详解数据中心冷却方式及其工作原理

数据中心有多种冷却方式，按照制冷方法可以分为机械制冷和自然冷却，其中机械制冷可以分为风冷直膨空调系统、风冷冷冻水系统、水冷冷冻水系统和集中冷却水系统等架构,自然冷却包括新风、空气板换、转轮换热、蒸发冷却和液体冷却等技术，如图1所示。

一  风冷直膨系统

这是最传统的冷却方法,空调由内机和外机通过氟管路连接而成,内机由压缩机、膨胀阀和蒸发器等组成,可以实现制冷和气流输送等功能,外机则用来散热,风冷空调架构非常简单,通常一个空调内机对应一个外机或者两个外机。如图2。

1风冷直膨系统原理

空调由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,制冷剂在压缩机的作用下在系统中循环流动,经历了液体——气体——液体的两相相变,完成一个制冷循环,如图3。制冷剂在蒸发器中吸收机房热量后沸腾汽化成蒸汽,与之相对应的压力称为蒸发压力,温度称为蒸发温度;压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽并将其压缩到冷凝压力,然后送往室外冷凝器,制冷剂在冷凝压力下冷凝成液体,并将放出的热量传给了室外空气。

2系统特点

风冷直膨系统结构简单,布置灵活方便,由于每台空调之间相互独立,无单点故障,可靠性高,只需要采用N+X方式进行设计和布置,就可以满足A级机房制冷的要求。

采用风冷直膨空调机组时,空调室内机和室外机布置水平距离和垂直距离应尽可能短,防止空调制冷量衰减;外机布置要利于散热,可根据室外现场安装要求,适当放大冷凝器散热量,改善散热并降低空调能耗,浙江地区BJIDC典型PUE值在1.71左右。

3氟泵节能

氟泵节能主要由贮液器、氟泵、管路阀门等组成,当室外环境温度高于室内环境温度时,压缩机系统正常运行,氟泵系统停止工作;当室外环境温度在5℃以下,远小于室内环境温度,达到系统控制的设定点时,压缩机停止工作,氟泵启动。蒸发器中与室内空气换热后的制冷剂,直接进入风冷冷凝器与室外冷源进行换热,冷却成液态后的制冷剂在氟泵的作用下克服管阻回到蒸发器继续换热,达到节能效果,如图4,正常工作模式有压缩机模式、氟泵模式和联合供冷模式,浙江地区采用氟泵技术后典型PUE值在1.43左右。

二  集中水冷冷冻水型空调

1水冷冷冻水系统原理

水冷冷冻水型系统主要由水冷主机、板换、冷冻水循环系统、末端设备、冷却水循环系统、冷却塔风机系统等组成,如图5。

水冷主机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送到蒸发器蒸发，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水送入蒸发器盘管中与冷媒进行热交换，常温水降温变成低温冷冻水，冷冻水被送到末端冷却盘管中吸收机房热量，从而达到降低机房温度的目的。

2水冷冷水机组特点

采用水冷却和离心机组,效率高、容量大,水冷却避免了风冷却夏季容易冷却不良的缺点,有利于系统运行安全,能效更优,适合数据中心热负荷大这种场景,如图6。

3自然冷却

水冷冷冻水系统采用水冷却，不受室外干球温度制约，在夏季时工作时，效率不受影响。冬季可以使用板换获得自然冷却，全年能效比高。水冷冷冻机组一般使用大功率离心机组，能效在6.0以上，明显高于风冷机房空调的压缩机能效。缺点是水冷冷冻机组构成复杂，所需设施众为,需要冷冻机房、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、集水器、分水器等设施。水系统复杂，需要专业人员维护和值守。另外冷却水系统需要消耗大量的冷却水资源。水系统运行中,会产生污垢,需要进行水处理。

