數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多種因素來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過(guò)合理的制冷方式選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)保養(yǎng)等方面的措施，保證數(shù)據(jù)中心的冷源穩(wěn)定供給和設(shè)備環(huán)境高效管理。

引言

繼“碳達(dá)峰、碳中和”之后，工信部、發(fā)改委、財(cái)政部等七個(gè)部門發(fā)布《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2025年）》，提出聚焦數(shù)據(jù)中心采用高效化、綠色化、低碳化技術(shù)，加快數(shù)據(jù)中心PUE降低。同時(shí)，伴隨著金融科技的快速發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，數(shù)據(jù)中心作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，能耗逐步攀升。因此，應(yīng)用數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)促進(jìn)提升能效比，成為金融數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的途徑之一。根據(jù)PUE公式（1）可知降低PUE需考慮制冷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、其他部分耗能三部分，供電系統(tǒng)主要損耗是設(shè)備、線纜自身的電能損耗，由于受限設(shè)備選型、系統(tǒng)架構(gòu)、空間布局影響等原因可壓縮空間十分有限。其他耗能部分由于占比及技術(shù)不斷優(yōu)化可壓縮空間也同樣有限。因此數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作優(yōu)先從制冷系統(tǒng)考慮，其中傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)能耗能夠占到三者耗能總和一半以上，因此降低制冷系統(tǒng)能耗是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率最直接和有效的措施。

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圖片

降低制冷系統(tǒng)能耗可以采用更加節(jié)能的制冷系統(tǒng)架構(gòu)或增加相應(yīng)輔助制冷系統(tǒng)降低制冷能耗。例如采用自然冷卻技術(shù)充分利用室外低溫環(huán)境提供冷源，也可采用輔助噴淋設(shè)備增加蒸發(fā)制冷方式，或采用液冷技術(shù)利用液體直接將熱量帶走等高效制冷方式。以G行生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心所在地北京為例，依照《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》統(tǒng)計(jì)1971年~2003年的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，北京全年干球溫度統(tǒng)計(jì)如圖1所示，其中北京全年在0℃以下時(shí)長(zhǎng)為1580小時(shí)，具備在春秋過(guò)渡季節(jié)和冬季利用室外低溫進(jìn)行自然冷卻。

圖1 北京干球溫度統(tǒng)計(jì)圖

制冷原理

制冷的基本原理是利用制冷劑在不同壓力下物理性質(zhì)的變化，通過(guò)制冷循環(huán)將室內(nèi)熱量吸收到制冷劑中，然后將制冷劑的熱量排放到室外，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。制冷循環(huán)包括四個(gè)步驟：壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)。制冷劑在低壓狀態(tài)下從蒸發(fā)器吸收室內(nèi)熱量，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮成高壓高溫氣體，然后在冷凝器中與室外空氣進(jìn)行熱量交換，逐漸冷凝成高壓液態(tài)制冷劑。高壓液態(tài)制冷劑通過(guò)節(jié)流閥或膨脹閥減壓，變成低壓液態(tài)制冷劑，然后在蒸發(fā)器中與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換，吸收室內(nèi)熱量并蒸發(fā)成低壓制冷劑氣體。最后，低壓制冷劑氣體再次經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)入冷凝器，在室外與空氣進(jìn)行熱量交換，放出熱量并冷凝成液態(tài)制冷劑，進(jìn)入蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)。這樣，制冷劑不斷地循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)制冷的過(guò)程,其原理如圖2所示。需要注意的是，不同類型的制冷系統(tǒng)可能采用不同的制冷劑和制冷循環(huán)方式，但基本的制冷原理都是相同的。

圖2 制冷循環(huán)原理圖

在數(shù)據(jù)中心中，空調(diào)末端系統(tǒng)和制冷冷源系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)管路和換熱器進(jìn)行連接，構(gòu)成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)。空調(diào)末端系統(tǒng)則是將制冷系統(tǒng)提供的冷源輸送到機(jī)房模塊中，通過(guò)空氣循環(huán)與IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量進(jìn)行能量交換，將機(jī)房?jī)?nèi)的熱量帶出去，從而保持機(jī)房?jī)?nèi)的溫度和濕度在適宜的范圍內(nèi)，完成整個(gè)冷卻循環(huán)。如圖3所示。

圖3 機(jī)房模塊制冷原理圖

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)形式

數(shù)據(jù)中心制冷形式多種多樣，按照不同維度進(jìn)行歸類劃分?jǐn)?shù)據(jù)中心通常采用的制冷系統(tǒng)形式分別為：氟制冷系統(tǒng)、水制冷系統(tǒng)、風(fēng)制冷系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)劃分

氟制冷系統(tǒng)本文主要介紹兩種：風(fēng)冷氟泵系統(tǒng)和冰川相變系統(tǒng)。風(fēng)冷氟泵系統(tǒng)具有成熟穩(wěn)定的技術(shù)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域有較廣應(yīng)用場(chǎng)景。冰川相變系統(tǒng)根據(jù)技術(shù)迭代結(jié)合氟泵系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)并降低設(shè)備阻力損耗進(jìn)一步提高設(shè)備的能源利用效率。

