数据中心机房制冷技术探析

本文主要是介绍数据中心机房制冷技术探析，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

计算能力已经成为衡量国家未来竞争力的标准，诸多领域的科技创新，都需要以计算能力作为基础。而数据中心作为计算能力的基础，数据中心行业的快速发展成为大势所趋。大数据的飞速发展，云计算、设备散发的热量也不断升高，IT设备的功率计算速度不断加快，数据中心机房制冷的地位更加的重要。

数据中心内部要保持一个恒温恒湿环境，才能确保内部的设备处于最佳的工作环境中，这样不仅有利于设备达到最佳状态，也可以延长设备的使用寿命。然而，要保持数据中心内部的恒温恒湿的环境，需要数据中心付出很多。这和数据中心所处的位置关系密切，如四季温差变化较大，外部温度和数据中心内部总是有很大温差，这就需要数据中心耗费更多的电能，来保持内部恒温。此外，内部不同设备的散热量大小不同，不同的制冷设备工作效率不同，不同的数据中心通风通道设计好差不同，这些都会影响到数据中心保持恒温恒湿所需要付出的成本，如何才能以最小的成本给数据中心带来恒温恒湿环境尤为重要。

1 数据中心制冷概述

随着国家大数据战略的政策带动、传统企业逐步推进数字化转型的趋势，远程办公、云计算等行业都获得了长足发展，同时，这也带动了数据中心IT设备的性能不断提升。在这个背景下，高能源消耗与高热流密度已经成为数据中心行业最常被提及的两个关键词。未来数据中心制冷技术必须能在满足性能的前提下，尽量提升散热效率并降低能源消耗，数据中心才能真正实现绿色、经济的运营。数据中心运行期间，其IT设备的热负荷是普通办公室的100倍，这就导致数据中心制冷系统的运行有着巨大的能源需求。由此可见，数据中心制冷系统的好坏，会直接影响数据中心能否安全运行以及其运行过程中的能耗。

2 数据中心制冷技术运用当中存有的状况

2.1 节能技术运用缺少一定合理性

制冷体系设计中涉及了操作经验丰富性和设计技术的规范性。节能技术运用进程当中，依旧存有大量状况，就像是制冷体系的设计当中，节能环保技术运用理念已经多年了，但是大量设计工作人员对于节能技术认知依旧是有所欠缺的，不能够科学、高效以及灵活地把节能技术和节能观念融进制冷体系节能之中，最为关键的问题是盲目照抄，在节能技术运用的时候没有充分与具体功能、条件以及现实状况相结合，造成节能技术的运用不能将节能功能充分发挥出来。

2.2 节能技术难以获得有效的推广

低碳环保节能观念于社会发展和经济推进之下，大量节能新科技获得创新发展和运用。就像是太阳能技术大规模应用能够使得能源的消耗量有效降低。在制冷体系设计当中，假如想采取且融进新技术，应当添加新型装置，但是新型装置和新型的节能技术是比较新的，相对来说成本是比较高的，将会于一定程度上使公司运营的成本大幅上升，公司也将会减少采用和购置。大量相应行业的管理工作人员在运用和推广节能技术的时候，往往忽略节能技术节能成效和环保效益，仅关注成本的支出，造成于制冷中的节能技术难以获得充分运用。

3 机房制冷技术

3.1 房间级制冷技术

房间级空调终端主要是机房专用空调末端。设置方式是在机房一侧或两侧设置专用空调区域，并设置专用空调终端。房间级制冷系统平面如图1 所示。空调系统末端有两种送风方式：向下送风和向上送风。为了节约能源，主流厂家都在风机上安装了内置控制器，这是一种后倾式电控换向电机，即EC风机。

房间级定频精密空调系统价格低廉，适合于持续、可靠、为IT设备提供冷却要求的场景。但是，房间级定频精密空调输出能力一旦设计好，就会表现出系统灵活性较差，维护成本较高等缺点。因此，为了提高房间级空调方案的性能，设计采用比较流行的地板下送风，以及封闭冷通道方案。