4系统特点

优点:采用冷却塔散热,占地面积小且散热效果好;离心压缩能效高;冬季情况下使用板换可以实现免费供冷。缺点:系统构成复杂,投资大,有冷却和冷冻两个水系统,建设实施和运行维护复杂;水系统可靠性低,存在水浸机房可能;存在单点故障,需采用设备备份、环网或者双系统来解决可靠性问题。常见布置:冷机能效高,终期负荷配备板换自然冷却可以取得较好的能效,是目前大型数据机房中心普遍采用的方案。浙江地区某数据中心典型PUE值在1.43。

三   集中风冷冷冻水空调系统

冷冻水侧构成比较复杂,如水泵设计可以选用单级泵,也可以选用两级泵;水泵、冷机对应方式也有多种形式,可以多机对多泵设计,也可以是一机一泵形式;到末端管路可以单管路、双管路和环网结构,蓄冷方式可以考虑串联,也可以考虑并联,下列设计方式是目前数据中心典型的设置方式。

1风冷冷冻水原理

风冷冷冻水系统,采用风冷水机,风冷水机是利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换,冷媒系统吸收水中的热负荷,制取冷水,风冷水机采用风冷翅片式冷凝器换热,热量由散热风扇向外界的大气排放,如图7。相比水冷冷冻水系统,风冷冷冻水省掉了冷却水系统,结构紧凑,不需要专门的冷冻机房,运维简单方便。不足之处是风冷冷冻水系统容量较小,风冷却夏季容易高压,适合室外环境温度不是太高,机房热负荷适中的场景。

风冷水机的压缩机采用螺杆机或者磁悬浮离心机设计,系统结构紧凑,运维简单,但系统容量不如水冷水机;设计时风冷水机宜选择磁悬浮压缩机,也可以选择螺杆压缩机。

2自然冷却

风冷冷冻水系统可以采用自然冷却,当室外温度较低时,可以利用冷空气直接冷却冷冻水,从而不开或者减少压缩机制冷工作时间,这种方法即为自然冷却方法,有此功能的机组叫自然冷却机组,也可以外置配独立自然冷却模块。自然冷却模块工作方式如图8,冬季实现无压缩机运行制冷,节省压缩机的电耗。

3风冷冷冻水系统特点

风冷冷冻水系统所需的附属设施比较简单,一般为冷冻水泵、集水器、分水器和管网等,相比水冷冷冻水系统来说,更为简单,投资更省。

优点:风冷机组可以直接布置在室外,不需要占用专用的冷冻机房,并且无需安装冷却塔及泵房,维修简单,运行方便,无须专业人员维护;无冷却水系统,所以不存在冷却水系统的动力消耗和冷却水的蒸发损耗。

缺点:风冷冷冻水机组体型较大,占地面积大,同时室外机噪声较高,风冷却和外机集中布置,存在热岛效应,使得外界局部空间环境条件恶化;风冷冷冻水运行容易受室外环境制约,在遇到夏季高温时,效率大大降低,而且制冷量随室外温度升高而降低,这与数据中心总热负荷需求趋势正好相反。

另外,为了解决冬季情况下管路里水冻结问题,冷冻水系统可以加乙二醇溶液进行防冻,加了乙二醇溶液的系统,冬季可以较好地解决冻结的问题,东北某数据中心风冷冷冻水配合自然冷却模块,典型PUE值在1.48。

四  水冷氟系统（集中冷却水空调系统）

1集中冷却水系统原理

集中冷却水主要是为了解决风冷冷凝器无法布置和夏季高压的问题,系统原理如图9,机房空调由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,用管道连接成一封闭系统,制冷剂在系统中循环流动,经历了液体——气体——液体的两相相变,完成一个制冷循环。不同的是压缩机排出的高压高温气体是进入壳管式冷凝器和冷水交换热量完成冷凝效果，冷却塔出来的冷水在水泵作用下进入壳管冷凝器后变成热水，回到冷却塔，重新冷却降温。

