據估計，數據中心的耗電量占到了全球總耗電量的1.5%至2%，相當于400億千瓦時(shí)，幾乎接近法國(guó)的總用電量。

想象一下，如果有一種(zhǒng)方式可以重新利用數據服務器中所部署的電力。在本文中，我們將(jiāng)與廣大讀者朋友們共同探讨關于如何通過(guò)熱回收來實現大規模的數據中心冷卻，以便將(jiāng)數據中心的成(chéng)本效率和可持續性提高到一個全新的水平。

數據中心冷卻标準

自從ASHRAE于2004年首次提出其《數據處理環境的熱指南（Thermal Guidelines for Data Processing Environments）》以來，伴随著(zhe)CPU性能(néng)和功率密度的提高，數據中心設備容差性的提升，新的冷卻技術的進(jìn)步，以及成(chéng)本和環保意識的增強，使得數據中心實施冷卻的相關指導方針和方法已經(jīng)經(jīng)曆了重大發(fā)展。

ASHRAE的該指南建議現在已經(jīng)更新到第四版了，并在2008年與相應的電信網絡設備/建築系統要求實現了同步，成(chéng)爲了數據中心行業熱管理的實際标準。該指南的發(fā)展演變以支持IT設備的更有效的冷卻，而不會(huì)影響其可靠性。

圖1：ASHRAE熱指南，2015年第4版。資料來源：ASHRAE.

斯德哥爾摩的環境條件

顯然，數據中心具體冷卻解決方案的選擇將(jiāng)嚴重依賴于其選址所在地的自然環境條件。

瑞典的天氣，在其全國(guó)範圍和季節間變化差異很大。在其首都(dōu)斯德哥爾摩，自2001年1月1日以來，斯德哥爾摩北部的幹球溫度在82.26%的時(shí)間都(dōu)一直低于15°C；99.63%的時(shí)間都(dōu)低于27°C（ASHRAE所建議的最高操作環境溫度值）；99.998%的時(shí)間都(dōu)低于32°C（ASHRAE A1所建議的最高操作環境溫度值）。（資料來源斯德哥爾摩的空氣和噪聲分析，2016年）

斯德哥爾摩的冷卻選擇方案

斯德哥爾摩的自然氣候條件爲數據中心提供了大量潛在的冷卻解決方案。在本節中，我們將(jiāng)爲您概述最适合該城市天氣狀況的解決方案。

基于空氣的冷卻系統

鑒于瑞典的自然環境條件，直接和間接空氣冷卻系統代表了兩(liǎng)大相當有吸引力的方案。然而，到目前爲止，整個瑞典在打造這(zhè)種(zhǒng)建築方面(miàn)的實踐經(jīng)驗還(hái)相當有限。

在該國(guó)實施直接空氣冷卻方案的最好(hǎo)的案例是Facebook位于瑞典北部的Lule？的數據中心。在斯德哥爾摩，并沒(méi)有采用直接空氣解決方案的重要建築設施。究其原因可能(néng)是源于城市環境中過(guò)濾器維護成(chéng)本太高所導緻的問題。該系統的關鍵優點是低PUE值。

然而，該解決方案的最重要的問題是大量有價值的能(néng)量被(bèi)浪費，因爲來自數據服務器的多餘熱量被(bèi)簡單粗暴地排放到環境空氣中了。然而，直接空氣系統可以被(bèi)設計成(chéng)能(néng)夠通過(guò)引入水對(duì)空氣的熱交換器來對(duì)這(zhè)些多餘的熱量實施再利用。雖然這(zhè)在理論上是可行的，但除了Yandex網站在其位于芬蘭M？nts？l？的數據中心采用了之外，這(zhè)種(zhǒng)裝置在整個北歐地區仍然是極爲罕見的。盡管斯德哥爾摩地區的自然環境條件相當有利，仍然需要一套全面(miàn)的備用冷卻系統來管理少數時(shí)間段的高露點溫度（Dew point temperature）。

