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善用自然冷卻技術 步入機房節能捷徑

Google資料中心充分利用自然環境溫度行冷卻,甚至多處機房均未配置冰水機(Chiller);圖中的芬蘭資料中心利用海水冷卻,便是其中一例。來源:Digital Trends

美國空調技術委員會針對裝有電子設備的運轉的機房環境條件,定義為Class 1?4等四種等級,其中Class 1係屬於企業等級,適用於用於企業級營運伺服器或儲存用資料庫等應用場域,對於乾球溫度、露點溫度、相對濕度等室內環境狀態,賦予最為嚴謹的控制標準。

有關Class 1對應的IT設備環境設定條件,IT機櫃內乾球溫度需介於攝氏15?32度之間,相對濕度介於20?80%之間,最大變化率溫度為5度?h,最大變化率相對濕度為5%/RH/h,最大露點溫度則限制在17度。

儘管Class 1所適用的環境設定條件,相對於Class 2?4等另外三級嚴苛,但若著眼於資訊設備可接受之機櫃入口氣流溫濕度條件,其實還算寬鬆,舉凡乾球溫度26度、相對濕度50%等狀態,都還落在可被接受的範圍內;在此前提下,亦為台灣資訊機房採用自然冷卻,鋪陳了莫大的想像空間。

綜觀台北的氣象條件,全年外氣低於乾球溫度26度、相對濕度50%等焓值的時間,約佔四成比重,所以不無利用自然大氣環境之低能量源、作為IT設備冷源的可行性,如此一來,即可減少空調製冷主機的運轉時間,進而實現節能目的。

Google資料中心  堪稱自然冷卻經典範例

一向站在全球資料中心技術先驅的Google,其機房能耗控制成效,始終是舉世學習的標竿,PUE數值低到令人咋舌的地步,深究箇中關鍵,自然冷卻無疑稱得上重要驅動力之一;該公司擅於結合室外自然環境溫度,儘可能利用外部冷源帶走熱量,能不啟動機械製冷,就不啟動,絕不輕易浪費電力。

幾年前,便有媒體悉心整理了Google位在歐洲的三個100%自然冷卻案例,相關的3個資料中心,都完全沒有配置冰水機(Chiller)。其中的芬蘭資料中心,100%採用海水冷卻模式,堪稱為全球首例,其透過管道系統把海水送進伺服器的熱交換器,讓海水吸收其中熱量後,再被排入大海;憑藉這般運作方式,該資料中心並未設置任何冷卻系統。

至於Google比利時資料中心,位在該國西部的Saint-Ghislain城鎮,一年之中平均僅7天不符自然冷卻的要求,因此其善用得天獨厚的自然條件,自附近的工業運河抽取水源,再以蒸發冷卻方式供應機房所需冷量;在此情況下,該資料中心僅採用冷卻水塔來散熱,並未部署冰水主機,據此實現了100%的水側自然冷卻,也是Google旗下第一座完全仰賴自然冷卻的資料中心。

此外,Google位於愛爾蘭都柏林的資料中心,則是100%採用空氣側自然冷卻的案例。據悉,該資料中心受限於所處建築結構、及略顯不足的供水量,因而無法裝設大型冷卻水塔,所以決定另闢蹊徑採用模組式空調箱(AHU),從室外取用自然空氣送進混風室,與機房內的回風加以混合,再經由過濾與加濕程序,接著利用AHU風扇送至直接蒸發盤管進行冷卻,最終透過送風管進入機房內部。

而進入機房的冷空氣經過IT設備加熱,爾後就循著被封閉的熱通道向外流動,一部分直接排放至室外,另一部分則參與回風。

善用水側間接冷卻  降低冰水機能耗

上述Google比利時資料中心之例,採用的是水側自然冷卻技術。探究此技術的運作原理,是利用低乾球溫度或低濕球溫度的外氣,把冷卻水降溫到可以符合機房冷卻的條件,以支應機房冷卻需求,繼而部分取代、或全部取代製冷主機的冷卻量,終至大幅節省製冷主機耗能。

