云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和5G的迅猛發(fā)展給服務(wù)器散熱帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著CPU性能的提升，熱耗和溫度不斷上升，風(fēng)冷產(chǎn)品和噪聲已經(jīng)達(dá)到瓶頸。而人工智能中對(duì)高功耗GPU的需求更加加劇了傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)的無(wú)力應(yīng)對(duì)高密度機(jī)柜散熱的問(wèn)題。因此，液冷技術(shù)成為業(yè)界新的關(guān)注焦點(diǎn)，其散熱能力較強(qiáng)，液體的比熱容和熱傳導(dǎo)性能也更高。液冷技術(shù)可采用直接冷卻和間接冷卻兩種方式，數(shù)據(jù)中心常用的包括冷板、浸沒(méi)和噴淋等技術(shù)。其中，二次側(cè)集中循環(huán)直接接觸冷板式液冷系統(tǒng)具有投資成本低、可靠性高、維護(hù)方便和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。此外，結(jié)合動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)和液冷技術(shù)，可以有效降低制冷系統(tǒng)的功耗，將數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)朝著零機(jī)械壓縮制冷的方向發(fā)展，從而解決高密度服務(wù)器散熱和耗能問(wèn)題。

直接接觸冷板式液冷系統(tǒng)一般由一次側(cè)設(shè)備和二次側(cè)設(shè)備組成。一次側(cè)設(shè)備包括一次側(cè)循環(huán)泵和室外散熱設(shè)備，通常是干冷器或閉式冷卻塔。二次側(cè)設(shè)備包含換熱模塊、分歧管模塊和芯片散熱冷板。根據(jù)芯片散熱冷板中是否含有微型泵，二次側(cè)設(shè)備分為二次側(cè)分散循環(huán)系統(tǒng)和二次側(cè)集中循環(huán)系統(tǒng)。由于含有微型泵的冷板尺寸較大不能滿足不同服務(wù)器的要求，數(shù)據(jù)中心通常采用換熱模塊中集成循環(huán)泵的二次側(cè)集中循環(huán)系統(tǒng)。

換熱模塊的基本功能是實(shí)現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的熱交換，并精確控制冷卻液的溫度。它通常由板式換熱器、電動(dòng)比例閥、二次側(cè)循環(huán)泵、膨脹罐、安全閥、進(jìn)出水管專用接頭、控制器及面板等組成。換熱模塊的性能在不同流量和溫差下會(huì)有明顯差異，所以在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)工況合理選擇和應(yīng)用。

圖1某款換熱模塊結(jié)構(gòu)示意圖

芯片散熱冷板通常采用銅板材料，采用微通道架構(gòu)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的分流設(shè)計(jì)，以降低壓降并增加冷卻液的流量，確保冷卻液能夠優(yōu)先冷卻芯片最熱區(qū)域。這種設(shè)計(jì)不需要任何運(yùn)動(dòng)部件，具有高可靠性。分歧管會(huì)將經(jīng)過(guò)熱交換模塊冷卻的冷卻液均勻有序地分配到芯片散熱冷板中，避免了不同路徑的芯片散熱冷板出現(xiàn)流量不足或過(guò)大的情況。這樣可以確保冷卻液對(duì)芯片的散熱均勻有效，提高散熱效果。

間接動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)由間接自然冷卻室內(nèi)機(jī)組、干冷器機(jī)組、變頻水泵和連接管路等組成。室內(nèi)機(jī)組采用自然冷卻冷水盤(pán)管和水量調(diào)節(jié)閥，室外機(jī)組通過(guò)閉式冷卻塔提供冷水循環(huán)。系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)自然冷卻和機(jī)械壓縮制冷，具有機(jī)械制冷、混合制冷和自然冷卻制冷等多種運(yùn)行模式。在高溫外界環(huán)境下，系統(tǒng)采用機(jī)械制冷；在過(guò)渡季節(jié)，部分冷水用于自然冷卻，另一部分用于機(jī)械制冷散熱；而在低溫外界環(huán)境下，系統(tǒng)完全依靠自然冷卻，從而實(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能效果。系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)負(fù)載和室外溫度的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和舒適的空調(diào)效果。

利用直接接觸冷板式液冷系統(tǒng)集中冷卻服務(wù)器芯片，同時(shí)搭配動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器的其他發(fā)熱元器件進(jìn)行風(fēng)冷散熱，此時(shí)數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2所示。采用直接接觸冷板式液冷系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器芯片進(jìn)行集中冷卻服務(wù)。同時(shí)搭配動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器的其他發(fā)熱元器件進(jìn)行風(fēng)冷散熱。在室內(nèi)，散熱終端包括直接接觸式冷板、動(dòng)態(tài)自然冷卻室內(nèi)機(jī)組的蒸發(fā)盤(pán)管和表冷器。而在室外，采用干冷器（閉式冷卻塔）作為散熱設(shè)備。具體的服務(wù)器散熱流程如圖3所示。通過(guò)這樣的架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器高效的散熱和冷卻，確保數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2液冷與動(dòng)態(tài)自然冷卻綜合運(yùn)用散熱系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖3服務(wù)器熱量散發(fā)途徑示意圖

干冷器作為室外散熱設(shè)備的工作過(guò)程中不需要消耗水資源，它利用室外空氣來(lái)冷卻管內(nèi)的液體，通過(guò)降低液體的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻的效果。這種工作方式降低了系統(tǒng)對(duì)水資源的依賴程度，使其具有更廣泛的適用性。

圖4液冷及動(dòng)態(tài)自然冷卻綜合散熱系統(tǒng)主要設(shè)備表

無(wú)論是直接接觸冷板式液冷還是動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)，它們的PUE值都非常低。綜合運(yùn)用這兩種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)中心的高效節(jié)能運(yùn)行。雖然動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的PUE已經(jīng)很低，但與液冷系統(tǒng)相比還存在一定差距。因此，在選擇采用直接接觸冷板式液冷的數(shù)據(jù)中心配置服務(wù)器時(shí)，應(yīng)該盡量選擇具有較大冷板散熱占比的服務(wù)器，以減少對(duì)風(fēng)冷散熱的負(fù)載。就最終室外散熱設(shè)備而言，液冷系統(tǒng)由于一直在高進(jìn)出水溫下運(yùn)行且干冷器按照極端氣溫選型散熱面積較大，所以其干冷器風(fēng)機(jī)的年運(yùn)行功耗非常低。而為了盡可能減少室內(nèi)機(jī)組壓縮機(jī)的運(yùn)行，動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的干冷器風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)進(jìn)入完全自然冷卻制冷模式前會(huì)一直高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致其年運(yùn)行功耗相對(duì)較高。因此，降低這部分功耗可以進(jìn)一步提高綜合系統(tǒng)的能效。作為數(shù)據(jù)中心兩種先進(jìn)節(jié)能的制冷技術(shù)，直接接觸冷板式液冷及動(dòng)態(tài)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的綜合運(yùn)用有利于打造真正的綠色數(shù)據(jù)中心。

本文標(biāo)題：液冷與動(dòng)態(tài)自然冷卻的綜合運(yùn)用技術(shù)

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