国内数据中心制冷系统设计与延展

数据中心概要

与传统建筑空间相比，数据中心散热密度大，单位面积散热量可达传统办公区域的40倍以上，且越来越呈现集中化、大型化的趋向；同时，设备的保险性需求进步了对内部空调温湿度和洁净度的请求，数据中心热环境特性需求数据中心设计成全封锁结构，依托制冷系统的全年运转来抵达控温控湿的目的，这使得制冷系统能耗成为数据中心能耗比例分歧理的一个重要要素。

数据中心暖通系统剖析

目前我国数据中心制冷系统主要分为以下几种：水冷、风冷、间接蒸发与液冷方式。

常见水冷系统方式为：水冷冷水机组+板换+末端精密空调+冷却塔，机房热量经过精密空互换热经冷冻水传送到板换/冷机，冷却水将热量带到冷却塔传到室外。该系统最大特性为系统成熟，是目前数据中心最为常用的冷却系统，数据中心居高不下的高能耗运用户愈发关注节能问题，因而数据中心冷冻水温度也逐步可进步到18/24度，随着冷水机组及冷塔、板换材质工艺和换热效率的提升，目前水冷系统的年平均PUE部分地域可低于1.3；冷水系统最大限制要素是对水资源的耗费较为严重，机械制冷时水蒸发量很大，同时A级机房常规设计思索12小时储水量，需相应配套水处置设备。

风冷系统方式主要为以下两种：1.风冷冷水机组+末端精密空调。2.直膨式精密空调+室外机。如上所述，当数据中心树立限制于水资源的影响时，通常会选择风冷方式，风冷冷水机组对占空中积有一定请求，大范围数据中心其实并不适用此种方式，一是此种计划成本较高，二是目前数据中心单机柜IT功率普遍都抵达了5kw、8kw左右，高密机柜以至超越20kw，机组的制冷量请求多，为了增加设备摆放空间而扩展建筑面积并不适用与数据中心树立，此外大范围放置于建筑外围会构成用地糜费，因而能够发现，国内大范围数据中心基本不采用风冷冷水机组计划。

关于直膨式精密来说，在间接蒸发设备成熟化部署前不时是替代水冷系统的最佳选择，特别关于一些用户无法接受水进入机房，但此种制冷系统高能耗不时是各方关注的问题，PUE以至可达2.0以上，随着技术的延展，氟泵空调替代了传统直膨精密空调，从系统结构上，经过增加一个节能模块，延长了自由冷却运用时长，缓解了直膨精密空调PUE过高的问题。该系统受管路长度限制，目前国内外风冷直膨精密空调冷媒管路由长度在65-75米之间，超越此长度将会影响设备的制冷效果。

间接蒸发冷却机组从原理上讲也是属于风冷的一种方式，是国内近两年较为关注的制冷系统之一，不少大范围数据中心园区也运用了间接蒸发机组，其制冷原理如图所示：

图1 间接蒸发机组换热原理

间接蒸发冷却机组是将室外空气新风和房间空气经过换热器直接换热，较传统水冷系统减少了换热环节，换热效率高，间接蒸发冷却空调机组三种运转方式：

1）“干工况”方式:数据机房内空气与室外空气在机组换热芯体内进行热交流，应用室外空气低干球温度，直接冷却数据中心热回风。

2）“湿工况”方式:当室外干球温度升高，不能直接冷却机房内空气时，在换热芯体上喷水，应用蒸发冷却降温原理，经过换热芯体外部水分的蒸发，吸收热量，冷却数据中心热回风。

3）“DX工况”方式:数据中心热回风在经过淋水换热芯体换热后，仍不能满足效劳器设备进风温度请求时，需求开启机械弥补制冷，运转紧缩机模块，保障效劳器设备进风温度。

间接蒸发机组机组尺寸较大，以定兴地域选型250kW冷量为例，设备尺寸可达6500mm(l)x3000mm(w)x5000mm(h)，且设备送回风口需通至机房内，因而需求在外墙侧开风口，并做相应封堵，增加电动阀门，对施工质量请求较高。相比于水冷系统，此系统愈加节水，上述规格间接蒸发冷却机组耗水量仅为0.8m3/h，远远小于冷水系统耗水量，愈加利于在缺水地域推行。

图2间接蒸发冷却机组

近年部分厂家推出了“冰川”相变冷却系统，该系统可了解为风冷系统的一种方式，本系统融合了闭式冷却塔、多联机和氟泵精密空调的特性，高度模块化，管路简单，末端方式灵活多变，可搭配热管、列间空调、风墙和精密空调，就精密空调而言，常规风冷直膨精密空调机组制冷量最大到110kW左右，而“冰川”系统由于外置了紧缩机，室内机冷量可达150kW。该系统还采用了磁悬浮紧缩机，进一步减少了能耗，进步能效比。

