數據中心制冷技術探究

王香麗

關鍵詞：數據中心；PUE；間接蒸發制冷；浸沒式液冷；冷板式液冷

1引言

在數據中心內部，信息處理設備消耗的電能幾乎全部轉換為熱量，為了保證設備的正常工作環境，必須將這些熱量進行擴散，因此需要根據建設的規模、區域及政策導向選擇合適的制冷系統。

PUE值是國際上認可的數據中心能源使用效率的衡量指標。其中，PUE設備總能耗+制冷設備總能耗+供配電損耗

PUE是一個比值，越趨向于1，IT設備的電量占比數據中心總電量越多，說明數據中心電能利用率越高。

對于采用風冷直膨式空調系統的數據中心而言，其全年PUE值大于2：對于采用冷水機組制冷的數據中心而言，其全年PUE值在1.6左右；對于采用帶自然冷的冷水機組制冷的數據中心而言，其全年PUE值在1.3～1.45左右。

《數據中心能效限定值及能效等級》GB40879-2021相關指標如表1所列。

數據中心能效限定值為能效等級3級。

《數據中心能源效率限額》D811/T1139-2019相關限定值如表2所列。

已穩定運行一個自然年以上的數據中心，其PUE值應符合限定值要求；新立項或改擴建的數據中心，其PUE值應符合準人值的要求。

2022年，國家多個部門聯合印發通知，同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地啟動建設國家算力樞紐節點，并規劃了10個國家數據中心集群，同時對該集群的PUE值作了規定。詳見表3。

2020年以前，數據中心主要采用的制冷形式為帶自然冷的冷水機組制冷，但其PUE值不滿足新的政策要求。為了響應國家號召，需采用更節能的制冷形式，目前國內新的制冷形式主要有：間接式蒸發機組制冷、液冷。

2間接式蒸發機組制冷

間接蒸發制冷是利用室外自然冷源，將室外低溫空氣和室內高溫空氣在設備內進行熱量交換，從而帶走室內熱量，并把冷量送到數據機房內。

間接蒸發制冷系統是室外進風和室內回風在“空氣一空氣”換熱器內進行熱量交換，室內外空氣無直接接觸，保證了室內空氣的潔凈度。間接蒸發制冷系統主要有三種運行模式，即干工況自然冷、濕工況自然冷、混合工況。

2.1間接式蒸發制冷系統架構

干工況自然冷即新風間接冷卻，當室外干球溫度不大于某一溫度Tg時，室內外空氣在換熱器進行熱量交換，把數據機房室內的服務器等產生的全部熱量通過室內空氣傳遞給室外空氣，輸送至室外大氣。詳見圖1。

濕工況自然冷即間接蒸發冷卻，當室外干球溫度大于某一溫度Tg時，對室外空氣進行噴淋冷卻，降低室外空氣干球溫度，且噴淋冷卻后的室外空氣干球溫度不大于Tg。室內外空氣在換熱器進行熱量交換，把數據機房室內的服務器等產生的全部熱量通過室內空氣傳遞給室外空氣．輸送至室外大氣。詳見圖2。

混合工況是在機械制冷的前提下，最大限度地使用混合工況自然冷卻。當室外干球溫度大于某一溫度Tg時，對室外空氣進行噴淋冷卻，降低室外空氣干球溫度，且噴淋冷卻后的室外空氣干球溫度大于Tg時，開啟混合工況模式。混合工況工作原理是先通過噴淋降低室外空氣溫度，室內外空氣在“空氣一空氣”換熱器內進行熱量交換，然后再經過壓縮機制冷將室內空氣溫度降低到需求溫度，進而把數據機房室內的服務器等產生的全部熱量輸送至室外大氣。詳見圖3。

間接蒸發冷技術保證了室內空氣不受室外環境的影響，噴淋加濕空氣也不會影響室內濕度。與冷水機組制冷相比，其具有耗水量少、節能、便于分區建設、維護方便等優點。

2.2間接式蒸發制冷案例

項目名稱：寧夏某數據中心

項目描述：主機房內有560個機柜，單機柜平均功率8 kW。電池間和變配電室均采用分體直膨式房間級空調。

本項目共建設20臺間接蒸發冷設備，單臺設備制冷量為280 kW，運行模式為18+2。經計算，項目PUE值為1.19。

3液冷

隨著大數據、人工智能的發展，數據中心規模也不斷擴大，單機架功率不斷提升。與此同時，數據中心單機架功率的提升使數據中心熱量積聚問題愈發顯著，傳統風冷制冷方式散熱能力不足的缺陷逐漸暴露出來，成為影響單機架功率密度提升的主要因素[1]。

