近年來，數據中心呈爆炸式增長； 然而，這種對數據處理的需求增加是有代價的，因爲數據中心以其大量的能源消耗和碳足跡而臭名昭著。 事實上，根據能源部 (DOE) 的數據，數據中心每層樓消耗的能源是典型商業辦公樓的 10 到 50 倍，約佔美國總用電量的 2%。

爲了解決這個問題，人們更加重視促進數據中心的可持續性。 HVAC 系統在實現可持續性方面發揮着重要作用，因爲該設備負責確保數據中心的溫度和溼度水平每周 7 天、每天 24 小時保持在可接受的範圍內。 通過實施可持續的 HVAC 解決方案，數據中心運營商可以顯着降低能源消耗和環境影響。

可持續發展战略

可持續發展的數據中心旨在平衡對可靠和有效數據處理的需求與最小化其環境影響的需求。 丹佛斯數據中心業務發展總監 Michael Strouboulis 表示，爲實現這一目標，可持續數據中心積極致力於減少用電量、能源、水和碳排放。

“降低電源使用效率（PUE），衡量進入數據中心的總功率與信息技術設備（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)，是實現可持續性和淨零碳目標的關鍵，”Strouboulis 說。 “向所有這四個指標的過渡自然涉及查看整個數據中心基礎設施，包括支持數據中心冷卻和 ITE 熱管理的機械系統，它們佔設施電力的 30% 到 40% ”

江森自控應用暖通空調全球產品業務發展全球總監Mukul Anand表示，可持續數據中心還努力通過利用可再生能源、採用節能暖通空調設備和監控技術來實現碳中和目標和降低碳排放，同時確保可靠有效的電力供應。

“配備數字化的 BMS 和優化軟件提供了洞察力和控制力，可幫助設施經理盡可能高效地運營建築物，”Anand 說。 “一些設施經理還與 HVAC 制造商合作，尋找在其他建築區域使用廢熱的方法，從而最大限度地減少化石燃料的使用。 作爲回應，HVAC 工程師正在开發可以非常有效地利用這些余熱的產品。”

數據中心的可持續性不僅僅局限於其電源，還包括其構造和設計。 例如，Ruskin 的項目經理 Rachel (Ray) Larimore 說，所使用的材料和部件必須耐用，並通過避免不必要的維修和更換來最大限度地減少浪費。

“設計還應該最大限度地利用空間，同時便於維護，”Larimore 說。 “HVAC 系統通常難以接近進行維護，因爲它們通常建在牆壁和高高的天花板中。 然而，數據中心所有者在設計設施時特別注意維護計劃和使用壽命。”

Infinitum 的應用工程師賈斯汀·斯科特 (Justin Scott) 表示，最後，可持續數據中心具有限制廢物和環境污染物的報廢策略，這是此類設施的一個關鍵方面。

“運營商必須負責任地處理制冷劑和其他液體，並與合作夥伴合作回收或再制造組件和子組件，”斯科特說。 “數據中心還有數以千計的電機，這些電機採用鋁、鋼和磁鐵等貴重材料，可以通過翻新和再利用獲益，而不是被扔進垃圾填埋場。”

暖通空調解決方案

在新的或現有的數據中心中實現可持續性可能是一項挑战，因爲很難平衡設計條件與能源效率。 Anand 說，正常運行時間對數據中心絕對至關重要，因此 HVAC 設備的設計必須能夠使設施在將面臨的最極端條件下保持運行。

“然而，數據中心可能只會經歷幾次極端條件——如果有的話——這可能會導致在可持續性方面做出權衡，”Anand說。 “這是因爲設備通常在最初未選擇的條件下運行，這可能會導致能源效率降低。”

廣泛用於提高數據中心可持續性和降低能耗的一項技術是自然冷卻。 自然冷卻是指利用較冷的室外空氣來降低設施冷卻水或空氣的溫度，而不需要機械冷卻。 通過使用自然冷卻，HVAC 系統可以顯着降低能耗和運營成本，尤其是在氣候溫和的地區。

“數據中心使用直接蒸發冷卻來實現冷卻，這可能是水和能源密集型的，”Anand說。 “我們看到那裏發生了轉變。 風冷式冷水機的進步使得使用節能代替成爲可能。 一些風冷式冷水機組具有額外的自然冷卻盤管，可在環境條件較溫和或較冷時產生自然冷卻。 最新的風冷式冷水機在倒置條件下運行，這意味着即使在沒有自由冷卻盤管的情況下，它們也可以提供自由冷卻，從而在低環境條件下提供出色的效率。 這些更輕的冷水機還可以減少碳足跡。”

利用節能電機和變速驅動器(VSD)對於優化冷卻系統組件(如壓縮機、風扇和泵)的能耗也至關重要。Strouboulis說，VSD允許電機的輸出與計算需求相匹配，並通過在任何給定時間提供所需的精確功率量來節省能源。

