節能並非零耗電 引入涼風冷水提高能源效率
輔助冷卻空調系統 機房自然冷卻蔚為風潮
余采霏
自然冷卻(Free Cooling)是利用資訊機房所在地理位置的氣候條件,讓天然資源成為IT資訊機房製冷系統的冷源。目前台灣的 應用主要包括風側(空氣側)以及水側兩種類型,而依原理則可分為直接與間接兩種形式。
能源成本不斷攀升、綠色環保議題不斷加劇,節能需求愈來愈受到重視。尤其資訊機房已經成為企業內部用電大戶,如何降低能耗更是近年來大受矚目的問題。利用資訊機房所在地理環境的某些氣候條件,讓天然資源成為IT資訊機房製冷系統的選項或用於輔助製冷系統運行,以減少冷卻空調等製冷系統運轉所需的能耗,是自然冷卻(Free Cooling)最大的使命與目標。
根據調查,冷卻空調系統所耗費的能耗約莫佔總體資訊機房用電的三成至四成,如果能夠從製冷系統著手,引進自然資源,諸如風力、水力或是地熱,將資訊機房設備所產生的熱排出至室外,那麼,自然而然地,就無須耗費大量電力來致冷,而冷卻空調系統運轉的愈少,所能節省的能耗也就愈高。
節能施作因地制宜
國際間已有不少運用天然資源來致冷的實際案例,而且手法各有巧妙不同。光是Google在全球的資訊機房,其所採用的自然冷卻法就不一而足,例如位於芬蘭、比利時以及愛爾蘭都柏林的資料中心,就分別採用了水側以及風側自然冷卻法。
Google位於芬蘭哈米納(Hamina, Finland)的資料中心主要是利用海水隧道,將抽上來的海水過濾、排除雜質之後,送進海水管線,再與機房出來的熱水管線進行熱交換冷卻;而比利時資料中心則是抽取附近工業運河的水源,利用蒸汽式冷卻系統來供應機房所需的致冷量;至於位於愛爾蘭都柏林的資料中心則是使用自然風來冷卻。
同樣是風側自然冷卻,鴻海在大陸貴州,耗費10億打造出無需冷氣的雲端機房,利用的是山洞的地形優勢,而Facebook建置於美國愛荷華州Altoona的資訊機房依賴的是風力發電。新新策劃工程顧問公司IDC設計協理張智凱指出,除了利用風與水等自然冷卻的手法之外,部份歐洲國家的機房,也有使用地熱發電或使用地熱的高溫,供應給吸收式冰水主機進行製冷,提供給資訊機房冷卻使用的設計案例。
Free Cooling的應用其實相當廣泛,由於沒有標準的施行準則,也沒有制式的解決方案模式,完全視資訊機房位處地區的天候條件因地制宜,因而有了各式各樣可能的施作的模式。根據一份由施耐德電氣數據中心科研中心發表的《數據中心製冷系統的節能冷卻模式》報告指出,光是利用風及水,市面上至少有15種不同的節能冷卻施作模式,足可見其複雜度。
形態分類 風與水為主流
在此次的採訪過程中,不同的專家對於Free Cooling分類確實有其不同的看法,不過,大體而言可以從天然資源的類別以及使用方式來進行分類,目前台灣Free Cooling的應用不外乎風側(空氣側)以及水側兩種類型,而使用方法則可分為直接與間接兩種形式。
Air-Side自然冷卻
風側(Air-Side)自然冷卻法,顧名思義即是利用風作為天然冷源,通常在提到風側自然冷卻法時,多半指的是直接引進外氣的作法,也就是將外氣,經過適度的過濾或處理後,直接引入機房以降低機房的溫度。
但是,同樣利用風施行自然冷卻,目前也有業者是以間接外氣來提供。主要著眼於空氣中的塵埃、硫化物、氮化物或濕氣等因子,一旦進入機房,累積在IT設備的晶片上時,極有可能造成IT設備短路或故障,因而採取間接作法。所謂間接外氣,意謂著資料中心並不直接引進天然風進入資料中心,而只是利用冷風的溫度優勢,透過顯熱交換器進行熱交換,使資訊機房中的熱氣得以降溫,並且進入冷卻空調系統內循環。而自然風在完成熱交換的工作之後便會再度回到大氣之中。
Water-Side自然冷卻
水側(Water-Side)自然冷卻主要是利用戶外空氣很低的乾球溫度或濕球溫度條件所產生的冷卻水,以提供作為部分或全部設施的致冷需要。一般而言,水側自然冷卻也有直接與間接兩種作法。在台灣,提及水側自然冷卻時,多半指的是間接式的自然冷卻。
