數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷技術(shù)探析

張澤勇

（廣東南方通信建設(shè)有限公司，廣東 東莞 523930）

0 引言

計(jì)算能力已經(jīng)成為衡量國(guó)家未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)準(zhǔn)，諸多領(lǐng)域的科技創(chuàng)新，都需要以計(jì)算能力作為基礎(chǔ)。而數(shù)據(jù)中心作為計(jì)算能力的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)中心行業(yè)的快速發(fā)展成為大勢(shì)所趨。大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，云計(jì)算、設(shè)備散發(fā)的熱量也不斷升高，IT 設(shè)備的功率計(jì)算速度不斷加快，數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷的地位更加的重要。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部要保持一個(gè)恒溫恒濕環(huán)境，才能確保內(nèi)部的設(shè)備處于最佳的工作環(huán)境中，這樣不僅有利于設(shè)備達(dá)到最佳狀態(tài)，也可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。然而，要保持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)部的恒溫恒濕的環(huán)境，需要數(shù)據(jù)中心付出很多。這和數(shù)據(jù)中心所處的位置關(guān)系密切，如四季溫差變化較大，外部溫度和數(shù)據(jù)中心內(nèi)部總是有很大溫差，這就需要數(shù)據(jù)中心耗費(fèi)更多的電能，來(lái)保持內(nèi)部恒溫。此外，內(nèi)部不同設(shè)備的散熱量大小不同，不同的制冷設(shè)備工作效率不同，不同的數(shù)據(jù)中心通風(fēng)通道設(shè)計(jì)好差不同，這些都會(huì)影響到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心帶來(lái)恒溫恒濕環(huán)境尤為重要[1]。

1 數(shù)據(jù)中心制冷概述

隨著國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的政策帶動(dòng)、傳統(tǒng)企業(yè)逐步推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，遠(yuǎn)程辦公、云計(jì)算等行業(yè)都獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，同時(shí)，這也帶動(dòng)了數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備的性能不斷提升。在這個(gè)背景下，高能源消耗與高熱流密度已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心行業(yè)最常被提及的兩個(gè)關(guān)鍵詞。未來(lái)數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)必須能在滿(mǎn)足性能的前提下，盡量提升散熱效率并降低能源消耗，數(shù)據(jù)中心才能真正實(shí)現(xiàn)綠色、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)營(yíng)。數(shù)據(jù)中心運(yùn)行期間，其IT 設(shè)備的熱負(fù)荷是普通辦公室的100 倍，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運(yùn)行有著巨大的能源需求。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的好壞，會(huì)直接影響數(shù)據(jù)中心能否安全運(yùn)行以及其運(yùn)行過(guò)程中的能耗。

2 數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)運(yùn)用當(dāng)中存有的狀況

2.1 節(jié)能技術(shù)運(yùn)用缺少一定合理性

制冷體系設(shè)計(jì)中涉及了操作經(jīng)驗(yàn)豐富性和設(shè)計(jì)技術(shù)的規(guī)范性。節(jié)能技術(shù)運(yùn)用進(jìn)程當(dāng)中，依舊存有大量狀況，就像是制冷體系的設(shè)計(jì)當(dāng)中，節(jié)能環(huán)保技術(shù)運(yùn)用理念已經(jīng)多年了，但是大量設(shè)計(jì)工作人員對(duì)于節(jié)能技術(shù)認(rèn)知依舊是有所欠缺的，不能夠科學(xué)、高效以及靈活地把節(jié)能技術(shù)和節(jié)能觀念融進(jìn)制冷體系節(jié)能之中，最為關(guān)鍵的問(wèn)題是盲目照抄，在節(jié)能技術(shù)運(yùn)用的時(shí)候沒(méi)有充分與具體功能、條件以及現(xiàn)實(shí)狀況相結(jié)合，造成節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用不能將節(jié)能功能充分發(fā)揮出來(lái)。

2.2 節(jié)能技術(shù)難以獲得有效的推廣

低碳環(huán)保節(jié)能觀念于社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)推進(jìn)之下，大量節(jié)能新科技獲得創(chuàng)新發(fā)展和運(yùn)用。就像是太陽(yáng)能技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用能夠使得能源的消耗量有效降低。在制冷體系設(shè)計(jì)當(dāng)中，假如想采取且融進(jìn)新技術(shù)，應(yīng)當(dāng)添加新型裝置，但是新型裝置和新型的節(jié)能技術(shù)是比較新的，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本是比較高的，將會(huì)于一定程度上使公司運(yùn)營(yíng)的成本大幅上升，公司也將會(huì)減少采用和購(gòu)置。大量相應(yīng)行業(yè)的管理工作人員在運(yùn)用和推廣節(jié)能技術(shù)的時(shí)候，往往忽略節(jié)能技術(shù)節(jié)能成效和環(huán)保效益，僅關(guān)注成本的支出，造成于制冷中的節(jié)能技術(shù)難以獲得充分運(yùn)用[2]。

