数据中心节能制冷系统分析

摘要: 数据中心制冷系统应遵循制冷系统的原理和技术架构. 影响其能耗的因素包括温度差，压力差，传导路径，热交换工作介质，设计选择，设备效率，自然制冷利用空间等，但它与民用建筑制冷系统具有不同的特征: 高感度冷却（响应IT设备的显热），大风量（高功耗），连续运行（24×7），冗余备份（避免单点故障，可用性高于99.99％）.

数据中心冷却系统应遵循冷却系统的原理和技术框架. 影响其能耗的因素包括温度差，压力差，传导路径，热交换工作介质，设计选择，设备效率，自然制冷利用空间等. 但是，它与民用建筑制冷系统具有不同的特征: 高显热（响应IT设备的显热），大风量（高功耗），连续运行（24×7），冗余备份（避免单点故障，可用性99.99％或更高）.

在数据中心能耗中，IT设备的能耗排名第一，其次是制冷能耗；以PUE = 1.5的数据中心为例，电力系统消耗5％-10％，接近25％-35％. 这是冷却能耗. 探索低能耗以提高效率并优化绿色节能制冷系统的总拥有成本是本文的重点.

1数据中心制冷系统节能的定义

数据中心制冷系统的绿色节能是通过三个主要指标定义和评估的: 最大化制冷效率，最小化能量传输能耗和最佳系统成本. 因此，将从两个方面对数据中心冷却系统的节能方法进行分析和评估，即热传递路径的水平分析和冷却系统的垂直比较. 通过制冷系统的分解，它可以分为四个级别（见图1）:

①从冷却数据中心IT设备的芯片级开始，是设备组件级的冷却级，这是第一级；

②IT硬件设备到机架的冷却是硬件设备的冷却级别，是第二级；

③由几台设备组成的机架和机架排的散热量为机架和模块的散热水平，为第三级；

④通过冷却系统将机房内部的热量传导至室外，完成整个冷却和冷却系统的过程，这是第四层，主要是对不同类型的立式冷却系统的比较.

可以对这四个级别进行分析并在每个级别进行比较，以找到在每个级别节省能源的最佳方法. 最后，运行管理和能效管理控制系统是实现这些节能方法有效性的重要手段.

2一级制冷系统的节能方法: 芯片/ IT节点设备冷却

（1）风冷散热器

风冷散热器是最常见的散热器，通常是铝或铜材料，具有更好的导热性，并通过特殊介质（通常是导热油脂）加工成散热片以增加散热面积和效率. 芯片产生大量热量，然后在散热片上安装风扇以增加流量，提高传热能力，并更快地带走热量，从而达到冷却芯片的目的. 改善风冷散热的方法是增加散热面积，增加传热系数，提高辐射散热效率，使用散热效率更好的材料，并确保与胶粘剂充分接触以减少传导热. 抵抗性. 空气冷却的散热器如图2所示.

风冷散热器的优点是简单实用，价格低廉. 它的缺点:

①冷却效率不高，CPU产生的热量无法完全散发，仅通过传导和对流即可轻松达到风冷散热器的导热极限；

②随着风扇功率和转速的增加，噪音也随之增加；

③由于风扇是运动部件，容易损坏，对可靠性有一定影响.

（2）热管散热器（见图3）

热管散热器是从传统的空气冷却散热器上更换的. 在最靠近CPU的部分，使用高效的热管代替了传统的金属底座. 热管穿过一个封闭的金属腔和一个毛细管吸热芯，在热端蒸发后，冷端的冷凝相变后，该热管充分利用了传热工作介质. 液体的蒸发和凝结的潜热）以及产生热量的热传导原理热的快速传导将被加热物体的热量通过热管传递给热源，其导热系数高于金属相同质量达到一个数量级，并且扁平型热管的热温度场均匀，局部热交换大，散热效果更好. 该解决方案当然会增加成本.

（3）液体冷却

液体冷却通常采用特殊或特殊处理的液体直接或近程间接热交换冷却芯片或IT整体设备. 液体冷却分为间接液体冷却和直接液体冷却.