風(fēng)冷氟泵系統(tǒng)：由壓縮機(jī)、冷凝器、循環(huán)泵、膨脹閥等部件組成。具備壓縮制冷和氟泵循環(huán)制冷兩種模式。當(dāng)室外環(huán)境溫度低于系統(tǒng)控制的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，風(fēng)冷型空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)會(huì)停止工作，取而代之的是氟泵。此時(shí)，蒸發(fā)器與室內(nèi)空氣換熱后的制冷劑會(huì)直接進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器與室外冷源進(jìn)行換熱，將其冷卻成液態(tài)。在氟泵的作用下，液態(tài)制冷劑克服管阻回到蒸發(fā)器繼續(xù)換熱，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。總之，當(dāng)室外環(huán)境溫度低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，風(fēng)冷型空調(diào)系統(tǒng)會(huì)利用氟泵代替壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，從而達(dá)到更好的節(jié)能效果，如圖5所示：

圖5 風(fēng)冷氟泵示意圖

冰川相變系統(tǒng)：近些年隨著技術(shù)的不斷更新迭代，技術(shù)發(fā)展。在氟泵空調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用蒸發(fā)冷凝、磁懸浮壓縮機(jī)、自然冷卻、動(dòng)力熱管等技術(shù)。冰川相變系統(tǒng)具備風(fēng)能夠在缺水地區(qū)廣泛使用，系統(tǒng)能效比高，實(shí)現(xiàn)自由冷卻時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 冰川相變示意圖

水制冷系統(tǒng)技術(shù)成熟在中大型數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用廣泛，其中能相較于傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)具有更高的能源效率、設(shè)備及系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。本文主要介紹為風(fēng)冷冷水系統(tǒng)、水冷冷水系統(tǒng)兩種系統(tǒng)。

風(fēng)冷冷水系統(tǒng)：采用空氣冷卻方式通過(guò)風(fēng)扇冷卻冷凝器中的冷媒，直接將熱量驅(qū)逐空氣當(dāng)中冷卻。與水冷冷水系統(tǒng)相比不需要配備冷卻塔、冷卻水泵以及管道等部件，能夠在缺水環(huán)境下保證設(shè)備制冷正常運(yùn)行。風(fēng)冷冷水系統(tǒng)同時(shí)具備簡(jiǎn)單可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此在中大型數(shù)據(jù)中心廣泛應(yīng)用，如圖7所示。

圖7 風(fēng)冷冷水示意圖

水冷冷水系統(tǒng)：以G行生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心為例，系統(tǒng)采用大型冷凍水冷機(jī)設(shè)備配備板換、冷卻塔及水泵管路等部件，采用水泵循環(huán)動(dòng)力克服管內(nèi)阻力，同時(shí)配備水池及蓄冷罐以確保數(shù)據(jù)中心補(bǔ)水及蓄冷。機(jī)房熱量通過(guò)精密空調(diào)換熱經(jīng)冷凍水傳遞到板換/冷機(jī)，冷卻水將熱量帶到冷卻塔傳到室外。水冷冷水機(jī)組的自然冷卻一般是在冷卻水和冷凍水回路之間增加板式換熱器，在室外溫度較低時(shí)關(guān)閉冷水機(jī)組，直接用低溫冷卻水作為冷源通過(guò)換熱器來(lái)冷卻冷水回路。如圖8所示。

圖8 水冷冷水示意圖

風(fēng)制冷系統(tǒng)本文主要介紹間接蒸發(fā)冷系統(tǒng)，目前金融行業(yè)逐步采用嘗試使用間接蒸發(fā)冷系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)中心整體能耗指標(biāo)監(jiān)管。利用空氣-空氣換熱器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣與室外空氣的換熱，同時(shí)可以通過(guò)噴淋蒸發(fā)降低室外濕球溫度。當(dāng)空氣換熱無(wú)法滿足制冷量需求時(shí)，設(shè)備開(kāi)啟機(jī)械制冷。相比較傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)減少了換熱環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高換熱效率。間接蒸發(fā)冷具有室內(nèi)無(wú)末端設(shè)備，能夠廣泛應(yīng)用于自然條件優(yōu)越地區(qū)等特點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 間接蒸發(fā)冷示意圖

通過(guò)對(duì)制冷系統(tǒng)從用電量、耗水量、技術(shù)成熟度及運(yùn)維難度綜合對(duì)比分析適配數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計(jì)不經(jīng)相同。需要考慮項(xiàng)目所在地周邊環(huán)境、水資源、電力資源以及建設(shè)方對(duì)技術(shù)是否在業(yè)內(nèi)采用普及度。

表1制冷系統(tǒng)綜合對(duì)比分析

總結(jié)

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多種因素來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過(guò)合理的制冷方式選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)保養(yǎng)等方面的措施，保證數(shù)據(jù)中心的冷源穩(wěn)定供給和設(shè)備環(huán)境高效管理。

隨著算力需求增長(zhǎng)，單機(jī)柜功率與能耗相繼攀升，傳統(tǒng)風(fēng)冷已逐漸無(wú)法滿足超算中心的算力增長(zhǎng)帶來(lái)的高效散熱需求，液冷技術(shù)優(yōu)勢(shì)日益明顯，詳細(xì)液冷內(nèi)容介紹，請(qǐng)關(guān)注后續(xù)更新。

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