图3 “冰川”系统

“冰川”冷却机组共有三种运转方式：

1） “自由冷却”湿球温度低于一定值时，紧缩机完整关闭，由液泵模块提供压力进行制冷剂循环，冷塔内部降温，完成自由冷却。

2） “机械制冷”当室外干球温度升高，不能将冷媒介质温度降至适合温度时，开启紧缩机，保障室内机出风温度

3）“半自由冷却”当湿球温度大于一定值时，只经过冷塔不能降冷媒完整降温，此时开启喷淋方式，经过蒸发冷却冷媒温度。

同样，该系统采取闭式冷却塔结构，有效减少了水分的损失，不失为节水计划的引荐系统，笔者就“冰川”系统和间接蒸发进行参数剖析，关键参数见下表；

每种机组参数均思索三家设备供给商规格，选型地点均为河北某地，当地极端湿球温度29.9℃，数据机房送回风温度统一设定为送风温度23±2℃，回风温度36±2℃，效劳器进风温度满足GB50174中18℃~27℃度请求，从表中数据可得，冰川系统在耗水量方面比间接蒸发机组低近39%，节水效果有明显提升，从产品自身剖析，冰川系统冷塔内部换热面积要大于间接蒸发机组，且冰川系统内部循环为冷媒，运转温度较高，喷淋降温效果明显，因而有较大节水提升，对目前数据中心树立有一定参考意义，特别部分中央在限制PUE同时限制WUE，上海地域明白规则WUE应低于1.4，因而间接蒸发和冰川冷却系统在上海地域可不受水资源要素限制。

液冷技术是运用活动液体将计算机内部元器件产生的热量传送到计算机外，以保障计算机工作在保险温度范围内的一种冷却措施，液体的比热远远大于空气，有利于进步传热效率，降低传热耗能，但也有其弊病，初期成本高，系统复杂，有泄露风险，维护成本高，保险性尚未完整考证，技术规范空缺等，所以液冷系统目前还未在国内数据中心范畴大范围应用。

液冷主要有三种方式：浸没式、冷板和背板。

浸没式：经过把设备浸泡在绝缘冷媒中，器件和冷媒直接热交流完成散热。应用冷媒自身温差对流或增加动力强化对流。假如运用相变冷媒，冷媒在受热后气化，在机柜顶部凝结再流回机柜。

直接液冷优点：散热才干强、掩盖面大、低噪音、能效高、设备无防尘防腐问题。

直接液冷缺陷：卧式机柜空间应用率低、可维护性差（取出设备需清算）、仅能用于中小型设备、存在相似相溶风险、部分器件不能接触冷媒（如光模块、机械硬盘、线圈电感）、冷媒耗费大成本高（相变冷媒）。

图4 浸没式液冷表示图

冷板式液冷：应用工作流体作为中间热量传输的媒介，将效劳器产生的热量由热区传送到远处再进行冷却。工作液体与被冷却对象分别，工作液体不与电子器件直接接触，而是经过液冷板等高效热传导部件将被冷却对象的热量传送到冷媒中。

间接液冷优点：散热才干强、能效高、低噪音、空间应用率高、热能可回收。

间接液冷缺陷：设计复杂难度大、技术规范化缺乏且有盲点、设备成本高、寿命只需5-7年、存在凝露/泄露/腐蚀风险、商用时间短保险性牢靠性未充沛考证。

图5 冷板式液冷表示图

背板液冷：应用工作流体作为中间热量传输的媒介，将效劳器产生的热量由热区传送到远处再进行冷却。工作液体与被冷却对象分别，工作液体不与电子器件直接接触，而是经过效劳器风扇将热量传送到冷却介质中。

背板液冷优点：散热才干强、能效高、低噪音、可拆卸。

背板液冷缺陷：设备成本高、存在凝露/泄露/腐蚀风险、单台背板制冷量较小（10kw左右）。

图6 背板式液冷表示图

总结

综上，随着国度对节能的请求越来越严厉及人们环保认识的进步，数据中心评绿色节能等级愈发常规化，特别暖通方面高能耗不时是关注重点，经过对国内数据中心运用制冷系统的剖析，读者能够对不同制冷方式系统特性、能耗有个直观了解。

空气侧自然冷却分为直接式空气侧自然冷却和间接式空气侧自然冷却，其中间接式占空中积和投资较大，自然冷却时间有限，目前更多采用直接式空气侧自然冷却。水侧自然冷却是大中型数据中心最为普遍的自然冷却方式，并且方便在原有的普通冷水机组的基础上改造。固然其节能效果不如空气侧自然冷却，但不会影响室内环境，是数据中心节能的有效手段。液冷目前还未大范围部署，固然低能耗是其最大特性，但初投资也限制着该系统的延展与推行。

来源： 数据中心运维管理

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