間接空氣系統執行空氣到空氣的熱交換，其中外部空氣用蒸發(fā)冷卻方案來冷卻。該方法的效率將(jiāng)取決于外部空氣的濕球溫度，并且當短時(shí)間内發(fā)生相對(duì)濕度太高以至于蒸發(fā)過(guò)程不能(néng)奏效時(shí)，將(jiāng)需要機械自頂向(xiàng)上的冷卻來實施管理。該系統具有較低的PUE值，但該PUE值通常高于直接空氣系統。

如同在直接空氣系統中一樣(yàng)，多餘的熱量被(bèi)排放到環境中。然而，與直接空氣系統不同，難以設想一套有效的設計，可以使得熱回收與間接空氣系統相結合。

冷凍水系統

最常用的系統依賴于具有某種(zhǒng)機械冷卻的冷卻水冷卻方案，通常在一年中的大部分時(shí)間與免費的自然空氣冷卻模式相組合。該系統基礎設施與基于空氣的系統的不同之處在于，能(néng)量在數據中心是在液體中被(bèi)消耗的，并且是通過(guò)數據機房中的液體到空氣的熱交換來進(jìn)行冷卻的。

冷凍水系統通常具有比基于空氣的系統更高的PUE值。另一方面(miàn)，冷凍水系統傾向(xiàng)于允許更大的設計靈活性，并且與間接空氣系統相比，需要更少的空間。

冷卻水系統的一個特殊版本是區域冷卻。在區域冷卻解決方案中，使用的是相同的數據中心基礎設施，但是冷卻則是作爲來自區域冷卻供應商所提供的服務。提供冷卻服務的供應商可以使用不同的方法來生産冷卻水，包括海水冷卻，冷卻機和熱泵。雖然這(zhè)種(zhǒng)情況在斯德哥爾摩不存在，但其他地區的制冷供應商正在考慮基于吸附的制冷。

冷凍水系統的一大關鍵優點是其有助于進(jìn)行有效的熱回收。在常規的冷卻水系統中，多餘的熱量可以從冷卻塔中除去。

然而，在使用熱泵來實現數據中心的冷卻的冷凍水系統中，過(guò)熱的溫度或將(jiāng)升高，使得熱泵通過(guò)到區域供熱網絡的連接同時(shí)産生用于住宅和辦公室需求的加熱。在提供數據中心冷卻作爲服務的區域冷卻解決方案中，熱回收是系統的固有特征，其中返回管將(jiāng)多餘的熱量從數據中心傳送到配備有熱泵的生産設備以及區域加熱網絡的連接。

随著(zhe)高性能(néng)計算的出現，液體冷卻的部署開(kāi)始興起(qǐ)。一款液體冷卻解決方案并不需要液體到空氣熱交換，并且具有更好(hǎo)的熱吸收，更高的溫度和更少的機械輔助需求，以達到用于住宅加熱的溫度水平，對(duì)于熱回收更有效。

斯德哥爾摩的數據中心和熱回收

斯德哥爾摩的條件對(duì)于熱回收是非常理想的。而在其他地方執行的許多熱回收項目并不滿足成(chéng)功熱回收的先決條件。第一大挑戰便是需要管理的大量的熱量。一處10兆瓦的數據中心負載對(duì)應于大約20 000幢現代住宅公寓（55 千瓦時(shí)/平方米/年）的供暖需求。因此，在本地或在與數據中心相同的建築中完全重複利用熱量的方案是不可行的。

另一大需要考慮的關鍵因素是數據中心依賴于單幢建築或有限住宅區吸收數據中心熱量的風險。

隻有當數據中心被(bèi)連接到龐大的建築物網絡時(shí)，才能(néng)以足夠大的規模和合理的風險進(jìn)行熱回收。而鑒于斯德哥爾摩12 千瓦時(shí)/年的區域供熱系統，有足夠的熱需求以适應任何規模的數據中心（接近150處10兆瓦負載的數據中心）的熱量回收。