3 機(jī)房制冷技術(shù)

3.1 房間級(jí)制冷技術(shù)

房間級(jí)空調(diào)終端主要是機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)末端。設(shè)置方式是在機(jī)房一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置專(zhuān)用空調(diào)區(qū)域，并設(shè)置專(zhuān)用空調(diào)終端。房間級(jí)制冷系統(tǒng)平面如圖1 所示?？照{(diào)系統(tǒng)末端有兩種送風(fēng)方式：向下送風(fēng)和向上送風(fēng)。為了節(jié)約能源，主流廠家都在風(fēng)機(jī)上安裝了內(nèi)置控制器，這是一種后傾式電控?fù)Q向電機(jī)，即EC 風(fēng)機(jī)。

圖1 房間級(jí)制冷系統(tǒng)平面

房間級(jí)定頻精密空調(diào)系統(tǒng)價(jià)格低廉，適合于持續(xù)、可靠、為IT 設(shè)備提供冷卻要求的場(chǎng)景。但是，房間級(jí)定頻精密空調(diào)輸出能力一旦設(shè)計(jì)好，就會(huì)表現(xiàn)出系統(tǒng)靈活性較差，維護(hù)成本較高等缺點(diǎn)。因此，為了提高房間級(jí)空調(diào)方案的性能，設(shè)計(jì)采用比較流行的地板下送風(fēng)，以及封閉冷通道方案。

3.2 行間級(jí)制冷技術(shù)

行間級(jí)空調(diào)末端依據(jù)位置不同可分為頂置空調(diào)末端和列間空調(diào)末端兩種。頂置空調(diào)末端的換熱盤(pán)管置于機(jī)架上方，熱空氣從機(jī)架流出，經(jīng)過(guò)機(jī)架后部，由頂部空調(diào)盤(pán)管冷卻，冷卻的空氣然后返回機(jī)架進(jìn)氣口。列間空調(diào)末端部設(shè)置在機(jī)架的立柱之間，空氣從機(jī)架前部排出，水平吹向機(jī)架，通過(guò)機(jī)架前門(mén)設(shè)備且對(duì)冷卻后，空氣通過(guò)機(jī)架后門(mén)返回空調(diào)后部。行間級(jí)制冷系統(tǒng)平面如圖2 所示[3]。

圖2 行間級(jí)制冷系統(tǒng)平面

針對(duì)房間級(jí)空調(diào)系統(tǒng)容易造成溫度死區(qū)，不利于IT 設(shè)備產(chǎn)生的熱量。各大廠家相繼開(kāi)發(fā)了行間級(jí)空調(diào)系統(tǒng)，也有稱(chēng)之為列間級(jí)空調(diào)系統(tǒng)。本項(xiàng)目計(jì)劃采用的是行間風(fēng)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(guò)機(jī)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(diào)運(yùn)行負(fù)荷，提高空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行效率。另一方面，行間空調(diào)系統(tǒng)的全部效能都可以作用到IT 設(shè)備，X 數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制更加精準(zhǔn)，節(jié)能效果也十分明顯。但其缺點(diǎn)是造價(jià)較高，不易被用戶(hù)接受。

3.3 機(jī)柜級(jí)制冷技術(shù)

機(jī)柜級(jí)空調(diào)末端安裝在機(jī)架前門(mén)或背板上，形成前門(mén)空調(diào)端和后面板空調(diào)端。為保證空調(diào)末端送風(fēng)的均勻性，制冷系統(tǒng)前門(mén)或背板上應(yīng)安裝多臺(tái)直流風(fēng)機(jī)，且每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量較小。機(jī)柜級(jí)制冷系統(tǒng)平面如圖3 所示。

圖3 機(jī)柜級(jí)制冷系統(tǒng)平面

通過(guò)在機(jī)柜中集成UPS，動(dòng)力控制系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，防火系統(tǒng)，空調(diào)等系統(tǒng)，來(lái)降低X 數(shù)據(jù)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(hù)成本較低，環(huán)境要求低，空調(diào)控制精確，而能耗輸出可以隨設(shè)備負(fù)荷變化而變化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到銀行、教育、政府、國(guó)防等各種類(lèi)型的使用場(chǎng)景。但其缺點(diǎn)是由于單柜價(jià)格較高，使用難度較大，所以不易被使用者接受[4]。

