數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)先進(jìn)方案

作者：蘭洋科技????瀏覽量：4401????時(shí)間：2023年10月09日????標(biāo)簽: 綠色數(shù)據(jù)中心綠色技術(shù) 冷卻系統(tǒng)

綠色設(shè)計(jì)整體方案是指在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)階段對(duì)數(shù)據(jù)中心主要架構(gòu)的選擇，在制冷系統(tǒng)方面，如風(fēng)冷DX 空調(diào)系統(tǒng)、水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、新型氟泵系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)等。整體制冷設(shè)計(jì)方案的選擇對(duì)數(shù)據(jù)中心的綠色設(shè)計(jì)有重要且不可替代的影響，是決定數(shù)據(jù)中心PUE 下限的重要因素。在選擇整體設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)充分綜合考慮數(shù)據(jù)中心所在地區(qū)的氣候特點(diǎn)、水資源供應(yīng)情況、數(shù)據(jù)中心規(guī)模以及IT 功率密度。

1 風(fēng)冷DX 空調(diào)系統(tǒng)

風(fēng)冷DX 空調(diào)系統(tǒng)主要是通過風(fēng)冷DX 精密空調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行制冷，其主要特點(diǎn)是設(shè)備構(gòu)成簡單、部署靈活，能夠滿足低功率的制冷需求。風(fēng)冷DX 空調(diào)的蒸發(fā)器在數(shù)據(jù)中心機(jī)房室內(nèi)，為服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜提供冷量；冷凝器放置于室外，與環(huán)境空氣進(jìn)行換熱。冷凝器形式較為多樣化，可與采用一對(duì)一，也可采用集中布置方式。

2 水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)

水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)主要構(gòu)成包括水冷冷水機(jī)組、冷凍水泵、水冷型末端精密空調(diào)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、冷卻塔、板式換熱器，其主要特點(diǎn)是系統(tǒng)較為復(fù)雜、設(shè)備種類多、需要部署集中式冷站。水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)利用水冷冷水機(jī)組或者板式換熱器制取冷凍水，冷凍水通過末端水冷型精密空調(diào)給機(jī)房散熱。

根據(jù)制取冷凍水方式的不同可分為三種工作模式：完全機(jī)械制冷、部分自然冷卻以及完全自然冷卻。完全機(jī)械制冷模式完全依靠冷水機(jī)組制取冷凍水，一般在夏季開啟。如果經(jīng)過板換后的冷凍水出水溫度不能低于供水溫度的要求，則需要打開機(jī)械壓縮制冷機(jī)進(jìn)一步給冷凍水降溫，相當(dāng)于利用了部分自然冷源，這就是部分自然冷卻模式，一般在春秋等過渡季時(shí)開啟。如果經(jīng)過板換后的冷凍水出水溫度達(dá)到供水溫度要求，則需要完全打開機(jī)械壓縮制冷機(jī)給冷凍水降溫，全部利用室外自由冷源，這就是完全自然冷卻模式，一般在冬季低溫節(jié)開啟。

3 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用水蒸發(fā)冷卻原理，采用直接蒸發(fā)或者間接蒸發(fā)的方式獲得冷風(fēng)的技術(shù)，可以分為直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是（AHU）是指空氣與霧化的水直接接觸，由于水的蒸發(fā)，空氣和水的溫度都降低，而空氣的含濕量有所增加，將降溫后的冷空氣直接引入數(shù)據(jù)中心對(duì)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜進(jìn)行冷卻。直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)具有風(fēng)量大、溫差小，冬季加濕效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是該技術(shù)也有一定的局限性，在露點(diǎn)較低的地區(qū)使用該技術(shù)會(huì)帶來不必要的除濕費(fèi)用，而且對(duì)室外空氣的直接引入也會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)濕度分布不均勻以及細(xì)顆粒物和污染物帶入等問題，需采用過濾器對(duì)新風(fēng)進(jìn)行過濾，因此在使用該技術(shù)時(shí)，必須充分考慮當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量以及氣候條件等因素。直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)已經(jīng)在一些地區(qū)得到了應(yīng)用，并取得很好的效果。

間接蒸發(fā)冷卻是指將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣或循環(huán)水的冷量通過非直接接觸式換熱器傳遞給待處理的空氣，實(shí)現(xiàn)空氣的等濕降溫。間接蒸發(fā)冷卻是通過各種類型換熱器來實(shí)現(xiàn)的，其主要類型有管束式、板式、熱管式等形式。

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有效率高、安全性好、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)。

4 新型氟泵系統(tǒng)

新型氟泵系統(tǒng)結(jié)合了間接蒸發(fā)、風(fēng)冷、氟泵、熱管（冷媒自身的相變功能）的各自優(yōu)勢，通過不同的送風(fēng)方式對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行制冷，其主要特點(diǎn)是設(shè)備構(gòu)成簡單，部署相對(duì)靈活，能夠滿足中高功率的制冷需求及中大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的需求。新型氟泵系統(tǒng)可以是戶外一體機(jī)、一拖一、一拖多等多種型式，在自然冷季節(jié)，可完全啟動(dòng)重力熱管方式進(jìn)行制冷。

5 液冷系統(tǒng)

現(xiàn)在的機(jī)架功率和單機(jī)架功率密度都在不斷增長，傳統(tǒng)的服務(wù)器風(fēng)冷散熱方案已經(jīng)不能滿足散熱需要，先進(jìn)的液冷技術(shù)開始在各個(gè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