當前，我國處于數據中心發展的關鍵時期，數據中心算力的需求不斷增長，單機柜功率也不斷升高，并且綠色數據中心的建設和發展受到社會格外關注。此時，要求數據中心制冷方式必須迎接挑戰，新型的制冷技術應運而生——液冷。液冷技術的興起，全面改變了數據中心基礎設施建設[2]。

3.1液冷系統架構

基于不同的液冷技術原理，液冷數據中心發展出不同的解決方案，主要有浸沒式液冷、冷板式液冷。

3.1.1浸沒式液冷系統架構

浸沒式液冷系統工作原理：高密度服務器布置在浸沒腔體中，腔體中充滿冷卻液，高密度服務器產生的熱量傳遞給冷卻液，冷卻液在冷卻子系統中與外部冷卻水換熱，把熱量傳遞給冷卻水，冷卻水經室外冷源設備把熱量釋放到空氣中。詳見圖4。

冷卻液的導熱系數高于空氣，且整個系統主要耗能設備有室外冷源設備的風機、冷卻液循環的動力設備，無壓縮機，所以整個系統的能效得到了很大的提高。

2017年，阿里巴巴公司建造了浸沒式液冷數據中心，能效方面很突出[3]。2018年10月，中科曙光聯合上海超級計算中心、國家超級計算深圳中心的E級超級計算機，采用了浸沒式液冷技術，系統峰值功耗高達249kW，PUE值僅為1.04，實現了整機系統的高效節能[4]。

由于浸沒式液冷系統內服務器是浸沒在冷卻液內的，對冷卻液的品質要求非常高。當前，常用的冷卻液是3M公司的氟化液，造價非常高，使得這一技術發展受限。

3.1.2冷板式液冷系統架構

如圖5所示，冷卻機柜產生的熱量由專業冷卻液吸收，吸收熱量專業冷卻液在CDU內和一次側冷卻水進行換熱、釋放熱量與降低溫度，再繼續在冷卻機柜內吸收熱量。吸收了熱量的一次側冷卻水流經冷卻塔，把熱量釋放至空氣中。

在冷卻機組內冷卻液和服務器無直接接觸，僅進行熱量交換。現在常用的冷卻液為純水，易獲得，且造價低。

冷板式液冷不僅能實現高密度機柜的散熱，并且整個系統主要用電設備為冷卻塔風機和循環水泵，無壓縮機，提高系統能效。

由于冷板式液冷本身的局限性，其不能將高密度機柜的熱量全部驅散。剩余的熱量需要采用其他輔助方式進行驅散，如間接蒸發機組制冷或者冷水機組制冷等。

3.2液冷案例

項目名稱：北京某數據中心

項目信息：主機房內有62個機柜，其中40個機柜采用冷板式液冷系統，單機柜平均功率54.5kW，單機柜95%的熱量由液冷負擔，剩余部分由冷凍水房間級空調負擔：另外22個機柜采用分體直膨式氟泵列間空調，但機柜功率為8.2kW。電池間和UPS間均采用分體直膨式氟泵房間級空調。變壓器第一期已建設完成，本期不考慮。

一次側采用閉式冷卻塔，進出水溫度為35/49℃，2用1備。CDU二次側進出水溫度為45/55℃，共配置18臺CDU，12用6備。經計算，項目全年PUE值為1.18。

4結束語

通過分析，間接蒸發制冷技術符合節能、低碳、綠色的發展趨勢，使用間接蒸發冷技術可使數據中心PUE值趨向于1。隨著大數據、人工智能等技術的快速發展，單機柜的算力不斷提升，液冷技術應運而生。未來，數據中心建設采用何種制冷形式，需根據其規模及其用途而定。但其宗旨是要建設綠色、節能的數據中心。