近年来，数据中心呈爆炸式增长; 然而，这种对数据处理的需求增加是有代价的，因为数据中心以其大量的能源消耗和碳足迹而臭名昭著。 事实上，根据能源部 (DOE) 的数据，数据中心每层楼消耗的能源是典型商业办公楼的 10 到 50 倍，约占美国总用电量的 2%。
为了解决这个问题，人们更加重视促进数据中心的可持续性。 HVAC 系统在实现可持续性方面发挥着重要作用，因为该设备负责确保数据中心的温度和湿度水平每周 7 天、每天 24 小时保持在可接受的范围内。 通过实施可持续的 HVAC 解决方案，数据中心运营商可以显着降低能源消耗和环境影响。
可持续发展战略
可持续发展的数据中心旨在平衡对可靠和有效数据处理的需求与最小化其环境影响的需求。 丹佛斯数据中心业务发展总监 Michael Strouboulis 表示，为实现这一目标，可持续数据中心积极致力于减少用电量、能源、水和碳排放。
“降低电源使用效率(PUE)，衡量进入数据中心的总功率与信息技术设备(ITE)消耗功率的比率，以及水使用效率(WUE)、碳使用效率(CUE) ) 和增加能源再利用 (ERE)，是实现可持续性和净零碳目标的关键，”Strouboulis 说。 “向所有这四个指标的过渡自然涉及查看整个数据中心基础设施，包括支持数据中心冷却和 ITE 热管理的机械系统，它们占设施电力的 30% 到 40% ”
江森自控应用暖通空调全球产品业务发展全球总监Mukul Anand表示，可持续数据中心还努力通过利用可再生能源、采用节能暖通空调设备和监控技术来实现碳中和目标和降低碳排放，同时确保可靠有效的电力供应。
“配备数字化的 BMS 和优化软件提供了洞察力和控制力，可帮助设施经理尽可能高效地运营建筑物，”Anand 说。 “一些设施经理还与 HVAC 制造商合作，寻找在其他建筑区域使用废热的方法，从而最大限度地减少化石燃料的使用。 作为回应，HVAC 工程师正在开发可以非常有效地利用这些余热的产品。”
数据中心的可持续性不仅仅局限于其电源，还包括其构造和设计。 例如，Ruskin 的项目经理 Rachel (Ray) Larimore 说，所使用的材料和部件必须耐用，并通过避免不必要的维修和更换来最大限度地减少浪费。
“设计还应该最大限度地利用空间，同时便于维护，”Larimore 说。 “HVAC 系统通常难以接近进行维护，因为它们通常建在墙壁和高高的天花板中。 然而，数据中心所有者在设计设施时特别注意维护计划和使用寿命。”
Infinitum 的应用工程师贾斯汀·斯科特 (Justin Scott) 表示，最后，可持续数据中心具有限制废物和环境污染物的报废策略，这是此类设施的一个关键方面。
“运营商必须负责任地处理制冷剂和其他液体，并与合作伙伴合作回收或再制造组件和子组件，”斯科特说。 “数据中心还有数以千计的电机，这些电机采用铝、钢和磁铁等贵重材料，可以通过翻新和再利用获益，而不是被扔进垃圾填埋场。”
暖通空调解决方案
在新的或现有的数据中心中实现可持续性可能是一项挑战，因为很难平衡设计条件与能源效率。 Anand 说，正常运行时间对数据中心绝对至关重要，因此 HVAC 设备的设计必须能够使设施在将面临的最极端条件下保持运行。
“然而，数据中心可能只会经历几次极端条件——如果有的话——这可能会导致在可持续性方面做出权衡，”Anand说。 “这是因为设备通常在最初未选择的条件下运行，这可能会导致能源效率降低。”
广泛用于提高数据中心可持续性和降低能耗的一项技术是自然冷却。 自然冷却是指利用较冷的室外空气来降低设施冷却水或空气的温度，而不需要机械冷却。 通过使用自然冷却，HVAC 系统可以显着降低能耗和运营成本，尤其是在气候温和的地区。
“数据中心使用直接蒸发冷却来实现冷却，这可能是水和能源密集型的，”Anand说。 “我们看到那里发生了转变。 风冷式冷水机的进步使得使用节能代替成为可能。 一些风冷式冷水机组具有额外的自然冷却盘管，可在环境条件较温和或较冷时产生自然冷却。 最新的风冷式冷水机在倒置条件下运行，这意味着即使在没有自由冷却盘管的情况下，它们也可以提供自由冷却，从而在低环境条件下提供出色的效率。 这些更轻的冷水机还可以减少碳足迹。”