液冷技術(shù)可以將數(shù)據(jù)中心的空氣用液體進(jìn)行替代，在替代過程就可以將各個(gè)發(fā)熱器件運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量帶走等。目前液冷技術(shù)主要分為冷板式、浸沒式和噴淋式三種。其中，浸沒式和噴淋式液冷等為接觸式液冷，冷板式液冷為非接觸式液冷。冷板式液冷技術(shù)可以不直接接觸冷卻對(duì)象就將熱量帶走，該技術(shù)是通過高效熱傳導(dǎo)部件來對(duì)熱量進(jìn)行發(fā)散；浸沒式液冷技術(shù)屬于直接冷卻技術(shù)，該技術(shù)使用的冷卻液能夠隔絕元器件產(chǎn)生的電氣，通過和發(fā)熱器件進(jìn)行直接接觸就可以帶走熱量；噴淋式液冷技術(shù)通過改造IT 設(shè)備，部署適量的噴淋器件，在設(shè)備運(yùn)行中，可以針對(duì)熱量過高的器件進(jìn)行冷卻。

液冷技術(shù)具有制冷能效高、節(jié)約水資源和機(jī)房空間的優(yōu)勢，因此，有條件的數(shù)據(jù)中心開始應(yīng)用液冷技術(shù)進(jìn)行降溫。應(yīng)用液冷技術(shù)進(jìn)行降溫，不再需要配置風(fēng)扇、空調(diào)末端和冷凍機(jī)組，也不需要安裝架空地板和冷熱通道設(shè)施，和傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，液冷技術(shù)不需要占據(jù)很大的機(jī)房空間，可以將節(jié)省的機(jī)房空間用來布置更多的IT 設(shè)備，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益。

此外，液冷技術(shù)突破了氣候條件和地域的限制，可以在全國任何地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，即使是華南、華東等溫度高的地區(qū)也可以應(yīng)用液冷技術(shù)進(jìn)行冷卻，最終促使數(shù)據(jù)中心的制冷電力消耗大幅度降低。

6 余熱回收

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在運(yùn)行的過程中，產(chǎn)生大量的余熱，這些余熱有著易提取、熱源充足等特點(diǎn)，利用熱泵技術(shù)將數(shù)據(jù)中心余熱回收利用，在數(shù)據(jù)中心有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在我國北方地區(qū)，可有效幫助用戶降低用熱成本。

現(xiàn)階段我國IDC 行業(yè)的節(jié)能重點(diǎn)主要集中在綠電的應(yīng)用、空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排、IT 系統(tǒng)的降耗等方面。伴隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和數(shù)量都呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。更大規(guī)模、更多數(shù)量的數(shù)據(jù)中心建設(shè)，將有更多的設(shè)備，產(chǎn)生更多的余熱，這些余熱如果能被加以利用，可以加速數(shù)據(jù)中心“碳中和”。

現(xiàn)階段大多數(shù)據(jù)中心采用風(fēng)冷降溫，相較于液冷數(shù)據(jù)中心，風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心余熱收集及運(yùn)輸難度較大，成本較高。液冷系統(tǒng)攜帶熱量介質(zhì)為冷卻液，流動(dòng)性強(qiáng)、品味較高、方便運(yùn)輸，相對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)，投資成本較低，利用率較高，更適合余熱回收利用。

液冷系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)可選擇接入液冷系統(tǒng)一次冷卻循環(huán)系統(tǒng)或二次冷卻循環(huán)系統(tǒng)提取余熱，也可選擇與液冷系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)的運(yùn)行方案，對(duì)余熱可采取提質(zhì)利用或直接利用兩種類型，對(duì)余熱提質(zhì)利用的方式又包括熱泵系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)、電輔助加熱、鍋爐輔助加熱等。進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)宜充分考慮綜合利用光熱、地?zé)岬惹鍧嵞茉?，以及與周邊建筑、園區(qū)協(xié)同建立余熱回收利用體系的可行性。

7 總結(jié)

從各地區(qū)氣候差異和水資源供應(yīng)情況的角度，綠色設(shè)計(jì)需要從業(yè)務(wù)角度分析，業(yè)務(wù)種類會(huì)影響服務(wù)器的運(yùn)行溫度，從而影響設(shè)計(jì)方案，同時(shí)考慮同樣構(gòu)架在不同地區(qū)的適用性和PUE 表現(xiàn)。風(fēng)冷DX 空調(diào)設(shè)備構(gòu)成簡單、部署靈活，適用于對(duì)能效要求不高且規(guī)模較小的數(shù)據(jù)中心；水冷冷水機(jī)組設(shè)備種類多、系統(tǒng)較為復(fù)雜、運(yùn)維難度大，其根據(jù)季節(jié)變化調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行模式，可最大化利用自然冷源，適用于對(duì)能效要求較高且自然環(huán)境適宜的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心；蒸發(fā)冷卻機(jī)組尤其是直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組適用于數(shù)據(jù)中心室外空氣潔凈度好、常年溫度較低的場景，能夠做到極致的節(jié)能效果，需具體到當(dāng)?shù)厣踔潦菆@區(qū)的空氣質(zhì)量分析，且其運(yùn)維難度較復(fù)雜；新型氟泵系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成簡單，部署相對(duì)靈活，集成了蒸發(fā)冷卻、主動(dòng)熱管、風(fēng)冷等自然冷卻技術(shù)，適用于能效要求高的數(shù)據(jù)中心；液冷技術(shù)不僅能夠滿足數(shù)據(jù)中心高密度、低能耗的發(fā)展需求，還將驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的各種配置和部件進(jìn)行創(chuàng)新，其可支持約30kW 高功率密度，而傳統(tǒng)機(jī)柜僅支持10kW 左右，液冷技術(shù)對(duì)設(shè)備和冷卻液安全性要求極高，適用于能效要求高的數(shù)據(jù)中心。