對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，空調(diào)系統(tǒng)是為降低服務(wù)器CPU溫度的必配系統(tǒng)，若空調(diào)系統(tǒng)供冷中斷，則數(shù)據(jù)機(jī)房送風(fēng)溫度降急劇升高，造成服務(wù)器高溫宕機(jī)，影響業(yè)務(wù)安全。除此之外，根據(jù)Uptime報(bào)告指出，全球大型數(shù)據(jù)中心年均PUE為1.59，暖通能耗占比為30%。因此，空調(diào)系統(tǒng)能耗是制約數(shù)據(jù)中心PUE值的關(guān)鍵因素。 而據(jù)中國(guó)信通院統(tǒng)計(jì)各國(guó)家和地區(qū)相繼公布碳中和的目標(biāo)和承諾，美國(guó)政府通過(guò)DCO數(shù)據(jù)中心優(yōu)化倡議、FDCCI美國(guó)聯(lián)邦數(shù)據(jù)中心整合計(jì)劃、FITARA聯(lián)邦政府信息技術(shù)采購(gòu)改革法案等一系列舉措整合和關(guān)閉數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心數(shù)量減少7000個(gè)，占比約50%。數(shù)據(jù)中心平均PUE從2.0降低到近一半大型數(shù)據(jù)中心達(dá)到1.5甚至1.4以下。2020年歐盟數(shù)據(jù)中心能源效率行為準(zhǔn)則的最佳實(shí)踐指南和歐洲數(shù)據(jù)中心能源效率現(xiàn)狀白皮書：規(guī)范了PUE、SUE、DCIE等指標(biāo)。歐洲數(shù)字戰(zhàn)略和塑造歐洲的數(shù)字末來(lái)中表示歐洲需要在數(shù)據(jù)中心和整個(gè)電信行業(yè)都提高能源效率并使用更多可再生能源，ICT基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心應(yīng)確保在2030年之前達(dá)到氣候中性 (climate neutral)。2050年成為世界第一個(gè)實(shí)現(xiàn)氣候中性的大陸。這些國(guó)際上數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)和節(jié)能減排實(shí)例已經(jīng)向數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展和未來(lái)提出更加嚴(yán)苛的要求和期望， 綠色、低碳、節(jié)能將是數(shù)據(jù)中心未來(lái)發(fā)展恒久的主題。

回顧數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的發(fā)展

一、風(fēng)冷冷卻技術(shù)

常見(jiàn)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器CPU冷卻形式為風(fēng)冷，風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)是散熱器與基板（CPU）的裝配具有標(biāo)準(zhǔn)化特征，雖然散熱器的種類形式各異，但在組裝方法上基本可以做到標(biāo)準(zhǔn)化或規(guī)范化，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。而常見(jiàn)的風(fēng)冷末端空調(diào)的布置形式主要有：房間級(jí)地板下送風(fēng)、行列間冷/熱通道封閉、熱管背板等。

在IT設(shè)備中，服務(wù)器有內(nèi)部的風(fēng)扇通風(fēng)功能，將設(shè)備散發(fā)的熱量進(jìn)行導(dǎo)流而不具備制冷能力，除此外我們需要部署機(jī)房冷卻系統(tǒng)，也就是精密空調(diào)，以保障服務(wù)器良好運(yùn)行。而就數(shù)據(jù)中心未來(lái)綠色節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，在保障服務(wù)器良好運(yùn)行的基礎(chǔ)上，努力做到更低的PUE才是大勢(shì)所趨。降低PUE意味著降低數(shù)據(jù)中心的能耗，從制冷技術(shù)層面來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)中心要想做到這一點(diǎn)，無(wú)論哪一種制冷技術(shù)都是為了讓冷卻介質(zhì)在末端盡可能的貼近設(shè)備，減少換熱次數(shù)，以便于介質(zhì)更加高效的與設(shè)備進(jìn)行熱交換，從而提高換熱效率、降低冷損失。

1、房間級(jí)空調(diào)采用的彌漫式送風(fēng)，可謂是“大水漫灌”。從氣流組織管理的角度來(lái)說(shuō)，在機(jī)房中安裝的集中空調(diào)由于沒(méi)有合理導(dǎo)向?qū)⒗錃饩珳?zhǔn)的輸配到發(fā)熱設(shè)備，只有部分冷介質(zhì)與IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱交換，這樣的氣流組織形式只能浪費(fèi)其余的大部分冷量。這樣的房級(jí)空調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗損失較大，進(jìn)而影響的PUE值只能在2.0～2.5之間徘徊，也就是說(shuō)這樣的數(shù)據(jù)中心2度的電能最多只有1度用于IT負(fù)載。