3.4 數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)

3.4.1 風(fēng)冷散熱技術(shù)

在5G 網(wǎng)絡(luò)正式實(shí)現(xiàn)商用的背景下，各行各業(yè)的應(yīng)用將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，意味著服務(wù)器內(nèi)芯片產(chǎn)生的熱量將進(jìn)一步升高，從而對(duì)芯片的散熱技術(shù)提出更高要求。當(dāng)前應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心芯片散熱的技術(shù)依然以風(fēng)冷散熱技術(shù)為主，風(fēng)冷散熱技術(shù)的工作原理是：與CPU 緊密接觸的傳熱底座，通過(guò)導(dǎo)熱裝置，將CPU 產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱器翅片上，風(fēng)扇使空氣流過(guò)翅片的速度增加，提高風(fēng)冷散熱器的冷卻效果。風(fēng)冷散熱具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但芯片熱流密度超過(guò)50W/cm2時(shí)，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱技術(shù)已逐漸不能滿(mǎn)足芯片的散熱需求。

數(shù)據(jù)中心機(jī)柜內(nèi)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)從周?chē)h(huán)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(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移至機(jī)柜周?chē)沫h(huán)境中。這部分熱量需轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心之外，以防止數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)部溫度過(guò)高。數(shù)據(jù)中心機(jī)房級(jí)冷卻系統(tǒng)的作用就是高效、穩(wěn)定的收集這部分熱量，并將其轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心機(jī)房之外。數(shù)據(jù)中心機(jī)房級(jí)散熱如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心機(jī)房級(jí)散熱

由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)氣流受限于機(jī)房設(shè)計(jì)及IT 設(shè)備在機(jī)房?jī)?nèi)的布局等，數(shù)據(jù)中心中氣流的熱性能可以以溫度場(chǎng)，流量場(chǎng)，壓降等形式表示。且氣流分布則會(huì)影響數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)的溫度場(chǎng)。因此，機(jī)房級(jí)冷卻的研究方向主要集中于數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)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(fēng)或天花板送風(fēng)等[5]。

3.4.2 自然冷卻制冷技術(shù)

將數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱量通過(guò)液體循環(huán)帶到室外，直接利用室外低溫冷空氣作為冷源引入機(jī)房直接自然冷卻，對(duì)于間接自然冷卻應(yīng)用，間接自然冷卻是以循環(huán)液體為介質(zhì)，有兩種主要的解決方案。

風(fēng)冷冷水系統(tǒng)，采用自然風(fēng)冷。當(dāng)環(huán)境溫度低于冷凍水回水溫度2℃時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)自然冷卻。當(dāng)自然制冷不足時(shí)，可采用壓縮制冷方式，以達(dá)到所需制冷量。自然冷卻機(jī)組完全運(yùn)行，當(dāng)環(huán)境溫度低于冷凍水供應(yīng)溫度8℃時(shí)，只能獲得少量風(fēng)扇功率。

當(dāng)室外溫度較低時(shí)，間接自然冷卻水冷卻系統(tǒng)直接使用低溫冷卻水對(duì)冷凍水進(jìn)行冷卻，就應(yīng)用規(guī)模而言，從而減少壓縮機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。水冷式冷水機(jī)自然冷卻系統(tǒng)適用于大型、超大型數(shù)據(jù)機(jī)房。自然冷卻技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的氣候條件、規(guī)模、建筑結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境、地理位置、實(shí)施成本等因素選擇自然冷卻模式[6]。

3.5 制冷當(dāng)中的節(jié)能技術(shù)

3.5.1 自然通風(fēng)節(jié)能技術(shù)

自然通風(fēng)節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用為使得制冷體系能耗下降的重點(diǎn)影響原因，通常依托熱壓力技術(shù)和風(fēng)壓把制冷來(lái)改為自動(dòng)循環(huán)的通風(fēng)體系，在節(jié)能方面具有極為明顯的成效，這類(lèi)節(jié)能技術(shù)能夠使得制冷體系對(duì)于周邊環(huán)境產(chǎn)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(jié)能技術(shù)

地源熱泵體系為一類(lèi)較為成熟制冷節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)，在制冷當(dāng)中有著明顯的運(yùn)用長(zhǎng)處，能夠使得建筑內(nèi)部的供暖情況獲得有效解決，在空調(diào)制冷與調(diào)節(jié)方面有著獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵以串并聯(lián)借用冷卻塔或是熱輔助措施使和太陽(yáng)能聯(lián)合運(yùn)行獲得實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于建筑物室溫綠色調(diào)節(jié)和控制。

