數據中心那點事之制冷系統思考

數據中心制冷系統是一個復雜的系統工程，需要綜合考慮多種因素來進行設計和優化。通過合理的制冷方式選擇、系統設計、維護保養等方面的措施，保證數據中心的冷源穩定供給和設備環境高效管理。

引言

繼“碳達峰、碳中和”之后，工信部、發改委、財政部等七個部門發布《信息通信行業綠色低碳發展行動計劃（2022—2025年）》，提出聚焦數據中心采用高效化、綠色化、低碳化技術，加快數據中心PUE降低。同時，伴隨著金融科技的快速發展和數字化轉型的加速，數據中心作為關鍵基礎設施建設規模也在不斷擴大，能耗逐步攀升。因此，應用數據中心節能技術促進提升能效比，成為金融數據中心實現“雙碳”目標的途徑之一。根據PUE公式（1）可知降低PUE需考慮制冷系統、供電系統、其他部分耗能三部分，供電系統主要損耗是設備、線纜自身的電能損耗，由于受限設備選型、系統架構、空間布局影響等原因可壓縮空間十分有限。其他耗能部分由于占比及技術不斷優化可壓縮空間也同樣有限。因此數據中心節能工作優先從制冷系統考慮，其中傳統大型數據中心的制冷系統能耗能夠占到三者耗能總和一半以上，因此降低制冷系統能耗是提高數據中心能源利用效率最直接和有效的措施。

(資料圖片僅供參考)

圖片

降低制冷系統能耗可以采用更加節能的制冷系統架構或增加相應輔助制冷系統降低制冷能耗。例如采用自然冷卻技術充分利用室外低溫環境提供冷源，也可采用輔助噴淋設備增加蒸發制冷方式，或采用液冷技術利用液體直接將熱量帶走等高效制冷方式。以G行生產數據中心所在地北京為例，依照《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》統計1971年~2003年的實測氣象數據為基礎，北京全年干球溫度統計如圖1所示，其中北京全年在0℃以下時長為1580小時，具備在春秋過渡季節和冬季利用室外低溫進行自然冷卻。

圖1 北京干球溫度統計圖

制冷原理

制冷的基本原理是利用制冷劑在不同壓力下物理性質的變化，通過制冷循環將室內熱量吸收到制冷劑中，然后將制冷劑的熱量排放到室外，從而調節室內溫度。制冷循環包括四個步驟：壓縮、冷凝、膨脹和蒸發。制冷劑在低壓狀態下從蒸發器吸收室內熱量，經過壓縮機壓縮成高壓高溫氣體，然后在冷凝器中與室外空氣進行熱量交換，逐漸冷凝成高壓液態制冷劑。高壓液態制冷劑通過節流閥或膨脹閥減壓，變成低壓液態制冷劑，然后在蒸發器中與室內空氣進行熱量交換，吸收室內熱量并蒸發成低壓制冷劑氣體。最后，低壓制冷劑氣體再次經過壓縮機進入冷凝器，在室外與空氣進行熱量交換，放出熱量并冷凝成液態制冷劑，進入蒸發器繼續循環。這樣，制冷劑不斷地循環流動，從而實現制冷的過程,其原理如圖2所示。需要注意的是，不同類型的制冷系統可能采用不同的制冷劑和制冷循環方式，但基本的制冷原理都是相同的。

圖2 制冷循環原理圖

在數據中心中，空調末端系統和制冷冷源系統通過循環管路和換熱器進行連接，構成了一個完整的數據中心冷卻系統?？照{末端系統則是將制冷系統提供的冷源輸送到機房模塊中，通過空氣循環與IT設備產生的熱量進行能量交換，將機房內的熱量帶出去，從而保持機房內的溫度和濕度在適宜的范圍內，完成整個冷卻循環。如圖3所示。

圖3 機房模塊制冷原理圖

數據中心制冷系統形式

數據中心制冷形式多種多樣，按照不同維度進行歸類劃分數據中心通常采用的制冷系統形式分別為：氟制冷系統、水制冷系統、風制冷系統如圖4所示。

圖4 數據中心制冷系統劃分

氟制冷系統本文主要介紹兩種：風冷氟泵系統和冰川相變系統。風冷氟泵系統具有成熟穩定的技術在數據中心領域有較廣應用場景。冰川相變系統根據技術迭代結合氟泵系統優點并降低設備阻力損耗進一步提高設備的能源利用效率。

