數據中心機房制冷技術探析

張澤勇

（廣東南方通信建設有限公司，廣東 東莞 523930）

0 引言

計算能力已經成為衡量國家未來競爭力的標準，諸多領域的科技創新，都需要以計算能力作為基礎。而數據中心作為計算能力的基礎，數據中心行業的快速發展成為大勢所趨。大數據的飛速發展，云計算、設備散發的熱量也不斷升高，IT 設備的功率計算速度不斷加快，數據中心機房制冷的地位更加的重要。

數據中心內部要保持一個恒溫恒濕環境，才能確保內部的設備處于最佳的工作環境中，這樣不僅有利于設備達到最佳狀態，也可以延長設備的使用壽命。然而，要保持數據中心內部的恒溫恒濕的環境，需要數據中心付出很多。這和數據中心所處的位置關系密切，如四季溫差變化較大，外部溫度和數據中心內部總是有很大溫差，這就需要數據中心耗費更多的電能，來保持內部恒溫。此外，內部不同設備的散熱量大小不同，不同的制冷設備工作效率不同，不同的數據中心通風通道設計好差不同，這些都會影響到數據中心保持恒溫恒濕所需要付出的成本，如何才能以最小的成本給數據中心帶來恒溫恒濕環境尤為重要[1]。

1 數據中心制冷概述

隨著國家大數據戰略的政策帶動、傳統企業逐步推進數字化轉型的趨勢，遠程辦公、云計算等行業都獲得了長足發展，同時，這也帶動了數據中心IT 設備的性能不斷提升。在這個背景下，高能源消耗與高熱流密度已經成為數據中心行業最常被提及的兩個關鍵詞。未來數據中心制冷技術必須能在滿足性能的前提下，盡量提升散熱效率并降低能源消耗，數據中心才能真正實現綠色、經濟的運營。數據中心運行期間，其IT 設備的熱負荷是普通辦公室的100 倍，這就導致數據中心制冷系統的運行有著巨大的能源需求。由此可見，數據中心制冷系統的好壞，會直接影響數據中心能否安全運行以及其運行過程中的能耗。

2 數據中心制冷技術運用當中存有的狀況

2.1 節能技術運用缺少一定合理性

制冷體系設計中涉及了操作經驗豐富性和設計技術的規范性。節能技術運用進程當中，依舊存有大量狀況，就像是制冷體系的設計當中，節能環保技術運用理念已經多年了，但是大量設計工作人員對于節能技術認知依舊是有所欠缺的，不能夠科學、高效以及靈活地把節能技術和節能觀念融進制冷體系節能之中，最為關鍵的問題是盲目照抄，在節能技術運用的時候沒有充分與具體功能、條件以及現實狀況相結合，造成節能技術的運用不能將節能功能充分發揮出來。

2.2 節能技術難以獲得有效的推廣

低碳環保節能觀念于社會發展和經濟推進之下，大量節能新科技獲得創新發展和運用。就像是太陽能技術大規模應用能夠使得能源的消耗量有效降低。在制冷體系設計當中，假如想采取且融進新技術，應當添加新型裝置，但是新型裝置和新型的節能技術是比較新的，相對來說成本是比較高的，將會于一定程度上使公司運營的成本大幅上升，公司也將會減少采用和購置。大量相應行業的管理工作人員在運用和推廣節能技術的時候，往往忽略節能技術節能成效和環保效益，僅關注成本的支出，造成于制冷中的節能技術難以獲得充分運用[2]。

3 機房制冷技術

3.1 房間級制冷技術

房間級空調終端主要是機房專用空調末端。設置方式是在機房一側或兩側設置專用空調區域，并設置專用空調終端。房間級制冷系統平面如圖1 所示。空調系統末端有兩種送風方式：向下送風和向上送風。為了節約能源，主流廠家都在風機上安裝了內置控制器，這是一種后傾式電控換向電機，即EC 風機。

圖1 房間級制冷系統平面

房間級定頻精密空調系統價格低廉，適合于持續、可靠、為IT 設備提供冷卻要求的場景。但是，房間級定頻精密空調輸出能力一旦設計好，就會表現出系統靈活性較差，維護成本較高等缺點。因此，為了提高房間級空調方案的性能，設計采用比較流行的地板下送風，以及封閉冷通道方案。