利用节能电机和变速驱动器(VSD)对于优化冷却系统组件(如压缩机、风扇和泵)的能耗也至关重要。Strouboulis说，VSD允许电机的输出与计算需求相匹配，并通过在任何给定时间提供所需的精确功率量来节省能源。
“VSD对能源消耗的影响是巨大的，”他说。“配备无油磁轴承VSD压缩机的冷却器是数据中心使用的最高效的设备之一，因为它们在整个生命周期内提供高效的传热和可靠的冷却，而没有其他类型压缩机的维护要求和性能下降。”
Scott认为，在HVAC设备中利用高效组件来增强可持续性非常重要，尤其是在经历使用周期的数据中心。他以网飞为例，指出当用户传输内容时，他们的数据中心可能会在晚上8点出现峰值负载，而在上午8点出现较小的负载。考虑到这种使用情况，降低上午HVAC系统的负载是有意义的。
Scott说:“EC电机与高效风扇配合使用，可产生高效的EC风扇，在满载和部分负载条件下效率曲线平坦。”。“EC电机可以在部分负载效率下以可变速度运行，在非高峰时间节省能源。有些能够在很大的负载和速度范围内保持高水平的效率。使用更高效的电机，如EC电机，可以节省10%的能耗和总成本。”
Larimore 说，数据中心的功耗也可以通过使用节能控制和仔细规划来减少运行 HVAC 系统所需的能源来降低。 例如，她说，通过减少部分数量或优化安装位置以从单个执行器为风门的多个部分供电，可以减少用于调节气流的执行器数量。 这可以降低设计中的整体功率需求。
“还需要考虑气流设计，”Larimore 说。 “保持电子设备冷却以避免故障在数据中心非常重要。 HVAC 设备不应通过引入额外的空气来进行过度补偿，而应设计为优化气流和循环，使建筑物保持在所需的温度和足够的清洁空气，而不会造成浪费。”
展望未来
考虑到对数字服务的需求不断增长，以及人们对这些类型的设施对环境的影响的认识不断提高，可持续数据中心的趋势可能会继续下去。因此，为数据中心设计的HVAC设备将继续发展。例如，目前冷却数据中心的主要方式是精密空气，这将在一段时间内适用于“低机架功率密度”的数据中心，strououlis说。
“然而，随着高性能计算(HPC)、人工智能(AI)、机器学习(ML)、物联网(IoT)和其他不断发展的计算技术的普及，机架功率密度不断上升，液体冷却对于确保可靠性和性能变得至关重要，”他说。“例如，CRAC/CRAH和基于行的密封冷却解决方案的理想功率可达15至20千瓦，但有一个点，可能在20千瓦左右，超过这个点，它们就不再具有成本效益或效率。在这一点上，你开始考虑其他技术，这些技术更靠近热源，更靠近机架门，甚至更近，因为这些技术将通过直接对芯片或浸入式液体冷却直接冷却微芯片。”
Scott说，与传统的空气冷却相比，液体冷却在将热量从电子元件转移出去方面更有效。这是因为液体的热承载能力可以达到空气的3500倍。
“有几种方法可以应用液体冷却，每种方法都有挑战，”他说。“一种方法是给芯片组注入液体来散热，但虽然这对处理器很好，但它并不能冷却其他组件。第二种方法是将液体冷却带到机架中，空气补充冷却。第三种方法是在水箱中浸泡冷却服务器机架，其中流体包围服务器板并除去热量。挑战在于将部件从流体中取出或取出，并可能污染/损坏其他部件。对于液体冷却，你仍然需要传统的空气冷却器、冷却器和蒸发冷却。”
说到冷却器，新技术可以帮助承包商设计更具可持续性的数据中心系统。 具体来说，低摩擦、风冷、磁力轴承离心式冷水机可以降低冷水机的满载功耗，并提供超出典型行业标准的峰值效率，Anand 说。 此外，为冷水机供电的电气基础设施——包括变压器、不间断电源 (UPS)、发电机、自动转换开关和开关设备——都可以缩小尺寸，从而节省初始成本。
“还可以使用使用低 GWP 制冷剂的制冷产品，以进一步减少资源消耗并减少对社区和地球的影响，”Anand 说。 “此外，HVAC 工程师正在研究更安静的产品，这些产品消耗更少的自然资源并具有最大数量的可回收成分。”
影响未来 HVAC 设备设计的另一个因素是不断上涨的房地产价格。
Anand说:“由于包括阿什伯恩、凤凰城、达拉斯和硅谷在内的关键地点的土地非常宝贵，数据中心现在正在垂直而不是水平地增长。“当数据中心垂直增长时，必须冷却的内部面积会变大，但放置冷却器的屋顶空间不会变大。多层数据中心是继续推动暖通空调设备设计创新的挑战之一。”