就台北地區氣象條件來看,全年外氣濕球溫度低於20度的時間,約佔五成比例,因此有條件被用以成為資訊設備的冷源,以減少空調主機的運轉時間。

水側自然冷卻可分為兩種類型,一是直接冷卻,另一則是間接冷卻。以水側直接自然冷卻系統而論,當外氣濕球溫度夠低,低到足以將冷卻水降溫到機房所需之冷卻負荷需求,系統便會直接將低溫冷卻水循環到空調箱之冷卻管排。

持平而論,採取水側直接自然冷卻,不管在於可利用時間、乃至節能空間,皆明顯大過間接冷卻,看似效益卓著,但有意採用此技術的企業必須留意,一旦採用直接自然冷卻,務必要一併採用密閉式冷卻水塔,以避免造成管排的結垢與清潔等問題,反而蒙受其他後遺症。

至於水側間接自然冷卻系統,則是當外氣條件足夠低時,將冰水主機系統的冷卻水經過冷卻水塔降至低溫條件,再利用板式熱交換器間接冷卻冰水迴路,降低製冷主機的冷卻負載,藉以達到節能目的,倘若冷卻水的水溫夠低,亦有可能停止製冷主機運作,促使節能效果極大化。一般來說,由於水側間接自然冷卻方法,不會產生管排結垢與清潔等負面效應,因此被建議採用的機會較大。

不可諱言,就冰水機來看,想要供應一般情況所需的攝氏7度或5度冰水,電力消耗量幾乎不分上下,既然如此,似乎並無採用外部自然冷卻的迫切性,然而專家提醒,低溫的水容易產生結露現象,但如果結合水側自然冷卻節能概念,冰水機的供水溫度,便可調高到10度以上,甚至來到13度水準,不僅有助於避免結露產生,更能有效降低冰水主機的耗電量,節省幅度高達40?50%。

業者指出,若一座資訊機房的能耗分布結構予以拆解,可發現廣義的空調系統佔比,大致落在40?50%區間,比重相當高,無怪乎揹負「耗電大戶」原罪,但如果進一步細究,即可以發現空調機組(CRAC)所佔比例僅在10%出頭,冰水機組反倒高居30?40%比重,算是拉高PUE數值的「罪魁禍首」之一,所以若能以水側間接自然冷卻方式降低冰水機的能耗,無疑可謂美事一樁。

援引間接外氣空調  挑戰PUE 1.2x新低

除水側自然冷卻外,另一較常被提及的技術,即是空氣側自然冷卻、或稱外氣空調。顧名思義,此項技術所強調的,就是盡量利用外氣來冷卻降溫,但也分為直接冷卻、間接冷卻兩種模式;若使用直接冷卻,當外氣焓值低於回風溫度,便意謂外氣對於機房具有冷卻效果,惟需一併建立空氣汙染品質(塵埃、硫化物、氮化物等有害物質)的防治機制,否則恐將損傷IT設備、得不償失,另需留意一點,如果外氣的相對濕度過低或太高,就需要額外進行加濕或除濕調整,反而徒增處理成本。

相形之下,間接外氣空調系統便是相對合宜的選項,其搭配使用水對水之熱交換器,避免外氣直接進入機房,可有效維持空氣品質,又可善加利用外氣溫度,當低於10度時,完全以外氣進行冷卻,若高於10度,則可依據機房所需溫度,便由系統自動判斷控制,以部分外氣、部分壓縮機的混合方式進行冷卻。

除此之外,一經部署間接外氣空調系統,更可免佈建一般空調系統所需搭配之冷卻水塔、外調機、冷卻水配管、熱源機械室、離心式冰水機、冰水泵浦、蓄放熱用熱交換器甚至蓄熱水槽等一干設施,使製冷架構趨於精簡,不僅有助省卻建置成本,更可營造更大擴充彈性。

目前在台推廣間接外氣空調系統最為賣力者,首推來自日本的富士電機,其依據台灣氣候條件進行實證,證明採用間接外氣空調,有機會讓PUE數值降至1.2?1.3之間,效果優於水側自然冷卻的1.4?1.5。

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