3.2 行間級制冷技術

行間級空調末端依據位置不同可分為頂置空調末端和列間空調末端兩種。頂置空調末端的換熱盤管置于機架上方，熱空氣從機架流出，經過機架后部，由頂部空調盤管冷卻，冷卻的空氣然后返回機架進氣口。列間空調末端部設置在機架的立柱之間，空氣從機架前部排出，水平吹向機架，通過機架前門設備且對冷卻后，空氣通過機架后門返回空調后部。行間級制冷系統平面如圖2 所示[3]。

圖2 行間級制冷系統平面

針對房間級空調系統容易造成溫度死區，不利于IT 設備產生的熱量。各大廠家相繼開發了行間級空調系統，也有稱之為列間級空調系統。本項目計劃采用的是行間風冷解決方案，該方案可以將冷源前移至熱源較接近的位置，一方面，通過機械隔熱封閉通道作為熱傳遞的有效方式，可以大大降低空調運行負荷，提高空調機組的運行效率。另一方面，行間空調系統的全部效能都可以作用到IT 設備，X 數據中心環境控制更加精準，節能效果也十分明顯。但其缺點是造價較高，不易被用戶接受。

3.3 機柜級制冷技術

機柜級空調末端安裝在機架前門或背板上，形成前門空調端和后面板空調端。為保證空調末端送風的均勻性，制冷系統前門或背板上應安裝多臺直流風機，且每臺風機的風量較小。機柜級制冷系統平面如圖3 所示。

圖3 機柜級制冷系統平面

通過在機柜中集成UPS，動力控制系統，環境監控系統，防火系統，空調等系統，來降低X 數據中心的整體建造成本，提高單柜的綜合效率。它因具有集成度高，維護成本較低，環境要求低，空調控制精確，而能耗輸出可以隨設備負荷變化而變化等優點，被廣泛地應用到銀行、教育、政府、國防等各種類型的使用場景。但其缺點是由于單柜價格較高，使用難度較大，所以不易被使用者接受[4]。

3.4 數據中心制冷技術

3.4.1 風冷散熱技術

在5G 網絡正式實現商用的背景下，各行各業的應用將產生海量數據，意味著服務器內芯片產生的熱量將進一步升高，從而對芯片的散熱技術提出更高要求。當前應用于數據中心芯片散熱的技術依然以風冷散熱技術為主，風冷散熱技術的工作原理是：與CPU 緊密接觸的傳熱底座，通過導熱裝置，將CPU 產生的熱量傳導至散熱器翅片上，風扇使空氣流過翅片的速度增加，提高風冷散熱器的冷卻效果。風冷散熱具有技術成熟、成本低等優點，但芯片熱流密度超過50W/cm2時，傳統的風冷散熱技術已逐漸不能滿足芯片的散熱需求。

數據中心機柜內風冷散熱系統從周圍環境中吸入的低溫空氣與散熱器翅片換熱冷卻芯片，并將芯片產生的熱量轉移至機柜周圍的環境中。這部分熱量需轉移到數據中心之外，以防止數據中心機房內部溫度過高。數據中心機房級冷卻系統的作用就是高效、穩定的收集這部分熱量，并將其轉移到數據中心機房之外。數據中心機房級散熱如圖4 所示。

圖4 數據中心機房級散熱

由于數據中心機房內氣流受限于機房設計及IT 設備在機房內的布局等，數據中心中氣流的熱性能可以以溫度場，流量場，壓降等形式表示。且氣流分布則會影響數據中心機房內的溫度場。因此，機房級冷卻的研究方向主要集中于數據中心機房內的氣流管理，包括冷通道氣流控制、熱通道氣流控制、地板送風或天花板送風等[5]。

3.4.2 自然冷卻制冷技術

將數據中心產生的熱量通過液體循環帶到室外，直接利用室外低溫冷空氣作為冷源引入機房直接自然冷卻，對于間接自然冷卻應用，間接自然冷卻是以循環液體為介質，有兩種主要的解決方案。

風冷冷水系統，采用自然風冷。當環境溫度低于冷凍水回水溫度2℃時，應啟動自然冷卻。當自然制冷不足時，可采用壓縮制冷方式，以達到所需制冷量。自然冷卻機組完全運行，當環境溫度低于冷凍水供應溫度8℃時，只能獲得少量風扇功率。