“VSD對能源消耗的影響是巨大的，”他說。“配備無油磁軸承VSD壓縮機的冷卻器是數據中心使用的最高效的設備之一，因爲它們在整個生命周期內提供高效的傳熱和可靠的冷卻，而沒有其他類型壓縮機的維護要求和性能下降。”

Scott認爲，在HVAC設備中利用高效組件來增強可持續性非常重要，尤其是在經歷使用周期的數據中心。他以網飛爲例，指出當用戶傳輸內容時，他們的數據中心可能會在晚上8點出現峰值負載，而在上午8點出現較小的負載。考慮到這種使用情況，降低上午HVAC系統的負載是有意義的。

Scott說:“EC電機與高效風扇配合使用，可產生高效的EC風扇，在滿載和部分負載條件下效率曲线平坦。”。“EC電機可以在部分負載效率下以可變速度運行，在非高峰時間節省能源。有些能夠在很大的負載和速度範圍內保持高水平的效率。使用更高效的電機，如EC電機，可以節省10%的能耗和總成本。”

Larimore 說，數據中心的功耗也可以通過使用節能控制和仔細規劃來減少運行 HVAC 系統所需的能源來降低。 例如，她說，通過減少部分數量或優化安裝位置以從單個執行器爲風門的多個部分供電，可以減少用於調節氣流的執行器數量。 這可以降低設計中的整體功率需求。

“還需要考慮氣流設計，”Larimore 說。 “保持電子設備冷卻以避免故障在數據中心非常重要。 HVAC 設備不應通過引入額外的空氣來進行過度補償，而應設計爲優化氣流和循環，使建築物保持在所需的溫度和足夠的清潔空氣，而不會造成浪費。”

展望未來

考慮到對數字服務的需求不斷增長，以及人們對這些類型的設施對環境的影響的認識不斷提高，可持續數據中心的趨勢可能會繼續下去。因此，爲數據中心設計的HVAC設備將繼續發展。例如，目前冷卻數據中心的主要方式是精密空氣，這將在一段時間內適用於“低機架功率密度”的數據中心，strououlis說。

“然而，隨着高性能計算(HPC)、人工智能(AI)、機器學習(ML)、物聯網(IoT)和其他不斷發展的計算技術的普及，機架功率密度不斷上升，液體冷卻對於確保可靠性和性能變得至關重要，”他說。“例如，CRAC/CRAH和基於行的密封冷卻解決方案的理想功率可達15至20千瓦，但有一個點，可能在20千瓦左右，超過這個點，它們就不再具有成本效益或效率。在這一點上，你开始考慮其他技術，這些技術更靠近熱源，更靠近機架門，甚至更近，因爲這些技術將通過直接對芯片或浸入式液體冷卻直接冷卻微芯片。”

Scott說，與傳統的空氣冷卻相比，液體冷卻在將熱量從電子元件轉移出去方面更有效。這是因爲液體的熱承載能力可以達到空氣的3500倍。

“有幾種方法可以應用液體冷卻，每種方法都有挑战，”他說。“一種方法是給芯片組注入液體來散熱，但雖然這對處理器很好，但它並不能冷卻其他組件。第二種方法是將液體冷卻帶到機架中，空氣補充冷卻。第三種方法是在水箱中浸泡冷卻服務器機架，其中流體包圍服務器板並除去熱量。挑战在於將部件從流體中取出或取出，並可能污染/損壞其他部件。對於液體冷卻，你仍然需要傳統的空氣冷卻器、冷卻器和蒸發冷卻。”

說到冷卻器，新技術可以幫助承包商設計更具可持續性的數據中心系統。 具體來說，低摩擦、風冷、磁力軸承離心式冷水機可以降低冷水機的滿載功耗，並提供超出典型行業標准的峰值效率，Anand 說。 此外，爲冷水機供電的電氣基礎設施——包括變壓器、不間斷電源 (UPS)、發電機、自動轉換开關和开關設備——都可以縮小尺寸，從而節省初始成本。

“還可以使用使用低 GWP 制冷劑的制冷產品，以進一步減少資源消耗並減少對社區和地球的影響，”Anand 說。 “此外，HVAC 工程師正在研究更安靜的產品，這些產品消耗更少的自然資源並具有最大數量的可回收成分。”

影響未來 HVAC 設備設計的另一個因素是不斷上漲的房地產價格。

Anand說:“由於包括阿什伯恩、鳳凰城、達拉斯和硅谷在內的關鍵地點的土地非常寶貴，數據中心現在正在垂直而不是水平地增長。“當數據中心垂直增長時，必須冷卻的內部面積會變大，但放置冷卻器的屋頂空間不會變大。多層數據中心是繼續推動暖通空調設備設計創新的挑战之一。”

作者：Joanna R. Turpin

標題：HVAC 解決方案幫助數據中心實現可持續發展

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