3.2 行间级制冷技术

行间级空调末端依据位置不同可分为顶置空调末端和列间空调末端两种。顶置空调末端的换热盘管置于机架上方，热空气从机架流出，经过机架后部，由顶部空调盘管冷却，冷却的空气然后返回机架进气口。列间空调末端部设置在机架的立柱之间，空气从机架前部排出，水平吹向机架，通过机架前门设备且对冷却后，空气通过机架后门返回空调后部。行间级制冷系统平面如图2 所示。

针对房间级空调系统容易造成温度死区，不利于IT设备产生的热量。各大厂家相继开发了行间级空调系统，也有称之为列间级空调系统。本项目计划采用的是行间风冷解决方案，该方案可以将冷源前移至热源较接近的位置，一方面，通过机械隔热封闭通道作为热传递的有效方式，可以大大降低空调运行负荷，提高空调机组的运行效率。另一方面，行间空调系统的全部效能都可以作用到IT设备，X数据中心环境控制更加精准，节能效果也十分明显。但其缺点是造价较高，不易被用户接受。

3.3 机柜级制冷技术

机柜级空调末端安装在机架前门或背板上，形成前门空调端和后面板空调端。为保证空调末端送风的均匀性，制冷系统前门或背板上应安装多台直流风机，且每台风机的风量较小。机柜级制冷系统平面如图3 所示。

通过在机柜中集成UPS，动力控制系统，环境监控系统，防火系统，空调等系统，来降低X 数据中心的整体建造成本，提高单柜的综合效率。它因具有集成度高，维护成本较低，环境要求低，空调控制精确，而能耗输出可以随设备负荷变化而变化等优点，被广泛地应用到银行、教育、政府、国防等各种类型的使用场景。但其缺点是由于单柜价格较高，使用难度较大，所以不易被使用者接受。

3.4 数据中心制冷技术

3.4.1 风冷散热技术

在5G网络正式实现商用的背景下，各行各业的应用将产生海量数据，意味着服务器内芯片产生的热量将进一步升高，从而对芯片的散热技术提出更高要求。当前应用于数据中心芯片散热的技术依然以风冷散热技术为主，风冷散热技术的工作原理是：与CPU紧密接触的传热底座，通过导热装置，将CPU产生的热量传导至散热器翅片上，风扇使空气流过翅片的速度增加，提高风冷散热器的冷却效果。风冷散热具有技术成熟、成本低等优点，但芯片热流密度超过50W/c㎡时，传统的风冷散热技术已逐渐不能满足芯片的散热需求。

数据中心机柜内风冷散热系统从周围环境中吸入的低温空气与散热器翅片换热冷却芯片，并将芯片产生的热量转移至机柜周围的环境中。这部分热量需转移到数据中心之外，以防止数据中心机房内部温度过高。数据中心机房级冷却系统的作用就是高效、稳定的收集这部分热量，并将其转移到数据中心机房之外。数据中心机房级散热如图4所示。

由于数据中心机房内气流受限于机房设计及IT 设备在机房内的布局等，数据中心中气流的热性能可以以温度场，流量场，压降等形式表示。且气流分布则会影响数据中心机房内的温度场。因此，机房级冷却的研究方向主要集中于数据中心机房内的气流管理，包括冷通道气流控制、热通道气流控制、地板送风或天花板送风等。

3.4.2 自然冷却制冷技术

将数据中心产生的热量通过液体循环带到室外，直接利用室外低温冷空气作为冷源引入机房直接自然冷却，对于间接自然冷却应用，间接自然冷却是以循环液体为介质，有两种主要的解决方案。

风冷冷水系统，采用自然风冷。当环境温度低于冷冻水回水温度2℃时，应启动自然冷却。当自然制冷不足时，可采用压缩制冷方式，以达到所需制冷量。自然冷却机组完全运行，当环境温度低于冷冻水供应温度8℃时，只能获得少量风扇功率。