風冷氟泵系統：由壓縮機、冷凝器、循環泵、膨脹閥等部件組成。具備壓縮制冷和氟泵循環制冷兩種模式。當室外環境溫度低于系統控制的設定點時，風冷型空調系統中的壓縮機會停止工作，取而代之的是氟泵。此時，蒸發器與室內空氣換熱后的制冷劑會直接進入風冷冷凝器與室外冷源進行換熱，將其冷卻成液態。在氟泵的作用下，液態制冷劑克服管阻回到蒸發器繼續換熱，從而實現節能效果?？傊?，當室外環境溫度低于設定點時，風冷型空調系統會利用氟泵代替壓縮機進行制冷，從而達到更好的節能效果，如圖5所示：

圖5 風冷氟泵示意圖

冰川相變系統：近些年隨著技術的不斷更新迭代，技術發展。在氟泵空調技術的基礎上，采用蒸發冷凝、磁懸浮壓縮機、自然冷卻、動力熱管等技術。冰川相變系統具備風能夠在缺水地區廣泛使用，系統能效比高，實現自由冷卻時間長等優點，如圖6所示。

圖6 冰川相變示意圖

水制冷系統技術成熟在中大型數據中心中應用廣泛，其中能相較于傳統的空氣冷卻技術具有更高的能源效率、設備及系統具有較好的穩定性。本文主要介紹為風冷冷水系統、水冷冷水系統兩種系統。

風冷冷水系統：采用空氣冷卻方式通過風扇冷卻冷凝器中的冷媒，直接將熱量驅逐空氣當中冷卻。與水冷冷水系統相比不需要配備冷卻塔、冷卻水泵以及管道等部件，能夠在缺水環境下保證設備制冷正常運行。風冷冷水系統同時具備簡單可靠、易于維護等優點，因此在中大型數據中心廣泛應用，如圖7所示。

圖7 風冷冷水示意圖

水冷冷水系統：以G行生產數據中心為例，系統采用大型冷凍水冷機設備配備板換、冷卻塔及水泵管路等部件，采用水泵循環動力克服管內阻力，同時配備水池及蓄冷罐以確保數據中心補水及蓄冷。機房熱量通過精密空調換熱經冷凍水傳遞到板換/冷機，冷卻水將熱量帶到冷卻塔傳到室外。水冷冷水機組的自然冷卻一般是在冷卻水和冷凍水回路之間增加板式換熱器，在室外溫度較低時關閉冷水機組，直接用低溫冷卻水作為冷源通過換熱器來冷卻冷水回路。如圖8所示。

圖8 水冷冷水示意圖

風制冷系統本文主要介紹間接蒸發冷系統，目前金融行業逐步采用嘗試使用間接蒸發冷系統，滿足數據中心整體能耗指標監管。利用空氣-空氣換熱器實現室內空氣與室外空氣的換熱，同時可以通過噴淋蒸發降低室外濕球溫度。當空氣換熱無法滿足制冷量需求時，設備開啟機械制冷。相比較傳統水冷系統減少了換熱環節，進一步提高換熱效率。間接蒸發冷具有室內無末端設備，能夠廣泛應用于自然條件優越地區等特點，如圖9所示。

圖9 間接蒸發冷示意圖

通過對制冷系統從用電量、耗水量、技術成熟度及運維難度綜合對比分析適配數據中心架構設計不經相同。需要考慮項目所在地周邊環境、水資源、電力資源以及建設方對技術是否在業內采用普及度。

表1制冷系統綜合對比分析

總結

數據中心制冷系統是一個復雜的系統工程，需要綜合考慮多種因素來進行設計和優化。通過合理的制冷方式選擇、系統設計、維護保養等方面的措施，保證數據中心的冷源穩定供給和設備環境高效管理。

隨著算力需求增長，單機柜功率與能耗相繼攀升，傳統風冷已逐漸無法滿足超算中心的算力增長帶來的高效散熱需求，液冷技術優勢日益明顯，詳細液冷內容介紹，請關注后續更新。

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