年，該城市的目標(biāo)是不再有化石燃料的使用。

加入斯德哥爾摩數(shù)據(jù)工業(yè)園區(qū)并采用熱回收，您企業(yè)將會(huì)對(duì)減少全球二氧化碳排放作出重大貢獻(xiàn)。我們?yōu)榱鉕PEX的大型數(shù)據(jù)中心提供定價(jià)模式，并幫助您企業(yè)實(shí)現(xiàn)真正的綠色數(shù)據(jù)中心——甚至正的凈氣候影響。