间接液体冷却本质上是指制冷剂和加热元件被导热材料隔开并且不直接接触，而是通过液体冷却板，液体冷却头和其他高效导热组件，产生的热量将要冷却的物体转移到制冷剂中，然后制冷剂经过制冷系统实现制冷剂的循环和冷却.

间接冷却液冷系统，IT设备没有明显变化，只需要用液冷翅片代替原来的空气冷却翅片即可成为制冷剂热交换系统. 正常情况下，芯片的工作温度在20〜60℃范围内，可以使用无相水（离子水+铜缓蚀剂）或水氟转换系统进行热交换，该系统可以由外部冷却水或冷冻水系统代替. 热. 该系统的重点是选择合适的制冷剂，设计复杂的制冷剂管道以到达每个机架，并为每个IT设备设计快速接头而不会滴落，以确保液体冷却系统支持热插拔和维护而不会中断整个系统；避免热交换介质流出. 流体直通间接冷却如图4所示. 数据中心的大量循环管道已成为故障维护和水力平衡的问题.

直接冷却是使用密封的氟化物液体和其他矿物质直接浸泡和冷却IT设备芯片，内存和其他加热组件以形成密封的一次热循环系统，而二次循环系统可以使用自然空气冷却或冷却水系统已冷却. 与间接制冷系统相比，直接冷却对加热部件的冷却具有更好的均匀性，并且冷却液的温度可以更高，尤其是当选择在特定温度下具有相变的液体时，局部散热能力很强，散热效果更好；例如，对于60℃，芯片可以使用50℃的冷却水或蒸发温度为55至60℃的冷却液. 因此，即使在夏季温度为45℃的高温下，也可以实现直接的新鲜空气冷却或冷却塔，从而使数据中心全年都可以实现自然冷却. 降低能耗已在全球温带和热带地区实现高效制冷系统方面取得了突破，并且是一种极具竞争力的制冷解决方案. 整个浸没液体冷却直接冷却如图5所示.

但是液体冷却面临更多挑战:

①目前，液体冷却更适合于高功率密度和全新的服务器体系结构设计. 它与当前的主流风冷服务器架构和数据中心设计不兼容，并且很难进行转换.

②由于规模和应用范围的限制，特别是某些IT设备组成材料在直接冷却液体中的相容性和化学稳定性需要长期测试和验证，并且液体冷却的成本较高.

③系统设计需要由项目进行验证和优化，例如每台IT设备的液体冷却需要大量的管道优化设计以及液压平衡和流量控制，制冷剂冷却温度控制以及二次侧的匹配联动控制. 循环冷却管道，等待.

④IT设备的维护和更换需要液体冷却以支持快速插入和移除而不会泄漏，并且需要优化有源组件（如电源电缆和传输光缆连接器）的密封和散热.

在这种热交换水平下，散热器和热管都需要IT设备级风扇来强制对流热交换，两者之间的区别无非是利用热交换效率和温度场均匀性. 冷翅片的冷却极限通常为40W / cm2.

利用空腔中的沸腾管或热管与强制风冷换热配合使用，常规为100W / cm2，通过IC工艺制成的多个微热管阵列的水冷泵循环可达到冷却功率功率为200W / cm2，当水流量为10cm3 / s且水温上升为71℃时，冷却热流量高达790W / cm2，这是散热能力最大的水冷却装置.

3二级冷却节能方法: IT设备机架冷却

此级别的热交换是IT机架与数据中心区域环境之间的热交换. 热交换方法可以分为两种模式: 一种是直接风冷式热交换，也可以是风冷式与某种有效的液体冷却相结合. 另一个是直接浸入式热交换.

（1）机架的风冷热交换

机架风冷式热交换的核心是在为IT设备的正常运行实现均匀温度场的基础上，实现温差和风量的匹配与平衡. 实现节能的方法主要有两种: 第一是确保在IT设备的正常工作温度的基础上，尝试提高送风温度，确保适当的风量，减少上层建筑的能耗. 热交换系统，实现系统节能，是主要的节能方式;另一个是温差大，减少了送风量. 节能量相当于降低风扇能耗的节能方法. 通过调节风量来降低风扇能耗的主要目的是: 使用直流或变频风扇根据IT设备的工作条件自动进行调整. 但是，在数据中心的整个冷却过程中，一台250W服务器通常配置有两个12〜15W风扇，风扇能耗占即使与固定频率风扇相比，即使可以使用变频或DC风扇实现10％-20％的节能，也只有大约5％，但总体节能空间仅为（10％-20％）×5％= 0.5％ 〜1％，节能空间有限.