由Fortum公司和斯德哥爾摩市合資的Fortum V？rme公司擁有超過(guò)25年的數據中心熱量回收，并將(jiāng)其轉移到區域供熱網絡方面(miàn)的經(jīng)驗，IBM公司從1989年就(jiù)開(kāi)始從其位于希斯塔（Kista）數據中心提供熱量了。

除了由許多較小的數據中心使用的普通的區域制冷外，FortumV？rme公司還(hái)開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)特定的區域制冷服務，其中包括熱回收，例如Interxion公司在其希斯塔的數據中心所采用的。在Interxion公司，所需要的僅僅是一台熱交換器和一個循環泵來冷卻數據中心内部的冷凍水回路。在此過(guò)程中，來自數據中心的多餘熱量被(bèi)回收并返回FortumV？rme公司，在那裡(lǐ)熱量將(jiāng)進(jìn)入大型熱泵，然後(hòu)提供區域供熱。

FortumV？rme公司自此開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)商業模式，允許任何熱生産商與區域供熱系統接口，并接受供熱支付——即其開(kāi)放區域供熱。使用專門選擇用于熱回收的熱泵，熱泵的冷凝器側與區域供熱系統進(jìn)行熱交換，在那裡(lǐ)傳遞熱量，而不是將(jiāng)其散發(fā)到外部空氣中，這(zhè)使得能(néng)量被(bèi)使用兩(liǎng)次——爲服務器提供供電和爲斯德哥爾摩市供熱。

圖2：在網絡不可用的情況下，使用連接到區域供熱網絡和冷卻塔的熱泵的數據中心的圖示。

在斯德哥爾摩有30多處數據中心進(jìn)行著(zhe)熱回收。

借助熱回收的冷卻即服務（CaaS）

如上所述，在斯德哥爾摩，熱回收可以以兩(liǎng)種(zhǒng)方式的其中之一進(jìn)行。數據中心要麼(me)可以使用熱泵生産自己的冷卻，并在合适的溫度下將(jiāng)多餘的熱量排入區域供熱網絡。或者要麼(me)可以采用FortumV？rme公司所提供的冷卻即服務（CaaS），其中數據中心的多餘熱量通過(guò)回水管中被(bèi)運送到生産工廠。在生産工廠，多餘的熱量進(jìn)入大型集中式熱泵的蒸發(fā)器側，爲區域供熱網絡供熱。

在斯德哥爾摩數據公園，FortumV？rme公司歡迎這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)解決方案。爲了實現和分享規模經(jīng)濟，FortumV？rme公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)并提出了針對(duì)數據中心的增強的CaaS服務，希望達到超過(guò)5兆瓦的計算機負載。通過(guò)使用更大的機器并且串聯連接熱泵，與局部熱回收解決方案相比，COP可以增加，并且耗電降低，通常是并聯構造。

每處數據園（分别位于斯德哥爾摩的不同地點）將(jiāng)包含一個專門的冷卻工廠，在該工廠内大型離心（而不是滾動或螺旋）冷卻器將(jiāng)通過(guò)整個數據園的熱回收爲數據中心冷卻提供CaaS.

從數據中心的角度來看，交付的服務是通過(guò)一對(duì)分配連接到标準冷凍水系統的冷凍水，允許這(zhè)樣(yàng)的一款冷卻系統提供全範圍的設計靈活性。數據中心冷水分配系統通過(guò)熱交換器與CaaS系統接口，在交換側提供約20°C的水，允許約22°C的水進(jìn)入CRAH單元。熱回流水返回到CaaS工廠，在那裡(lǐ)根據加熱需要進(jìn)入熱泵，産生68℃的水到達區域供熱系統。

在斯德哥爾摩數據公園Kista，冷卻服務的價格（SEK / MWh）随著(zhe)負載而下降，這(zhè)反映了随著(zhe)容量的增加所帶來的熱回收增加的益處。在該産品中，將(jiāng)免費提供冷凍水冷卻，以換取冷卻負荷剛好(hǎo)在10 MW以上的數據中心的多餘熱量。

