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实践

为数据中心降温

安迪·伍兹
ACM通信，2010年4月，第53卷第4期，第36-42页
10.1145/1721654.1721671
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在美国和英国，发电约占一次能源供应的40%到45%，其中很大一部分用于建筑物的供暖、制冷和通风。这一领域的一个新的、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，美国数据中心的用电量约为60亿千瓦时，约占全国用电量的1.5%。在这些电力需求中，通常有超过20%用于冷却计算机设备，但一些较新的安装已经通过数据中心冷却系统设计的一系列创新，以及软硬件的改进，成功地减少了消耗。

随着计算能力的增长和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。可以采用许多不同的系统为这些大型的、能源密集型的建筑提供冷却，并且不断出现改善冷却方案的能源效率的机会。

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，既要考虑外部因素，涉及气候和建筑与外部之间的相关热损失，也要考虑内部因素，涉及采用的冷却方法，以及实现高效热交换的相关挑战。

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参考模型

在这里展示的模型和简单计算中，我采用了一些关于数据中心发电的简化假设，尽管这些数字可以根据不同的系统规模进行调整。服务器的工程设计包括水平机架式服务器和垂直堆叠的机架式服务器，每平方米建筑面积的能量密度可达10kw。因此，对于一个4000平方米的数据中心来说，这意味着每年高达350GW小时的巨大热负荷。

有两种方法可以冷却服务器:水或空气。空气的优点是它可以直接通过包含设备的空间，因此可能容易循环。然而，除非气流路径是针对高产热区域，否则风冷系统很可能涉及温度的空间变化。因此，为了保持设备在正确的工作温度，空气的主体积将需要稍微冷一些。通常情况下，不仅有一个主要的空气供应空间，或服务器机架，而且有小风扇毗邻的设备，具有高的产热率，驱动大量的主空间空气在这些特定的设备部件。如果将服务器集群化，空间内温度梯度的产生仍然会发生。如果外部温度高于主空间所需的温度，这可能导致冷却系统效率较低;这种低效率源于通过建筑结构的传热增加，因为室内温度降低了，这反过来又需要额外的冷却。

已经有许多尝试提供更直接针对热设备的冷却，导致更小的温度梯度。帮助实现这种定向冷却的一种方法是通过使用水作为热交换流体，因为水的比热大，相对于空气密度非常高，因此每单位热流转移所需的体积通量比空气小得多。通过在热设备附近放置冷却盘管，水可以直接对流带走热负荷。如果盘管有一些冷却翅片，通过翅片的空气也会被流经盘管的水冷却。这为混合冷却提供了机会，因此小风扇可以将冷却空气从冷却盘管吹到设备的其余部分，而水盘管本身负责与高热负荷设备的热交换。然而，关于水热交换的一个注意事项是，它需要小心地施工，以免在故障或泄漏的情况下损坏it系统。

简单的考虑说明了通过系统的空气的典型体积流量。例如，美国采暖、制冷和空调工程师协会建议，服务器应提供温度范围为20°25°C(68°77°F)的冷却空气，而从系统中排出的热空气可能高达35°C(95°F)。每平方米10kW的热负荷需要每平方米楼面每秒12立方米的流速。如果将其扩大到4000平方米的数据中心，则需要每秒4,000立方米的空气循环速率。这些空气需要通过管道或管道小心地引导，以确保没有再循环或停滞区域，然后会过热。如果采用水冷却系统，比热就会高得多，因此，对于同样的温度变化，我们只需要通过4000平方米的数据中心每秒分配12立方米的水。这里的挑战是在整个系统中有效分配这些水，以限制过热的可能性;例如，这可能涉及一个带有内置冷却水板的新颖机架设计。

有许多节能的方法可以从建筑物中吸收热量。一个需要考虑的关键问题是直接与外部空气交换内部空气。

一旦空气或水通过服务器系统的一部分并加热，热交换或热排除系统需要将热流转移出数据中心，并提供新的冷却空气或水的来源，然后这些空气或水可以再次在服务器系统中循环。现在让我们探索一些可能的方法，以从数据中心拒绝这种热流。首先，我评估了空对空冷却的设计，假设系统是风冷的，或者水是由建筑内的水-空气热交换系统冷却的，然后用空对空设备排除热量。

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空气冷却:气候挑战

有许多节能的方法可以从建筑物中吸收热量。一个需要考虑的关键问题是直接与外部空气交换室内空气;由于空气除尘和调节湿度的挑战，可能会限制这种空气的直接交换;内部和外部之间的空对空传热可以通过热交换器实现。如果外部空气可以直接带入数据中心，那么热交换器可以简化为，或与直接交换空气相结合;与制冷/制热相比，热交换或空气交换的优点在于通过空间或热交换器泵送空气与使用制冷循环冷却室内空气所需的能量不同。