（2）改进IT机架的气流组织

在满足操作安全性的条件下，IT机架可以卸下机柜的前门和后门，以改善气流的组织. 目前，机架的常规柜门的打开率为40％至70％，卸下柜门可以有效地减少送风和回风的阻力.

改善气流组织的更有效方法是IT设备机架的盲密封，它可以有效地密封IT机架的前后空气入口和出口空间，避免因返回的热空气而导致局部过热由服务器进入热通道并增加IT设备. 此外，此能耗还为提高整体送风温度做准备.

在一个运营数据中心，作者比较了机架的密封和开封；当给风冷空调提供13至14°C的空气时，密封IT机柜时前进气温度场在14〜15℃相对均匀稳定. 当机架没有用盲板密封时，由于机架的热回风，很容易造成短路和返回. 整个机架的温度场将上升到20〜22℃，服务器风的温度将上升到30℃，并会发生局部过热. 趋势. 图6和7是分别处于密闭状态和密封状态且没有漏气且没有盲板的IT机架的温度分布图.

（3）IT机架的局部高效热交换

IT设备机架提高了散热效率制冷系统，主要使用各种近距离高效换热设备，例如无风扇背板热交换器和热管热交换器制冷系统，有源定点风扇盘管（高架/机架高架地板）两者均可在下面使用），立柱式空调，冰箱式内部风扇盘管等；根据应用和进入机房的水的考虑，循环工作介质可以从水或氟利昂等介质中选择.

与长距离机房空调相比，短距离冷却装置（参见图8）有两个亮点: 一是机柜级的热交换循环，而循环路径仅是深度或机柜高度，可以减少循环路径. 漏气或短路的影响降低了循环风扇的能耗，风扇的能耗同比降低了10％至20％. 但是，由于风扇的能耗在总能耗中所占的比例很小，因此节省的空间有限. 第二个是与IT设备机架的回热空气进行直接最短距离直接热交换（IT设备的热回收通常在30〜40℃进行），这可以将循环供水和回水的温度提高到17℃/ 22℃ ，与常规数据相比，中央制冷系统设计的循环供水和回水温度（例如10℃/ 15℃）提高了7℃，节能环节可以转移到外部制冷循环中. 一些文献比较了各种空调系统的能耗系数，指出机房级别的风冷空调能耗最高，其次是高温冷水空调和机架. 排空调和水冷背板系统. 它在芯片级别上是最好的，能耗最低. 因此，减少制冷环节的损失，更有效地冷却换热设备，并以较短的方式冷却加热设备，可以降低能耗.

4三级制冷节能方法: 机架排模块房节能

从机架到数据中心机房的节能主要是通过优化机房和区域的气流组织，提高机房中空调的利用率，匹配机房的热源来实现的. IT设备具有相对准确的冷却能力，并优化了温度场. 最大限度地利用冷空气来冷却IT设备并实现节能. 节能的方法是将冷热通道分开，然后增加送风地板或回风天花板，并组织气流组织指南，以有效减少相同散热量下的风量和水头损失，从而降低风扇能耗；通道或热通道被密封以确保送风温度场的均匀性并避免局部热点，目的是提高送风温度并提高制冷系统的蒸发温度，以减少压缩机的能耗制冷系统. 制冷系统级别实现了整体节能. 图9是处于密封状态下的典型冷通道的热成像剖面图，下部为地板通风孔，上部为通道门，两侧均为服务器进气口.

5结论

减少数据中心的冷却能耗是优化PUE的重要手段. 探索低能耗，提高效率，优化总体拥有成本以及构建绿色节能制冷系统将成为构建绿色数据中心的重点.

关于作者

韩宇，曾在阿里巴巴集团技术保障部工作，是该部架构委员会的七名成员之一，也是数据中心的首席架构师，中国数据中心工作组的专家成员，成员制冷中心数据中心工作组的负责人，以及许多数据中心的标准和技术规范的国内参与者.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
https://www.pc-fly.com/a/dianqi/article-251917-1.html