揭示數據中心冷卻的隱性成本-機房精密空調制冷

行業專家表示，環境法規正在增加互聯網數據中心傳統冷卻方法的成本。那么數據中心運營商如何降低運營成本，并獲得綠色資質認證?

數據中心部門需要加強教育，了解不同冷卻方案及其對運營支出(OPEX)、能源效率和環境的影響。許多數據中心運營商對直接膨脹(DX)空氣制冷系統或冷凍水制冷系統十分熟悉，但需要更深入地了解可以幫助數據中心實現長期可持續發展目標的新方法。

隨著混合冷卻等新技術的出現，冷卻技術正在加快發展，這種新技術有可能顯著降低能源消耗和數據中心的環境影響。由于冷卻系統占數據中心使用能源的40%，是數據中心運營商最大的支出之一，因此需要了解各種冷卻技術的隱藏成本及其比較方式。

直接膨脹(DX)冷卻

在過去的15到20年間，直接膨脹(DX)冷卻技術已經成為市場主導的冷卻解決方案，直到最近，還被認為是廉價且易于安裝的事實。直接膨脹(DX)冷卻裝置具有許多優點，例如良好的冷卻水平和較低的占地面積。由于這些系統基于間接冷卻技術，因此也沒有將污染物從外部帶到數據中心的危險。

然而，從制冷劑成本的角度來看，直接膨脹(DX)冷卻系統從能效角度來看并不那么令人滿意，直接膨脹(DX)冷卻系統也有很大的不穩定性，這意味著這些冷卻設施不再是低成本的選擇。

水冷卻

近年來，隨著數據中心的容量穩步增加，冷凍水系統也開始嶄露頭角。然而，混合冷卻解決方案的優點是每單位制冷劑的加注量較低，盡管這些混合解決方案使用與冷卻器類似的工藝操作。例如，一些大規模的混合冷卻解決方案，每個制冷回路使用7.6千克制冷劑(雙回路)。

一個等效的傳統冷水機系統能夠以1：1的比例使用大約40%的制冷劑。在大型恒溫恒濕空調制冷系統上，同樣重要的是要注意，如果冷卻器出現故障，則會有更大的風險導致大量制冷劑流失。使用混合冷卻系統并采用多個設施制冷，而大量損失制冷劑的風險將顯著降低。

混合冷卻

混合冷卻結合了直接膨脹(DX)冷卻系統的可靠性和控制性的優點，以及自然冷卻系統的節能優勢。在溫暖的月份，當外部環境溫度高于20°C時，混合冷卻系統可以作為水冷直接膨脹(DX)冷卻系統運行，其中制冷壓縮機通過板式熱交換(PHX)冷凝器將熱量排放到冷卻水回路中。水被泵送到鼓風冷卻器中冷卻，熱量被排放到空氣中。

在較冷的月份，低于20°C的外部環境溫度，某些系統控制室會自動切換到部分自然冷卻模式。在這種模式下，冷卻水被引導通過兩個比例控制閥，并使自然冷卻和水冷直接膨脹(DX)冷卻系統一起工作，使用冷卻器風扇將水冷卻到所需的水平，以達到所需的冷卻能力。

在冬季，根據水溫或熱負荷需求，冷卻水可以在“自然冷卻模式”下使用。在此模式下，冷卻水只通過自然冷卻盤管進行冷卻，無需機械制冷(通常低于設定值3°C)。

由于該技術還使用間接冷卻技術，因此不存在將污染物從外部引入數據中心的風險。

混合模式冷卻

混合冷卻模式是自然冷卻和直接膨脹(DX)冷卻之間的組合。這意味著外部的環境空氣足夠冷，可以預先冷卻提供給混合體冷卻裝置的水，但不足以將其溫度完全降低到所需參數(通常比內部設定值低3℃～6℃，這取決于系統效率。)這個“最佳平衡點”需要機械制冷設施作為“補充”，以滿足數據中心負荷的制冷需求。混合模式冷卻通常占系統潛在運行模式的50%～68%。