2、老舊的數(shù)據(jù)機(jī)房以及通信間一般使用房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)，房間級(jí)地板下送風(fēng)空調(diào)一般集中布置在空調(diào)間內(nèi)，通過(guò)架空地板形成靜壓箱，冷空氣通過(guò)架空地板上吹后，經(jīng)過(guò)服務(wù)器將CPU降溫后回到空調(diào)回風(fēng)口。房間級(jí)下送風(fēng)空調(diào)因輸送距離較長(zhǎng)，且在輸送風(fēng)路上個(gè)點(diǎn)靜壓不同，呈先小后大再小的形勢(shì)，以此容易造成機(jī)房局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生。以此，在使用過(guò)程中常將房間級(jí)空調(diào)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)大，溫度調(diào)低，減少局部熱點(diǎn)的產(chǎn)生，因此往往造成能枆浪費(fèi)。

3、新建的數(shù)據(jù)機(jī)房大多采用行列間空調(diào)冷通道封閉的形式，近年也有不少工聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提出行列間熱通道封閉的形式。與房間級(jí)下送風(fēng)空調(diào)相比，采用行列間空調(diào)冷/熱通道封閉的形式可以獲得較高的能效比，使冷量可以更加集中，氣流組織更加均勻。對(duì)于行列間空調(diào)，機(jī)柜的布局方式對(duì)氣流組織有較大影響，近年也有很多專家通過(guò)CFD模擬對(duì)機(jī)柜的布置形式對(duì)氣流組織的影響做了研究。圖中所展示的，合理的機(jī)柜布置可以讓氣流組織更加均勻 ，冷氣更容易進(jìn)行熱交換。圖示中左側(cè)為對(duì)立布置服務(wù)器的機(jī)柜的氣流組織CFD模型 ，右側(cè)為交叉布置服務(wù)器的機(jī)柜氣流CFD模型，不難看出對(duì)立布置服務(wù)器的機(jī)柜氣流組織較為均勻。前面我們提到服務(wù)器內(nèi)部是有內(nèi)置的風(fēng)扇來(lái)輔助服務(wù)器進(jìn)行散熱，而內(nèi)置風(fēng)扇對(duì)氣流的調(diào)節(jié)都是線性的，一般風(fēng)扇會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度和溫差進(jìn)行啟停維持服務(wù)器內(nèi)部溫度在合適范圍。之所以不能忽略服務(wù)器內(nèi)部的風(fēng)機(jī)對(duì)氣流組織的影響，是因?yàn)?strong>服務(wù)器運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的能耗也算IT負(fù)載能耗，降低PUE值不能只關(guān)注分子，而忽略分母，降低整體能耗的同時(shí)也要想辦法降低IT能耗。

二、液冷冷卻技術(shù)

任何一項(xiàng)技術(shù)的迭代和更新優(yōu)化都是權(quán)衡技術(shù)本身優(yōu)點(diǎn)和效益而產(chǎn)生的，而液冷發(fā)展的三個(gè)核心原因正是風(fēng)冷冷卻無(wú)法做到且對(duì)于數(shù)據(jù)中心未來(lái)發(fā)展更高期望的具體表現(xiàn)：

1、芯片熱功率已經(jīng)達(dá)到風(fēng)冷極限350w-400w。

2、國(guó)家對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE提出了更高的要求，數(shù)據(jù)中心是能耗大戶，2015年我國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)1000億千瓦時(shí)，降低PUE對(duì)節(jié)能減排大有裨益。

3、液體比空氣散熱的優(yōu)勢(shì)明顯；同體積液體帶走熱量是空氣的3000倍、液體導(dǎo)熱能力是空氣的25倍、同等散熱水平時(shí)，液體系統(tǒng)噪音的比風(fēng)冷降低10～15db、液冷系統(tǒng)約比風(fēng)冷系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)30%。

而液冷冷卻技術(shù)是如何做到這些的呢，還是那句話無(wú)論哪一種制冷技術(shù)都是為了讓冷卻介質(zhì)在末端盡可能的貼近設(shè)備。

現(xiàn)有的液冷技術(shù)主要有緊耦合式(間接接觸）液冷技術(shù)及浸泡式（直接接觸）液冷技術(shù)。緊耩合式液冷技術(shù)就是用管道將冷凍液輸送到機(jī)柜內(nèi)部的發(fā)熱元器件附近甚至緊貼發(fā)熱元器件的散熱片。浸泡式液冷技術(shù)就是將服務(wù)器浸泡于一種特殊的礦物油或氟利品中進(jìn)行降溫，此系統(tǒng)對(duì)礦物油及氟利昂化學(xué)成分、密閉和凈化條件要求非常高。一般單機(jī)架功率超12KW建議采用液冷方式，相對(duì)于風(fēng)冷而言，液冷可以效率更高。但液冷服務(wù)器均需定制，初始投資高，對(duì)建筑物稱承重有一定要求，且后期維保投入大。如華為可拔插型的水冷板液冷服務(wù)器，均需要華為專配的蒸餾水。其實(shí)這也就體現(xiàn)出液冷技術(shù)的一些弊端，比起常規(guī)的風(fēng)冷服務(wù)器而言，特殊液冷的服務(wù)器會(huì)對(duì)日常的機(jī)房運(yùn)維工作帶來(lái)一定困難。