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，在这种情况下，冷却空气能够直接进入高热负荷区域，从而最小化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。位于温带气候地区的建筑可能比位于炎热气候地区的建筑节省相当多的能源，因为炎热气候地区的温度超过了理想的进风温度。

实际上，如果外部温度低于20°25°C(68°77°F)，就有可能使用直接热交换系统来降低内部空气的温度，通过热交换器通过空间再循环，热交换器也连接到外部空气(参见图1)．这种直接热交换可以提供一种有效的冷却空气的手段，因为热交换器只需要机械动力来驱动空气通过系统。此外，如果外部空气可以直接进入内部，通过热交换器(例如，热轮)驱动空气的一些机械功可以减少，尽管在寒冷的外部条件下，可能需要将进来的空气预热到一个舒适或可接受的温度。如果这不是通过与加热的内部空气的热交换器来实现的，它可以通过与内部空气直接混合来实现。^一个

如果外部空气温度高于20°25°C(68°77°F)的温度范围，那么循环空气可能需要通过热泵或其他制冷系统进行一些直接冷却。然而，只要外部温度不超过流出热空气的温度，就有可能使用直接热交换来降低空间内空气的温度，从而补充热泵的使用，后者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。在冬季气候中，直接热交换方法可能是非常有效的，可以导致一个高效的系统，这可能只需要在非常热的日子里备用冷却系统。这种系统的挑战之一是包括热泵和热交换系统的资本成本，尽管如果热泵只在一年中的一小部分使用，运行成本可以大幅降低。

例如，加州伯克利的气候，当温度超过77°F(25°C)时，通常只有330小时，如图所示图3；730小时的温度超过72°F(22°C，简单的热交换器需要补充冷却能力。由于数据中心通常是连续运行的，这只占一年中的不到8%到9%，因此直接热交换系统(图1)可能有相当大的优点。

在直接热交换系统中，内部的空气将其热量转移到外部，例如，通过一系列平行的板进行空气-空气热交换或使用旋转的热交换轮。这样冷却就不需要热力学功了，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进行一些热量交换，但需要额外的冷却，将流入空气的温度提高到20°25°C(68°77°F)。

在空对空热交换器中，主要的能量消耗在驱动空气通过热交换器所做的功中。这种热交换器可以相对高效。例如，一个旋转轮热交换器可能涉及约200300pa(帕斯卡)的压力损失，流速为4000立方米/秒，因此许多这样的换热器，这将涉及约0.8MW1.2MW(或更多)的工作负载，这取决于效率和风扇的数量(见图4)．

这将允许10MW的冷却负荷，使用该冷却负荷的10%用于热交换的机械功，尽管重要的是要认识到，在系统的整体效率中会有额外的损失，可能与管道的损失和抽气系统的效率有关。值得注意的是，在没有热交换器的情况下，直接换气是可能的，我们预计这个总体能耗数字将大于直接从外部供应和混合空气所需的能量，但在相当的量级上。

考虑到这种方法在实际实施中的低效率，我们可以预期直接热交换冷却的能源成本将超过冷却负荷的10% - 20%;这可与冷却装置(例如热泵)的能量损失作比较。热泵的COP系数可达1:4或1:5，约占冷却负荷的20%至25% (图5)．这种直接机械空气再循环系统，通过热泵或冷水机系统将热量排到外部，当外部比内部(即> 25°C, 77°F)更热时，将需要使用，因此直接交换不再可行。在制冷系统的运行中，空气温度的降低量和空气的流量之间有一个平衡，以达到相同的总体冷却通量。温度降低和流量之间的最佳平衡取决于风扇所需的能量(随着流量的增加而增加)和冷却热泵的效率(通常随着热泵之间的温差增加而降低)。通过对耦合系统的优化，可以找到最节能的机械冷却运行方式。

这些基于外部气候条件和内部热负荷的简单观察发现，数据中心面临的主要挑战是大量空气(或冷却流体)的循环以去除热量;这将消耗大量的能量，在高温条件下，除了泵送工作外，还需要冷却再循环空气，这将大大增加能量负荷。

与全年使用制冷循环相比，采用上述方法所能达到的典型节省可能是非常可观的;当外部条件较冷时，使用直接热交换可以节省很大一部分用于冷却的能量。这里提出的想法可能能够大幅减少能源消耗，但这取决于环境温度;已经安装了一些采用这种通用方法的方案，包括英特尔和京都冷却系统的方案，但这一设计原则似乎有巨大的潜力得到更广泛的采用。

然而，这一分析指出，需要将数据中心定位在较冷的气候区，在那里，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。事实上，随着需要冷却的小时数的增加，数据中心消耗的能量也会增加。如果工作时间增加一点点x假设直接冷却的使用占能源消耗的四分之一左右，则能源消耗可能增加约为IT设备供电总能源消耗的0.2倍。这就说明了将数据中心设在更北部或更冷的气候带的好处。