數據中心運營商可以通過提高回風溫度來擴展其混合冷卻設備的自然冷卻和混合冷卻模式的潛力。如果將回風溫度從24℃提高到27℃，每年可節省40%的額外成本。

與傳統的直接膨脹(DX)冷卻系統相比，這種混合冷卻方法大大降低了功耗，使數據中心能夠實現巨大的成本節約。數據中心運營商也開始仔細審查投資回報，這也是混合冷卻方法可以帶來顯著效益的地方。其回報取決于冷卻系統的大小和位置，但投資回報可能非常快，中型數據中心(約500kW)約為3～4年。然而，規模較大的混合冷卻系統提供最快的投資回收期。

制冷劑的隱性成本

混合冷卻系統的初始資本性支出(CAPEX)高于傳統的機房空調(CRAC)單元。但在計算總體擁有成本和運營支出時，還有其他因素需要考慮。作為歐盟能源戰略的一部分，到2030年，需要將氟化溫室氣體(F氣體)減少60%。

最新法規于2015年生效，這意味著制冷劑的可用性和成本將受到2020年修訂目標的嚴重影響，預計制冷劑成本將進一步上升。由于制冷劑價格非常昂貴，這可能會對冷卻技術的總體擁有成本產生重大影響。

例如，2017年8月，R407c和R410a制冷劑的平均購買價格分別為每公斤14.78英鎊和29.78英鎊。到2018年7月底，R407c和R410a的平均購買價格分別上漲至每公斤50.66英鎊和58.59英鎊，不久之后又進一步上漲。如果看一下50m(等效長度)和80kW的總散熱能力，制冷劑的成本相當于每個冷卻系統的成本從1,800英鎊上升到將近3,600英鎊，僅在一年內就增加了98% 。

然而，不僅僅是制冷劑的隱性成本給數據中心帶來了潛在的負擔。未來，數據中心運營公司和員工的認證將會加強，并且需要保持記錄。而這些記錄需要保存至少五年，并且必須包括使用的F氣體的類型、數量以及在移除時如何回收。因此，當今考慮使用可持續解決方案并盡可能減少制冷劑的使用非常重要。

混合冷卻解決方案需要的制冷劑數量顯著減少，在這種制冷劑價格飆升的背景下，這是一個顯著的優勢。

制冷劑泄漏：法律要求

重要的是要注意，數據中心運營人員將在未來負責防止制冷劑從其設備中泄漏，而安裝、維護或處置設備的承包商應承擔此責任。

但是，對于含有F氣體的設備，超過一定的閾值，需要以特定的間隔檢查冷卻設備的泄漏情況。簡而言之，這意味著其維護不再是反應性響應，而是法律要求。這些檢查必須構成預防性維護策略的一部分。

采用全球變暖潛能值更低的制冷劑

人們對具有更低全球變暖潛能值(GWP)的新型制冷劑的潛力非常感興趣。目前正在由數據中心冷卻行業審查的新型“超級制冷劑”是R1234ze和R1234yf。不幸的是，全球升溫潛能值較低制冷劑CRAC DX解決方案的開發進展緩慢，未來還需要考慮折衷方案。

全球升溫潛能值制較低的制冷劑的初始成本可能會更高，但其可燃性也需要仔細的風險評估。丁烷是一種很好的制冷劑，但是其性質非常危險。新型制冷劑將面臨類似的問題，并將受到越來越嚴格的審查。與使用包含多個小型裝置的混合冷卻系統相比，使用200千克制冷劑的大型單臺冷卻器存在更大的泄漏風險，每個小型制冷裝置使用18千克制冷劑。隨著有關制冷劑的法規繼續得到加強，數據中心運營商將會越來越意識到這一問題的嚴重性。

可持續發展的未來

下一代數據(NGD)和其他高端數據中心現在采用混合冷卻技術，數據中心管理人員發現可以節省成本，實現綠色環保，并確保高水平的彈性。隨著制冷劑成本的持續上升，傳統制冷技術的運營成本將越來越高。在未來，混合冷卻技術可以幫助降低與制冷劑相關的風險，同時利用可持續的自然冷卻方法。