3.5.3 太陽(yáng)能再生技術(shù)

當(dāng)前制冷節(jié)能技術(shù)的發(fā)展運(yùn)用逐漸趨向成熟，伴隨光伏發(fā)電以及各類(lèi)新能源逐漸發(fā)展進(jìn)步，太陽(yáng)能是可再生清潔資源，其不受空間和時(shí)間制約，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在各個(gè)行業(yè)，成為制冷項(xiàng)目節(jié)能技術(shù)運(yùn)用重點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容。太陽(yáng)能于制冷當(dāng)中的運(yùn)用，能夠使得環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)和理念獲得有效實(shí)現(xiàn)，不過(guò)因?yàn)樘?yáng)能特殊性，假如運(yùn)用于制冷體系當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，為使得太陽(yáng)能于制冷體系當(dāng)中的運(yùn)用和轉(zhuǎn)化獲得實(shí)現(xiàn)，能夠構(gòu)建起相應(yīng)的導(dǎo)熱循環(huán)體系，進(jìn)而使得太陽(yáng)能再生技術(shù)的運(yùn)用獲得實(shí)現(xiàn)。太陽(yáng)能供暖體系關(guān)鍵是由集熱器和循環(huán)體系進(jìn)行把控，裝置則關(guān)鍵是由加熱裝置和換熱水箱構(gòu)成的，其中換熱水箱關(guān)鍵涵蓋了太陽(yáng)能換熱水箱以及配熱泵換熱水箱等方面；循環(huán)控制體系關(guān)鍵涵蓋生活熱水體系與溫度控制設(shè)備。太陽(yáng)能節(jié)能技術(shù)關(guān)鍵是經(jīng)過(guò)對(duì)太陽(yáng)光的采集，而且把光能轉(zhuǎn)化成熱能之后再運(yùn)輸?shù)窖h(huán)系統(tǒng)開(kāi)展處理轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)電子設(shè)備使得感應(yīng)控制獲得實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)于室內(nèi)的溫度進(jìn)行合理控制[7]。

3.5.4 制冷節(jié)能技術(shù)運(yùn)用優(yōu)化

節(jié)能、綠色、低碳、生態(tài)還有環(huán)保為將來(lái)建筑領(lǐng)域發(fā)展潮流與趨勢(shì)，強(qiáng)化采取制冷的節(jié)能技術(shù)控制能耗為暖通工程中必然發(fā)展趨向。對(duì)于現(xiàn)階段制冷的節(jié)能技術(shù)運(yùn)用狀況，在今后發(fā)展中還應(yīng)當(dāng)開(kāi)展持續(xù)完善和優(yōu)化，與綠色景觀的設(shè)計(jì)觀念相結(jié)合、強(qiáng)化余熱循環(huán)體系的建設(shè)、引入新型節(jié)能技術(shù)和裝置均極為關(guān)鍵。綠色景觀設(shè)計(jì)觀念方面能夠經(jīng)過(guò)綠色景觀的創(chuàng)建，應(yīng)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(jìn)節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)用綠色景觀和節(jié)能技術(shù)融合，使得制冷節(jié)能成效獲得提升；強(qiáng)化余熱循環(huán)體系建設(shè)是能夠經(jīng)過(guò)預(yù)熱循環(huán)體系對(duì)于排風(fēng)體系的熱、冷空氣實(shí)施回收，使得節(jié)能環(huán)保和能耗合理下降獲得實(shí)現(xiàn)，具體能夠經(jīng)過(guò)冷熱交換設(shè)備得到實(shí)現(xiàn)，對(duì)于制冷體系的現(xiàn)實(shí)能耗狀況選取恰當(dāng)?shù)墓?jié)能技術(shù)，使得制冷體系維持最佳的運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)施制冷的節(jié)能進(jìn)程當(dāng)中，新型的節(jié)能技術(shù)和裝置的引進(jìn)為核心要素，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮變頻科技的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)制冷的無(wú)功消耗有效把控，應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)使能耗降低[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新建數(shù)據(jù)中心應(yīng)盡量利用氣候、地理、環(huán)境特點(diǎn)，選擇最新的制冷方案。因地制宜，在北方地區(qū)，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(qū)，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(qū)使用。在南方地區(qū)，自然風(fēng)冷效果不明顯，由于氣溫較高，風(fēng)能和電能相對(duì)充足且水資源豐富，可采用液冷技術(shù)。如果有較好的水資源，也可以采用自然水冷卻來(lái)獲得較低的PUE 值。