數據中心制冷技術的發展與應用

過偉光

（山西信息規劃設計院有限公司，山西 太原 030012）

貴州是看似偏遠但實際不遠的地方，地處于群山峻嶺。但是在這個地區，卻有眾多的資源，比如在數據時代的背景下，貴州成為為數不多的主流數據中心，因為這些頂層設計消耗著整個地區的大量能源。耗能一直都是數據中心運營中的繞不開的痛點問題。因此選擇貴州作為大多數主流數據中心的“棲息地”，這主要由于貴州特殊的地理位置和特殊氣候特點而形成的。

在社會新時代的進程里，通信數據的核心技術也越來越推向全社會，隨著各行業的結構升級，大大增加了數據處理的應用技術，這樣不僅加快了行業運營的效率還提高了收集信息以及篩選信息的速度，在數據中心工程建設中，作為一個完整的系統化工程，對數據的處理提出了更高質量的要求。由此以來，推出的綠色數據中心建設的主要特征是節能環保，尤其是在更大的范圍內比較傾向于數據產品的可靠性和合理性。

數據中心機房的能耗分為：建筑自身能耗、IT設備運行能耗、為設備安全運行保駕護航的空調制冷系統能耗。其中空調制冷系統能耗占比最高，因此不僅要做到制冷技術先進、安全適用，數據中心機房建設的選址也是一大重要因素。地理位置的選?。庀髤担┎粌H決定制冷空調的計算參數，還制約制冷技術的應用，這也就是國內一些主流數據選擇貴州作為“棲息地”的主要原因。

1 數據中心節能技術的特點

數據中心對環境（溫、濕度）要求：為確保數據中心里IT設備的優良運作，數據中心內整年需保持恒溫恒濕，主機房機柜進風區域溫度要求在19~25℃之間，濕度控制在不宜大于65%的程度范圍內。數據中心中的節能技術是一個系統工程，也是一項長期性的工作，需要綜合性的全面考慮。在空調制冷系統的應用中，通過調節數據的比例來控制PUE值。空調制冷系統所消耗的能耗約占數據中心總能耗的35%左右。

2 數據中心制冷（冷卻）技術趨勢

2.1 末端冷卻設備貼近服務器

末端冷卻設備貼近服務器的技術應用非常廣泛，大多數數據中心機房采用的送風方式為防靜電地板下送風、機柜上部回風的冷卻方式。隨著設備的更新迭代，市場相應的催生了行級空調、背板冷卻技術。這種新型的空調末端更貼近熱源，能解決局部熱點、高發熱密度的問題，通過近距離的冷量傳輸，減小風機功耗，達到節能。在空調工作的情況下，工作原理都是先冷卻空氣再進行熱交換達到降溫的目的。采用的技術是冷空氣與服務器的CPU進行配合處理，來解決設備散熱問題。對于超高功率密度的設備就需要依靠液冷技術來進行冷卻處理，并且在一定程度上減少噪聲的影響。

2.2 冷卻系統節能

隨著數據中心的設備高密度增多，能耗增大，相應的運行成本的增加，空調冷卻系統的節能研究顯得尤為重要。越來越多的數據中心逐步嘗試使用自然冷卻。自然冷源的利用主要體現在以下幾種方面：

（1）室外新風直接冷卻。室外新風經多重過濾處理后，進行焓濕出來，然后通過輸送送入機房，新風與室內空調混合后排放至室外。減少冷凍機組工作時間，采用室外新風直接或處理后達到機房溫濕度要求，可大大節約能源。這種方式對室外空氣質量的要求高，在我國很多地方由于空氣質量不滿足要求，而較少使用該項技術。

（2）間接蒸發制冷。間接蒸發制冷系統是指通過換熱器進行的一系列作業，換熱器采用直接接觸式，這樣的好處是可以將冷空氣直接蒸發冷卻，最后實現空氣等濕降溫處理。間接蒸發冷卻技術可以從外界環境中直接獲取冷空氣能量，減少人工制冷的能量損耗，這樣做的好處是節約能源、節約成本。水的蒸發吸熱也可以達到制冷的目的，運用這種技術可以解決干燥地區和中等濕度地區的制冷問題。它的工作原理為：室外的熱空氣通過間接蒸發冷卻器進行冷卻效應，再進行熱處理以至于達到機房要求即可。這樣可以取代或減少人工制冷節約大量的能源。

（3）采用帶自然冷卻的風冷式水冷系統。目前比較常見的是自然冷卻方法，又稱為風冷式水冷系統。它的工作原理是利用自動化處理技術，結合數據分析處理機制用來識別冷凝器的進風溫度低于回水溫度2℃時，產生自動進入部分的自然冷卻模式。回水利用室外低溫空氣進行冷卻，這是預處理階段；然后根據蒸發器再減輕壓縮機的工作負荷，這樣的工作流程下來省下了人工能耗和成本時間，節能效果明顯，比較適用于室外環境較低，冬季越長的地區。