冷板式液冷是一種緊耦合式(間接接觸）的液冷技術(shù)主要通過(guò)3種核心部件來(lái)實(shí)現(xiàn)末端更加貼近設(shè)備，它們分別是cold plate（冷板）、manifold（分歧管）、CDU（冷卻分配裝置）。冷板相當(dāng)于冷卻系統(tǒng)中的“皮膚”，對(duì)于高密散熱的服務(wù)器而言，服務(wù)器內(nèi)部的散熱空間是極其狹小的，這就意味著需要更加貼近服務(wù)器內(nèi)部發(fā)熱元器件的冷板貼合進(jìn)行高效的換熱。而分歧管則負(fù)責(zé)輸送冷卻介質(zhì)分布在服務(wù)器兩端同時(shí)連接冷板，相當(dāng)于人體中連接心臟和人體組織的“血管”，那么冷卻分配裝置就相當(dāng)于冷卻系統(tǒng)中的“心臟”，保證冷卻介質(zhì)在冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)效率。理想狀態(tài)下的液冷冷卻技術(shù)在精準(zhǔn)化的制冷過(guò)程中產(chǎn)生PUE可達(dá)到1.01～1.2,可大幅降低數(shù)據(jù)中心的能耗。目前業(yè)界比較廣泛的采用液冷技術(shù)大多是間接液冷（板式），也有在使用直接液冷模式，如阿里就是采用的單向浸沒(méi)式的液冷制冷技術(shù)。由此可見(jiàn)液冷技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)液冷技術(shù)將極具規(guī)模的占據(jù)制冷系統(tǒng)的一席之地。

三、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

其實(shí)提到綠色節(jié)能的制冷技術(shù)，在大學(xué)課程及行業(yè)應(yīng)用中都會(huì)涉及和應(yīng)用到間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，它是一項(xiàng)利用水蒸發(fā)吸熱制冷的冷卻技術(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，原理是將室外新風(fēng)與循環(huán)水直接接觸后等焓降溫后間接的通過(guò)換熱器帶走機(jī)房熱空氣中的熱量，從而對(duì)機(jī)房進(jìn)行降溫。間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)相對(duì)于水冷空調(diào)而言，減少了冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等設(shè)備能枆，在低溫環(huán)境下可以高效的提供自然冷源給機(jī)房供冷，因此，在北方寒冷區(qū)域使用，可以有效降低空調(diào)能耗。但南方高溫高濕地區(qū)則不適用。這種制冷技術(shù)存在的弊端就是有著比較強(qiáng)的地域性，也就是和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件關(guān)聯(lián)性比較緊密。業(yè)內(nèi)應(yīng)用并不廣泛，但是不影響這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)建設(shè)更多綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心時(shí)成為甲方和工程師們考慮的方案之一。目前這項(xiàng)冷卻技術(shù)有著較大的地域氣候壁壘，但是不妨礙行業(yè)建環(huán)暖通專業(yè)工程師和行業(yè)建設(shè)方對(duì)它的技術(shù)突破和嘗試。間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在南方地區(qū)也有使用的案例，目前也有數(shù)據(jù)機(jī)房在嘗試使用液冷加間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。如儀征的騰訊機(jī)房，以及已經(jīng)在建設(shè)的南京佳力圖機(jī)房。但江蘇地區(qū)夏季不屬于高溫高濕地區(qū)，它的自然冷源利用時(shí)長(zhǎng) 一般僅2～3個(gè)月，因此，在非自然冷源期間需利用電能制冷進(jìn)行冷量供給，因此在南方地區(qū)單純的利用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)未必可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。液冷技術(shù)的出液溫度一般50℃，而南京地區(qū)最高濕球溫度28.5℃，因此完全可以利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)與液冷技術(shù)相互結(jié)合，減少電能制冷的使用，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。

技術(shù)革新永遠(yuǎn)沒(méi)有盡頭只會(huì)愈加精益求精，數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展應(yīng)該與時(shí)代同頻共振。自2020年開(kāi)啟的雙碳時(shí)代已經(jīng)走過(guò)快兩個(gè)年頭，綠色、節(jié)能、低碳的時(shí)代發(fā)展主題無(wú)論對(duì)于哪一個(gè)行業(yè)都是不可抗拒的，數(shù)據(jù)中心更應(yīng)該走在綠色行業(yè)的前排，加快降低碳排放步伐，引導(dǎo)好綠色技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)力，做好綠色、節(jié)能、低碳生產(chǎn)的排頭兵。

本文標(biāo)題：雙碳時(shí)代從風(fēng)冷、液冷技術(shù)淺析數(shù)據(jù)中心節(jié)能

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