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空气冷却的室内设计考虑

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，如果不是所有的冷冻空气都到达高热负荷的设备，那么温度梯度就会建立，因为热量从该设备转移到主气流;尽管在平衡状态下，流出的混合气流是相同的，但在给定的温度下，设备可能比“混合良好”的模型更热。这种分层的主要挑战是，为了使设备保持在期望的温度内，周围的空气需要比期望的设备温度更低。在炎热的外部条件下，保持主空间较低的温度，以保持设备在所需的温度，可能导致过冷;这是因为通过建筑的隔热围护结构获得的热量会随着室内温度的下降而增加。

根据墙壁和天花板之间的传热，加上10°C(50°F)的额外冷却，这可能会导致数据中心每平方米的额外热增益高达2030瓦。在一个4000平方米的数据中心，这相当于近0.1兆瓦的冷却功率。尽管这只是总负载的一小部分，但仍然非常重要。此外，为了通风目的与外部交换的任何空气都需要进一步冷却10°C(50°F)，再次增加了冷却负荷。

通常使用地下空气分配系统通过被冷却的设备提供均匀的空气供应。一种方法是通过一个“冷”走廊提供空气，并从相邻的“热”走廊提取热空气，在连续的服务器之间。因此，这就产生了横流，横流穿过一排排的冷却设备，将热量转移到循环空气中;这个想法是通过地板下的冷却装置回收空气。然而，这种配置设置了温度梯度。

图6显示了一个有一排排服务器的数据中心，冷空气从地板进入，通过服务器的机架，然后通过下一个热走廊返回到地板下面的冷却系统。热回风可以通过位于地板以下的制冷设备进行冷却，也可以通过与外部空气使用直接热交换器系统进行冷却，具体取决于外部温度，如前所述。黄色的箭头图6展示了热交换系统是如何将热量排到外部的，也许是通过湿盘管系统。

这种设计包括一系列的流入和流出通道，已经在一些数据中心使用，但可能有机会提高系统的能源效率。

其中一个挑战是，如果空气是从地板上抽走的，那么在热走廊中流动的是反重力的，任何冷热空气区的混合都需要更大的流速通过服务器，以避免过热。这个问题的一个解决方案可能是向服务器机架提供低水平的空气，并直接从服务器机架顶部上方抽取空气。然后，空气可以通过管道进入制冷装置，并重新供应到空间(图7)．这可能会导致大量的分层，因为进入设备机架的空气是冷的，而离开在一个高水平已经通过热交换加热;从能源的角度来看，这样的配置是有益的，因为冷空气经过热设备和升温，从空间排出的温度要高得多。然而，热负荷的垂直范围需要仔细的限制，这样高水平的设备就不会因为从低水平的热量上升而变得不可持续的热。

这种设计减少了加热冷送风的机会，除非通过来自服务器的热交换，因此可以减少气流。理想情况下，该系统将与直接热交换与外部(图1而且2)以便尽可能少地使用制冷装置进行冷却(例如，只在非常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，以及根据计算负载对机器使用的相关控制。前面所述的一个关键信息是关于在主要空间中产生热量的设备和空气之间的温度梯度的发展;这种情况可能需要降低主空间的温度，以维持来自设备的传热，以便设备能够在正确的工作温度范围内工作。堆垛和定位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。使用向上流动的位移方案，并将产生热量的设备分布在整个楼面空间，将最大限度地减少这种温度梯度的积累，因此，任何时候所需的冷却程度或通过特定供气路径的冷却空气的流量都将减少。将服务器交换和虚拟化软件与冷却系统的能源效率相结合，提供了开发硬件使用策略的潜力，可以大幅节省特定硬件活动的冷却负载和气流速率要求，特别是在数据中心硬件容量存在一些延迟的情况下。

在一个节能的世界里，服务器的主要用途将被最小化，以减少主要的热量产生。

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总结

这张简化的计算机数据中心图片说明了基于服务器冷却系统设计的中心能源性能的巨大变化。在一个节能的世界里，服务器的主要用途将被最小化，以减少主要的热量产生。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减少计算资源的使用，而不影响系统的速度。然而，考虑到热负荷，很明显，通过仔细设计数据服务器中心的空气对流流模式，加上混合热交换/制冷系统的使用，可以大大减少冷却运行中的服务器所需的额外能量。

除了直接换热系统和风扇的设计外，还有许多优化制冷系统能效的选择，包括使用地源热泵和空对空热泵。考虑到互联网和银行服务提供商数据中心的大规模扩张，优化其冷却系统的设计有可能节省大量能源，并显著降低中心的运营成本。