圖3：斯德哥爾摩數據公園Kista的價格模型。

類似于通過(guò)公共連接所提供的電源被(bèi)認爲是能(néng)夠降低OPEX的方式一樣(yàng)，較之使用數據中心自己的電氣系統，熱回收系統也可以被(bèi)認爲是有助于減少并最終消除用于冷卻的OPEX的方式。有了這(zhè)項産品，FortumV？rme公司建議每年運行CaaS達8，030小時(shí)，可用性爲99.7%，允許進(jìn)行修訂和維護。

同樣(yàng)，該産品類似于電源設置，設想企業客戶將(jiāng)使用低CAPEX的冷卻器來補充CaaS以實現冗餘，并在不提供CaaS時(shí)冷卻數據中心。考慮到估計使用量低，數據？？中心操作員可以選擇備用冷卻系統而最小化OPEX.由于備份系統每年的使用不到730小時(shí)，并且主系統的簡單性，所需的維護也減少了。數據中心的配水基礎設施由兩(liǎng)個系統共享。

圖4：使用具有集成(chéng)備用冷卻系統的CaaS的數據中心的圖示

如果優選完全冗餘的CaaS解決方案，則可以提供具有兩(liǎng)個單獨饋電的結構，但會(huì)影響定價模型。

效率和環境

PUE是測量數據中心效率的常用指标。已經(jīng)變得越來越受歡迎，主要是由于其簡單性。但PUE也受到批評，因爲它未能(néng)全面(miàn)反映數據中心的效率和對(duì)環境的影響。

FortumV？rme公司認爲，未來的綠色數據中心將(jiāng)采用可持續發(fā)電，以盡量減少對(duì)環境的影響。幾家主要參與者已經(jīng)做出了這(zhè)樣(yàng)的承諾，并且正在投資額外的可再生電力，主要是風力發(fā)電（Cook，2017）。在2016年12月，Google公司宣布計劃到2017年使用可再生電力運營整家公司。

在此過(guò)渡中，FortumV？rme正在與主要的數據中心供應商做出同樣(yàng)的承諾，在斯德哥爾摩數據公園爲其電力使用增加了可再生能(néng)力。

斯德哥爾摩的數據中心負載爲10兆瓦，可以爲大約20 000幢現代住宅公寓供熱，可以節省用于焚燒的燃料資源，并減少二氧化碳的排放。

通過(guò)部署熱回收，一處綠色環保的數據中心可以成(chéng)爲氣候淨正性（net positive）。在斯德哥爾摩，10兆瓦的數據中心負載可以減少接近8000噸的二氧化碳排放量。

圖5：已經(jīng)做出100%可再生能(néng)源承諾的ICT公司（Cook，2017）

無論以何種(zhǒng)方式評估斯德哥爾摩數據公園熱回收的影響，對(duì)環境而言，總是比競争對(duì)手的冷卻解決方案更好(hǎo)。沒(méi)有采用熱回收的數據中心可以從氣候負性到氣候中性，但絕不會(huì)變成(chéng)淨的正氣候。

圖6：具有可再生電力和熱回收的冷卻即服務的一處10兆瓦數據中心負載的淨二氧化碳排放噸數

結論

由于數據中心幾乎所有方面(miàn)都(dōu)在實現現代化及其對(duì)能(néng)源的不斷增長(cháng)的需求，我們需要它們不僅具有成(chéng)本效益，而且要求其更加智能(néng)，可持續，并且是應對(duì)氣候變化的理想組成(chéng)部分。

斯德哥爾摩數據公園計劃有助于在斯德哥爾摩逐步淘汰化石燃料。到2040年，該城市的目标是無化石燃料。

加入斯德哥爾摩數據公園并采用熱回收，您企業將(jiāng)對(duì)減少全球二氧化碳排放量作出了重大貢獻。我們爲大型數據中心提供零OPEX的定價模式，幫助您使您的數據中心真正實現綠色環保——甚至淨正氣候性。