冷池技术让数据中心更环保

文/查贵庭 张勇 李新权

绿色数据中心面临的挑战

虽然绿色数据中心国内外还没有相应的评价体系，但评价指标PUE值已被业内所认可。PUE值由美国的行业组织绿色网格(GreenGrid)推出，已经成为衡量数据中心效率的最常用标准。从“PUE=数据中心总负载/ IT 设备负载”，可以看出绿色数据中心关键指标就是要节能。

根据美国电力公司（American Power Conversion Corp）2006年的统计报告，在整个数据中心的能耗中，空调制冷所占能耗比例最高，达到了33%（见图1）。可见，现阶段要降低数据中心能耗、实现绿色数据中心目标，优化空调制冷系统、降低空调制冷能耗是重中之重的任务和关键环节之一。

图1 数据中心的能耗结构

冷池制冷技术

冷池技术

冷池技术是在机柜间或机柜内构建专门限于机柜设备制冷用的冷通道，并将冷通道与机房环境热气完全隔离，从而将冷空气限制在机柜中，避免了冷热空气混合、限制了冷气设备散热作用、改善了冷空气利用率、提高了机房制冷效率和制冷效果。冷池技术的创新

第一，冷池技术将冷空气局限在机柜小环境中，冷空气必须通过机柜才能释放到机房、实现空气循环，有利于机柜中所有设备散热，可彻底解决机柜中局部过热问题；

第二，冷池技术将冷热气体完全隔离，提高了回风温度，解决了机房环境温度过低、机柜设备温度过高的困境，避免了空调无效工作，提高了制冷效率和制冷效果；

第三，冷池技术可有效降低机房能源消耗率PUE数值，提高数据中心效率（DCE，Data Center Efficiency），可增加机柜设备存放密度，提高数据中心的IT设备容积率。

冷池方案及其比较

1. 两种冷池方案

数据中心制冷中采用冷池技术称为数据中心冷池方案。冷池方案根据冷通道位置差异分为外冷池和内冷池两种类型。

外冷池是在两组机柜间建立密封制冷空间，利用两组机柜间的空调下送风，使两组机柜间自然构成冷通道，确保冷风必须穿过这两组机柜、被两组机柜中设备利用后实现回风（见图2），从而确保设备能有效利用冷气，提高机房制冷效率与效果。

图2 外冷池方案

图3 内冷池方案

内冷池则是将一排机柜（或独立机柜）密封为前有冷风通道、后有散热孔的空气循环结构，冷通道（冷池）设置在机柜内部，空调通过特定管道将冷气送入冷池，以确保冷气被机柜中设备所利用（见图3）。内冷池根据空调设备不同，还可以分为模块式空调直接送风方式和外部空调专用通道送风方式两种。

2. 不同冷池的比较

外冷池和内冷池都能提高制冷效率、改善制冷效果、降低数据中心PUE值、提高机房IT容积率，但在实现过程中，工艺、成本存在差异。其中，外冷池对机房工程没有特殊要求、造价相对便宜，适用于新建或改造机房；而内冷池则对机柜密封工艺要求较高，消防设置也较复杂，机房造价成本也较高，主要适用于新建数据中心；随着空调系统模块化、数据中心机柜化与一体化的趋势，内冷池将代表未来数据中心制冷的方向。

图4 南京农业大学数据中心布局

冷池技术的应用与评价

冷池方案的选择

为了满足信息化快速发展的需要，2010年我校开始规划新的数据中心，新数据中心设计总体目标是在满足当前和未来学校事业发展需要的前提下，具有先进性、扩展性、节能性。

图5 南京农业大学数据中心冷池系统

表 外冷池与内冷池的比较

在充分调查和研究数据中心制冷技术的基础上，结合新数据中心布局特点，最终选择了外冷池制冷方案（见图4）。

经过几个月的建设，一个具有良好制冷效率与效果的数据中心制冷体系获得了成功，经运行、测试与对比，制冷方面节能效果显著，超过了预期的目标。

冷池的应用成效

1. 机房人体舒适度

在冷池数据中心，因机房环境为回风，其温度相对较高，约28℃，进入机房人体不再感觉很冷，人体舒适度明显提高。冷气已完全被限制在冷池中，确保了机柜中的设备能够优先获得冷气来散热、降温。

2. 冷池节能评测目前对数据中心制冷系统进行节能评测的依据主要为空调回风温度的变化，其中，Oracle公司估算“回风温度每提高1°C，制冷能源成本将下降4%~5%”；其他研究则认为“当空调系统的送风和回风温度提高1℃时，空调系统节电约3%，同时空调系统的制冷能力提高约5%”。

根据我们对冷池和非冷池数据中心的环境回风温度现场测量，冷池系统的新数据中心回风温度约在29°C ，而非冷池制冷的数据中心室温约在20°C 。假设两个机房设备制冷效果一样，则可以推断采用冷池技术的数据中心的回风温度提高了约9°C 。空调节电情况

依据回风温度每提高1°C ，空调节电约3%计算，则我们的冷池技术数据中心，其空调系统节电约27%（9×3%=27%）。

空调制冷能力

如果依据回风温度每提高1°C ，空调制冷能力提高约5%，则采用冷池技术的新数据中心空调制冷能力提高了约45%。

PUE值

根据PUE计算公式“PUE=数据中心总负载/ IT设备负载”，并按空调占整个数据中心电力负载的33%计，则我们采用冷池技术后，数据中心仅空调一项就可将PUE值降低了约9%。

空调电力成本

根据Oracle公司回风温度每提高1°C，能源成本下降4%~5%的算法，则新数据中心冷池制冷系统，可使数据中心空调能源成本下降约36%~45%。

无论从冷池技术应用的机房人体舒适度看，还是从空调节电、空调制冷能力提升、PUE值下降、空调电力成本降低等定量指标来看，采用冷池技术的数据中心，其制冷效率、制冷效果、机房IT容积率、投资成本等方面都表现得令人满意。

可见，采用冷池技术的制冷系统无疑解决了长期阻碍绿色数据中心推进的最基础、最难以克服的问题，消除了绿色数据中心建设与发展过程中的最大障碍。随着数据中心“绿色革命”的推广，冷池技术将逐渐取代传统制冷方式，成为绿色数据中心制冷技术的主流，引领着绿色数据中心建设与发展。