2集中冷却水组成和架构

集中冷却水系统构成比较简单,主要由闭式冷却塔、水泵、壳管式冷凝器和定压系统组成,典型架构图如图10,为了系统安全,也需要考虑系统冗余和备份。

3集中冷却水系统特点

优点:集中冷却水系统只有冷却水系统,系统比较简单,建设投资较省;采用闭式冷却塔,解决了复杂的冷却水维护问题;使用壳管冷凝器,解决了水进机房的问题。

缺点:水系统的特点,确定了存在单点故障,需要通过系统备份解决;集中冷却水系统效率介于风冷空调和水冷冷冻水之间。场景:适合大中型数据中心集中冷却水系统,浙江地区典型PUE值在1.63,采用动态双冷源技术的YQ数据中心,PUE值在1.45左右。

五  双冷源空调

为了安全,部分数据中心有时还会选用双冷源空调,双冷源空调就是空调系统具备两种不同方式的制冷系统,由于系统存在两种不同方式的冷源,不存在单点故障,系统运行可靠性高。双冷源可以采用冷冻水/冷冻水、冷冻水/氟制冷等多种方式,图11为氟系统和冷冻水双冷源空调机,由于机组既可以采用直接蒸发制冷,也可以采用冷冻水供冷,系统可靠性高,无单点故障。

六  液体冷却技术

随着数据中心高密度设备的快速发展,服务器级的冷却开始出现并被使用,其中最典型的就是液冷技术。液冷技术,就是通过液体直接冷却设备,液体将设备发热元件产生热量直接带走;采用液冷,可以实现服务器等设备的自然散热,相对于传统的制冷系统,更为高效节能。

液冷常用的冷却液有水、矿物油和氟化液。其中水是一种优秀的散热媒介,价格低廉无污染,有良好的比热容,但由于水并非绝缘体,只能应用于非直接接触型液冷技术中。矿物油,是一种价格相对低廉的绝缘冷却液,单相矿物油无味无毒不易挥发,是一种环境友好型介质,但是矿物油粘性较高比较容易残留,特定条件下有燃烧的风险。氟化液,由于具有绝缘且不燃的惰性特点,不会对设备造成任何影响,是目前应用中最理想最广泛的浸没式冷却液,但价格较为昂贵。

按照液体与发热器件的接触方式,大致分为冷板式(间接接触)、喷淋式和全浸没式(直接接触)。

1冷板式

就是将液冷冷板固定在服务器的主要发热器件上,依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热的目的;冷板液冷解决了服务器里发热量大的器件的散热,其他发热量小的器件还得依靠风冷,所以采用冷板式液冷的服务器也称为气液双通道服务器;冷板的液体不接触被冷却器件,中间采用导热板传热,安全性高,如图12;不利的是采用冷板液冷后,机房还继续需要安装房间级空调保证机房温度。

2喷淋式液冷

就是在机箱顶部储液和开孔,根据发热体位置和发热量大小不同,让冷却液对发热体进行喷淋,达到设备冷却的目的,如图13;喷淋的液体和被冷器件直接接触,冷却效率高;不利的是液体在喷淋过程中遇到高温物体,会有少量飘逸和蒸发现象,雾滴和气体沿机箱孔洞缝隙散发到机箱外面,造成机房环境清洁度下降或对其他设备造成影响。

3浸没式液冷

将发热元件直接浸没在冷却液中,依靠液体的流动循环带走服务器等设备运行产生的热量。浸没式液冷由于发热元件与冷却液直接接触,散热效率更高,相对于冷板式液冷,噪音更低,可以解决更高热密度,是典型的直接接触型液冷。浸没式分为两相液冷和单相液冷,常用的为单相液冷,散热方式可以采用干冷器和冷却塔等形式;两相液冷,冷却液在循环散热过程中发生了相变。两相液冷传热效率更高,但是控制相对复杂,相变过程中压力会发生变化,对容器要求很高,使用过程中冷却液易受污染,实际应用较少。