（4）利用深層湖水、江水冷卻。

3 數據中心建設中空調制冷技術的運用

3.1 根據數據中心建設規模、結合地理位置，合理選用空調制冷系統

對于建筑規模大于等于10000m2的數據中心，應優先采用水冷式冷凍水空調系統（嚴重缺水地區除外），整體規劃數據中心冷源系統?？照{系統配置應根據機房等級（按照《數據中心設計規范》分為A、B、C三級；按照國外標準分為T1~T4四級）劃分，根據等級劃分應分別對應滿足數據中心的合理性、穩定性、安全性、高效環保要求。

3.2 空調制冷設備選擇

包含空調制冷主機、水泵、冷卻塔、機房專用空調（末端）等的系統設備選擇。

采用EER（能效比）和IPLV（綜合部分負荷性能系數）高，顯熱比大（不小于90%）的機房專用空調，滿足機房專用空調大風量、小焓差送風的工藝要求特點設備。

3.3 氣流組織

數據中心機房的氣流組織應按照以下原則進行：

（1）保證送風順暢，避免送風受阻不能送達送風區域。

（2）保證送風效果，避免送回風在為達到送風區域前摻混，減低送風效率。

（3）送回風口設計應合理，避免氣流短路。

數據中心應按照“冷熱通道隔離”的原則布置IT機柜，避免級聯加熱現象；還應考慮“先冷設備，后冷環境”的制冷原理，可采用封閉冷、熱通道的方式送風。

3.4 自然冷源利用

充分利用室外自然界的免費冷源，是實現數據中心機房節能、降低PUE值的必經之路。室外冷源的利用主要表現為：

（1）直接或間接引入室外低焓新風。

（2）與空調制冷設備的有效配合。

4 數據中心中節能技術的應用——以某案例為例

4.1 數據中心建筑要求

建筑外立面除在大樓入口及樓梯間外，根據工藝要求數據中心機房內基本不開設外窗。在開啟外窗處，外墻材料采用加氣混凝土砌塊，節能環保材料也可以在外墻外裝飾上大范圍使用，增大熱阻，減少傳熱系數。為達到保溫、節能效果，建筑采用外墻保溫系統。數據中心作為工藝性建筑，在不影響采光的條件下，盡量縮小窗口和所在墻面的比例，為減少通過外窗的熱輻射降低空調冷負荷。

4.2 空調制冷機組

根據通信行業內的相關指導意見、集團公司建設要求：規模較大切發展速度快的數據中心宜采用水冷式中央空調系統。相比較風冷機組，冷水機組隨著制冷量增大，COP（能效比）也顯著增大。例如：離心式冷水機組，單臺制冷量可達3000kW以上，COP可達5左右，風冷機組的COP基本在3左右。

4.3 然冷源的合理利用

自然冷卻（free-cooling），也稱之為免費冷源，采用的是冷卻塔冬季制冷，直接利用自然界低溫環境，室外低溫（秋冬季）季節可大大減少人工制冷的開機時間，甚至當室外達到一定條件時，完全關閉人工制冷系統的一種供冷方式。這種原理適用于全年制冷場所，有便于控制、維修、切換的優點，功能劃分也比較清晰。還適用與不同的季節和不同地區冷卻塔與制冷主機配備冷卻塔一并使用，用來冷卻水的溫度，提高主機的COP值。

4.4 提高冷凍水供水、回水溫度

一般情況下冷凍水的供回水溫度為7~12℃之間，根據數據中心機房的實際使用反饋情況來看要適當提高冷凍水供回水溫度，采取一定的措施處理可有效提高冷凍機組運行效率。

4.5 數據機房內末端機房專用空調配置

數據中心機房末端空調采用的是單水冷機房專用空調，采用高效節能EC風機以及溫濕度獨立控制系統。

4.6 空調送風氣流組織

（1）地板下部送風，經機柜排出后經末端上部回風。根據數據中心“先冷設備，后冷環境”的特點，本工程采用密閉冷通道，防靜電地板下送風直接送至密閉冷通道內，保證冷量充分利用，全部先進去IT設備服務器。

（2）數據中心內服務器（IT機柜）合理布置。機柜散熱情況的發生還會出現附加的情況發生，比如氣流短路問題，可以采用改變機柜布置排列方式，改善操作面以及散熱面的工作排布可有效減少氣流短路問題。

（3）將密閉通道作為送風“冷池”，隔絕冷熱通道。

5 結語

隨著IT設備的高集成度，單機柜的功耗增加，制冷技術也跟著飛速發展。為滿足IT設備散熱需求，液冷技術正在逐漸興起，不久的將來越來越多的場合將采用液冷技術為數據中心保駕護航。液冷作為一種高效的冷卻處理技術，在大數據時代的發展進程中，會成為大范圍使用的技術。