隨著人們對數據中心和服務器產生更多的需求，數據中心運營商也面臨著能源成本上漲的挑戰(zhàn)。文章將討論數據中心降低能耗成本的必要性和更加節(jié)能的冷卻技術。
數字化的發(fā)展促使數據中心規(guī)模和能耗日益增長
近年來，采用云計算的企業(yè)數量穩(wěn)步增長。越來越多的設備和傳感器連接到互聯網，它們的控制、測量和調諧過程是數字協(xié)調的。據調研機構Gartner公司估計，目前全球大約有49億個網絡連接設備。思科公司專家預測，到2020年將有500億個網絡連接設備，這意味著在未來幾年內這個數字將翻兩番。在智能家居領域，消費者使用這些物聯網設備將會越來越多。例如，智能冰箱可以自動創(chuàng)建新的購物清單，或者直接通過網站重新定購空缺的食物。網絡設備在工業(yè)和商業(yè)中也扮演著越來越重要的角色，以便更好地規(guī)劃生產和制造流程，并使其更具成本效益和時間效率。
隨著經濟和社會的日益數字化，對計算和存儲能力的要求越來越高。工業(yè)4.0、機器學習、增強現實等新技術不僅標志著技術化生活進入下一個階段，而且代表了對可靠和高效的IT基礎設施的日益增長的需求。由于數據中心的擴建和建設，德國如今已經成為歐洲大的數據中心市場，也是全球第三大數據中心市場。許多大型數據中心主要集中在法蘭克福地區(qū)，其中，全球第五大數據中心其總面積近70000平方英尺。
據估計，數據中心的電力消耗已達全球電力消耗的3%到5%。顯然，在數據中心運營方面，規(guī)模越大越好。數字化的發(fā)展將在未來幾十年激勵整個IT行業(yè)持續(xù)發(fā)展。數據中心技術創(chuàng)新的關鍵挑戰(zhàn)是能源效率問題，因為物聯網和智能家居等新技術不僅對新的計算能力有需求，而且對能源也有新需求。
根據美國能源部的數據，2016年美國數據中心運行和冷卻的能耗達到700億千瓦時。而到2020年，電能需求預計將增加到730億千瓦時。為了降低數據中心運營成本以及二氧化碳排放量，未來大的挑戰(zhàn)之一就是提高數據中心的能源效率。
事實上，數據中心運營商正在尋求節(jié)約能源從而降低成本。節(jié)約能源不僅意味著節(jié)約資金，而且對氣候保護作出重大貢獻。不僅冷卻技術的改善將主導IT硬件的發(fā)展，數據中心設備也將承受更高的環(huán)境溫度，并產生更少的熱量。
數據中心運營商正在使用另一種提高能效的策略是尋找自然資源以獲益。例如，谷歌公司采用海水冷卻數據中心，在微軟工程師正在探索水下數據中心。從技術上來說，麻省理工學院的計算機科學家發(fā)現，通過削減常見的查詢或“緩存”，可以大大降低能源消耗。
數據中心需要更節(jié)能的冷卻技術
由于對計算能力的需求迅速增長，因此數據中心的能源消耗不斷增加，需要創(chuàng)新的綠色概念，以降低整個行業(yè)的功耗。大幅降低能源消耗的一個可能性是一致地使用諸如熱水冷卻系統(tǒng)，以及數據中心熱量的智能再利用。
如今的數據中心可以采用適當的冷卻系統(tǒng)以及利用智能余熱來節(jié)省額外的費用。
目前數據中心的散熱冷卻主要是采用機械空氣冷卻系統(tǒng)。在傳統(tǒng)數據中心的冷卻系統(tǒng)中，通常會對整個房間進行制冷，還有超過一半的冷空氣不能到達機房熱點。而這樣制冷系統(tǒng)浪費了大量的能源和成本。而取代空氣冷卻的方法之一是使用水或其他液體進行冷卻。但很多數據中心工作人員一旦遇到“水”就會猶豫，因為他們認為水冷設備和IT設備并不適合一起部署。盡管如此，已經有一些數據中心運營商已經采用水來替代其他冷卻介質。
Green Mountain公司位于北歐地區(qū)的數據中心利用附近峽灣的冷水來冷卻數據中心。數據中心運營商Cologix公司和Equinx公司在多倫多的數據中心使用安大略湖的湖水來冷卻服務器。然而，在這兩種情況下，水只是間接地參與冷卻過程：通過熱交換器，數據中心中的空氣相應地被液體冷卻介質冷卻，然后用于冷卻數據中心IT硬件。
但是，從熱力學和效率的角度來看，建議將散熱片盡可能靠近IT設備進行冷卻，而不要對整個機房房間進行冷卻。例如通過對熱點采用直接水冷卻技術是最佳的選擇。而冷卻后的水溫高達40℃，因為水與空氣相比具有物理上的優(yōu)勢：水吸收的熱量是空氣的3330倍，導電率是20倍。冷卻介質越接近熱源，冷卻效率就越高。通過智能化設計，可以實現對CPU等敏感元件的集中冷卻。
與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，水冷卻具有更高的冷卻性能，每個機架的功率密度可高達45 kW，同時降低能耗。由于服務器機架中的溫度相對較高，冷卻水在為IT設備冷卻之后，其輸出溫度高可達60℃。例如，可以使用這個溫度的熱水為居民區(qū)供暖。
通過智能余熱利用節(jié)省更多能源
目前，通過利用余熱提高能源效率尋求新的協(xié)同效應變得越來越重要。根據Borderstep Institute最近的一項調查顯示，50％的受訪者認為，數據中心的服務器熱量被重用，具有非常高的節(jié)能潛力。例如，IBM公司在瑞士的一個數據中心為其附近的一個游泳池加熱，印第安納州圣母大學（NotreDame University）的數據中心就是一個溫室，而蘋果公司和AWS公司在北歐的數據中心為其附近的住宅供暖。
然而，數據中心廢熱的再利用通常有兩個問題：一方面，數據中心冷卻水的溫度通常不到60℃，其輸出溫度較低。然而，為了再利用冷卻水，例如用于加熱建筑物或用于熱水制備，至少需要60℃的溫度。因此，熱泵對彌補溫度的差異起著重要的作用。另一方面，熱量的傳輸也是一個不容忽視的挑戰(zhàn)，數據中心的余熱只能用在接近其位置的應用中。長距離傳輸會導致熱量損失，從而導致熱量消耗。
未來的展望
數據中心行業(yè)需要更加廣泛接受和采用水冷技術，以節(jié)省更多的成本。而數據中心廢熱得到長期的利用，為實現降低能耗目標將邁出了重要的一步。
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