单相液冷,冷却液在循环散热过程中始终维持液态,不发生相变,故单相液冷要求冷却液的沸点较高,这样冷却液挥发流失控制相对简单,与IT设备的元器件兼容性比较好,根据应用场景规范,可以采用氟化液配合干冷器(图14)或者配合冷却塔+板换散热(图15)。

七 常见节能技术

数据中心一年四季都需要制冷,冬季及过渡季节室外温度低于室内温度时,自然界存在着丰富的冷源。合理开发利用自然冷源是降低数据中心能耗,降低机房PUE关键性措施。在数据中心选址、确定技术方案时应当因地制宜地利用开发自然冷源。根据自然冷源的载体自然冷源技术方案大致分为冷风自然冷却,蒸发冷却和冷水自然冷却。根据热量传递路径又分为直接自然冷却和间接自然冷却两种方式。

1新风系统

直接利用室外冷空气冷量,通过风机将室外冷空气过滤后直接引入到机房里,避免开启压缩机,节省能耗,如图16,这种冷却效率最高,适合在空气质量较好的情况下使用。

    应用直接新风系统时,需要重点评估所在地区的全年空气质量,因为室外空气中包含有灰尘、二氧化硫、硫化氢、臭氧等有害成分,采用直接新风时存在污染机房、腐蚀机柜的风险,应用中需要考虑一定物理过滤、化学过滤、湿度控制等空气处理手段,以满足机房环境要求。

2板换系统

通过板换隔绝室外空气进行换热,让冷却后的空气送入机房,如图17。由于室外空气无法直接进入机房,空气板换适合在空气污染的环境下使用,冷却效率要低于新风系统,适合在有空气污染,不适合安装新风系统的环境;当室外气温较高时,需要机械制冷。

3转轮系统

这是一种全热交换技术,早期在日本东京都使用,所以也叫京都转轮,原理如图18所示。它不仅可以交换热量,还可以交换湿度,作用和板换换热相似,通过转轮的旋转,让室外空气和室内空气在转轮处进行热湿交换。这种方式冷却效率较高,适合在有空气污染、不适合安装新风系统的环境，由于使用中有轻度的交叉污染，转轮全热交换和板换相比并没有明显优势。

4蒸发冷却系统

在气候干燥的地区,可以采用蒸发冷却技术,进一步延长自然冷却运行的时间,从而实现最大限度的降低数据中心空调系统的能源消耗,按照水和空气是否直接接触,蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种方式。

直接蒸发节能技术

直接蒸发冷却是使空气和水直接接触,通过水的蒸发后,空气的温度会下降,其特点是对空气实现等焓加湿降温过程,送风降温的极限温度为进风的湿球温度,如图19。

使用加湿后冷却的空气可以对机房进行降温。实际使用中,可以和新风系统配合使用,当室外温度较低时,直接利用新风降温;当室外温度升高时,开启加湿系统,水蒸发后空气温度降低后,再进入机房冷却,这样可以延长自然冷却的时间和效率,适合在空气质量较好的情况下使用,如图20;要注意的是蒸发过程会影响机房湿度。

间接蒸发节能技术

间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器,将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给机房循环空气,实现空气等湿降温的过程,如图21,在这个过程中,二次空气经处理后其干球温度和湿球温度都下降了,而含湿量不变,对送风气流实现减焓等湿降温过程,送风降温的极限温度为进风的露球温度。

通过蒸发换热器隔绝室外空气,室外空气无法直接进入机房,适合在空气污染的环境下使用,冷却效率虽然低于直接蒸发技术,但是室外的污染物无法进入机房,另外蒸发过程不影响机房湿度,制冷原理如图22,间接蒸发的核心器件是蒸发模块,其气流组织包含两部分,分别为机房内气流和室外气流。

结束语

数据中心应该根据建设规模、地理位置、气象条件等特点,选择适合自己的制冷方式和自然冷却方式,充分降低数据中心的冷却成本,提升经济效益。