當室外溫度較低時，間接自然冷卻水冷卻系統直接使用低溫冷卻水對冷凍水進行冷卻，就應用規模而言，從而減少壓縮機運行，實現節能。水冷式冷水機自然冷卻系統適用于大型、超大型數據機房。自然冷卻技術根據數據中心的氣候條件、規模、建筑結構、周邊環境、地理位置、實施成本等因素選擇自然冷卻模式[6]。

3.5 制冷當中的節能技術

3.5.1 自然通風節能技術

自然通風節能技術的運用為使得制冷體系能耗下降的重點影響原因，通常依托熱壓力技術和風壓把制冷來改為自動循環的通風體系，在節能方面具有極為明顯的成效，這類節能技術能夠使得制冷體系對于周邊環境產生的作用有效降低，并且能耗是比較低的。

3.5.2 地源熱泵節能技術

地源熱泵體系為一類較為成熟制冷節能設計技術，在制冷當中有著明顯的運用長處，能夠使得建筑內部的供暖情況獲得有效解決，在空調制冷與調節方面有著獨特優點，關鍵以串并聯借用冷卻塔或是熱輔助措施使和太陽能聯合運行獲得實現，進而實現對于建筑物室溫綠色調節和控制。

3.5.3 太陽能再生技術

當前制冷節能技術的發展運用逐漸趨向成熟，伴隨光伏發電以及各類新能源逐漸發展進步，太陽能是可再生清潔資源，其不受空間和時間制約，已經被廣泛運用在各個行業，成為制冷項目節能技術運用重點的研究內容。太陽能于制冷當中的運用，能夠使得環保節能的目標和理念獲得有效實現，不過因為太陽能特殊性，假如運用于制冷體系當中，還應當對其開展進一步轉換，為使得太陽能于制冷體系當中的運用和轉化獲得實現，能夠構建起相應的導熱循環體系，進而使得太陽能再生技術的運用獲得實現。太陽能供暖體系關鍵是由集熱器和循環體系進行把控，裝置則關鍵是由加熱裝置和換熱水箱構成的，其中換熱水箱關鍵涵蓋了太陽能換熱水箱以及配熱泵換熱水箱等方面；循環控制體系關鍵涵蓋生活熱水體系與溫度控制設備。太陽能節能技術關鍵是經過對太陽光的采集，而且把光能轉化成熱能之后再運輸到循環系統開展處理轉換，經過電子設備使得感應控制獲得實現，從而對于室內的溫度進行合理控制[7]。

3.5.4 制冷節能技術運用優化

節能、綠色、低碳、生態還有環保為將來建筑領域發展潮流與趨勢，強化采取制冷的節能技術控制能耗為暖通工程中必然發展趨向。對于現階段制冷的節能技術運用狀況，在今后發展中還應當開展持續完善和優化，與綠色景觀的設計觀念相結合、強化余熱循環體系的建設、引入新型節能技術和裝置均極為關鍵。綠色景觀設計觀念方面能夠經過綠色景觀的創建，應用綠色植物蒸騰作用使得空間的整體溫度下降，而且把觀念融進節能技術設計和應用當中，應用綠色景觀和節能技術融合，使得制冷節能成效獲得提升；強化余熱循環體系建設是能夠經過預熱循環體系對于排風體系的熱、冷空氣實施回收，使得節能環保和能耗合理下降獲得實現，具體能夠經過冷熱交換設備得到實現，對于制冷體系的現實能耗狀況選取恰當的節能技術，使得制冷體系維持最佳的運行狀態；實施制冷的節能進程當中，新型的節能技術和裝置的引進為核心要素，應當充分發揮變頻科技的長處，實現制冷的無功消耗有效把控，應用技術優勢使能耗降低[8]。

4 結語

綜上所述，新建數據中心應盡量利用氣候、地理、環境特點，選擇最新的制冷方案。因地制宜，在北方地區，氣溫較低，由于氣候干燥，自然空氣冷卻和空氣冷卻的組合可以使用在水資源稀缺的地區，而自然空氣冷卻和液體冷卻的組合可以嘗試在水資源豐富的地區使用。在南方地區，自然風冷效果不明顯，由于氣溫較高，風能和電能相對充足且水資源豐富，可采用液冷技術。如果有較好的水資源，也可以采用自然水冷卻來獲得較低的PUE 值。