永旭環能系統有限公司冷凍空調技師黃沇鍚說明,在作法上,直接式的水側自然冷卻會讓經外氣冷卻的冷水直接進入負載的冰水迴路循環。這種方式雖然最為有效,而且可最大化年運行的時間,但系統架構也相對複雜。
目前在資訊機房比較常見的作法之一,是在精密空調(CRAC)機組內設立獨立盤管,簡單地說,就是有兩套獨立運行的盤管,一是施行自然冷卻時的輔助盤管,而另一個是由冰水主機供應負載需求的冷卻盤管。當室外氣溫足以將冷卻水降溫到可支持資訊機房部分或全部致冷負荷時,冷卻水會流過精密空調內施行自然冷卻時專用的冷卻盤管,用以吸收IT設備的發熱量。
「由於冷卻水可能存在許多雜質,而使得運行中的管件累積污垢,最終導致盤管受到腐蝕或凹陷而有洩漏的疑慮,因此,台灣多數還是採用間接式水側自然冷卻。」他提到,間接式與直接式自然冷卻作法,最主要的差別在於,間接式水側自然冷卻會增設熱交換器以便將冷卻水迴路與負載冰水迴路隔開。
另外,同樣是水側的應用,還有另一種施作模式,稱為乾冷盤管自然冷卻系統。史圖茲總經理李政中補充,乾冷盤管自然冷卻系統是在原有的精密空調箱正上方,裝上另外一套乾冷盤管設備,此乾冷盤管帶有近似自然冷卻的功能,可設定外氣溫度在18℃以下時採用此乾冷盤管製冷;在18℃以上可採用原有之空調箱製冷。
提高資訊機房可用性
一如在文章一開始便提到,自然冷卻主要是利用資訊機房位處地區的某些天候條件讓天然資源成為IT資訊機房製冷系統的冷源,那麼重要的關鍵之一便在於,台灣氣候與地理條件究竟適不適合導入自然冷卻法?
台達電源系統事業群關鍵基礎架構事業部產品經理林士基認為,這個問題其實不用過度擔心。「經過我們內部評估,在北部每年至少都還有100天以上的時間可以使用Free Cooling,尤其台灣日夜間溫差大,除了12月至2月的冬季之外,包括10月下旬與11月的夜間以及3月、4月的夜間都可以採用。」
他繼續說明,不少人以為自然冷卻法只能有助於節能,但自然冷卻法還有另一項可提高機房可用性的好處。「萬一空調系統故障或限電時,機房很有可能過熱,這時候利用Free Cooling的概念引進外氣,只要最小的發電機就可以把熱直接排走,如此一來資訊機房就不容易熱當。如果資訊機房只能引進部分外氣,萬一空調系統故障或限制,所提供的致冷量不足,這時便可透過軟體的協助來降低IT負載量,重要的是,系統不會因此而整個停擺,從而提高資訊機房的可用性。」
冷卻空調系統不可廢
在可預見的未來,施作自然冷卻法的資訊機房將愈來愈普遍。不管是水側或是風側自然冷卻,均有其優缺點。本文則以探討風側自然冷卻為主,一方面風側的解決方案在台灣已漸完善,包含直接進氣與間接外氣都有相對應的配套措施。二方面,國內已有學校以及政府單位,正在採用或準備導入風側自然冷卻法,足以顯見風側自然冷卻的接受度正慢慢提高。
需要特別留意的是,不管採用哪一種自然冷卻方法,英文表示雖然冠上「Free」字眼,並不意謂著自然冷卻法不需要耗費電力。雖然自然冷卻法多半採用再生資源,可生生不息地循環,但引入水或風進入資訊機房的過程中,一定仍會有電力需求。就以風側自然冷卻而言,大氣中可滿足條件的天然冷風勢必得透過「風機」這項元件來將其「帶入」資訊機房,只要風機啟動,就必須仰賴電力供應方能運轉。
也因此,自然冷卻所強調的節能,並不意謂著自然冷卻是一項「零」電力消耗的冷卻方案,而是相較於冷卻空調系統的大量能耗,自然冷卻能夠減少製冷空調的運轉,從而達到節能的目的。
另外,也需要特別說明的是,雖然國際間確有實例展現了以100%再生能源運轉的資訊機房,不過,要達成這樣的完美狀態需要許多條件配合,例如該地區的氣候條件、資訊機房的佔地空間等等,都需要有合宜的配套與設計,否則很難實現。
對於大多數特別強調高效率的資訊機房,一般並不會建議以100%再生能源冷卻系統來運轉,通常為了IT基礎架構的穩定運作,還是會建議至少設計足額致冷量的空調系統,以便應付一年之中最熱的時段。簡言之,自然冷卻系統與冷卻空調系統通常會建議並存,而自然冷卻系統的存在並非用來取代其他冷卻空調系統,這點還是需要事先建構起正確的觀念,以避免過度不正確的期待。