当室外温度较低时，间接自然冷却水冷却系统直接使用低温冷却水对冷冻水进行冷却，就应用规模而言，从而减少压缩机运行，实现节能。水冷式冷水机自然冷却系统适用于大型、超大型数据机房。自然冷却技术根据数据中心的气候条件、规模、建筑结构、周边环境、地理位置、实施成本等因素选择自然冷却模式。

3.5 制冷当中的节能技术

3.5.1 自然通风节能技术

自然通风节能技术的运用为使得制冷体系能耗下降的重点影响原因，通常依托热压力技术和风压把制冷来改为自动循环的通风体系，在节能方面具有极为明显的成效，这类节能技术能够使得制冷体系对于周边环境产生的作用有效降低，并且能耗是比较低的。

3.5.2 地源热泵节能技术

地源热泵体系为一类较为成熟制冷节能设计技术，在制冷当中有着明显的运用长处，能够使得建筑内部的供暖情况获得有效解决，在空调制冷与调节方面有着独特优点，关键以串并联借用冷却塔或是热辅助措施使和太阳能联合运行获得实现，进而实现对于建筑物室温绿色调节和控制。

3.5.3 太阳能再生技术

当前制冷节能技术的发展运用逐渐趋向成熟，伴随光伏发电以及各类新能源逐渐发展进步，太阳能是可再生清洁资源，其不受空间和时间制约，已经被广泛运用在各个行业，成为制冷项目节能技术运用重点的研究内容。太阳能于制冷当中的运用，能够使得环保节能的目标和理念获得有效实现，不过因为太阳能特殊性，假如运用于制冷体系当中，还应当对其开展进一步转换，为使得太阳能于制冷体系当中的运用和转化获得实现，能够构建起相应的导热循环体系，进而使得太阳能再生技术的运用获得实现。太阳能供暖体系关键是由集热器和循环体系进行把控，装置则关键是由加热装置和换热水箱构成的，其中换热水箱关键涵盖了太阳能换热水箱以及配热泵换热水箱等方面；循环控制体系关键涵盖生活热水体系与温度控制设备。太阳能节能技术关键是经过对太阳光的采集，而且把光能转化成热能之后再运输到循环系统开展处理转换，经过电子设备使得感应控制获得实现，从而对于室内的温度进行合理控制。

3.5.4 制冷节能技术运用优化

节能、绿色、低碳、生态还有环保为将来建筑领域发展潮流与趋势，强化采取制冷的节能技术控制能耗为暖通工程中必然发展趋向。对于现阶段制冷的节能技术运用状况，在今后发展中还应当开展持续完善和优化，与绿色景观的设计观念相结合、强化余热循环体系的建设、引入新型节能技术和装置均极为关键。绿色景观设计观念方面能够经过绿色景观的创建，应用绿色植物蒸腾作用使得空间的整体温度下降，而且把观念融进节能技术设计和应用当中，应用绿色景观和节能技术融合，使得制冷节能成效获得提升；强化余热循环体系建设是能够经过预热循环体系对于排风体系的热、冷空气实施回收，使得节能环保和能耗合理下降获得实现，具体能够经过冷热交换设备得到实现，对于制冷体系的现实能耗状况选取恰当的节能技术，使得制冷体系维持最佳的运行状态；实施制冷的节能进程当中，新型的节能技术和装置的引进为核心要素，应当充分发挥变频科技的长处，实现制冷的无功消耗有效把控，应用技术优势使能耗降低。

4 结语

综上所述，新建数据中心应尽量利用气候、地理、环境特点，选择最新的制冷方案。因地制宜，在北方地区，气温较低，由于气候干燥，自然空气冷却和空气冷却的组合可以使用在水资源稀缺的地区，而自然空气冷却和液体冷却的组合可以尝试在水资源丰富的地区使用。在南方地区，自然风冷效果不明显，由于气温较高，风能和电能相对充足且水资源丰富，可采用液冷技术。如果有较好的水资源，也可以采用自然水冷却来获得较低的PUE值。

作者：张泽勇