
數(shù)據(jù)中心冷板式液冷散熱系統(tǒng)建設(shè)方案詳細圖文解析
數(shù)據(jù)中心液冷散熱系統(tǒng)方案
采用風(fēng)冷的數(shù)據(jù)中心通常可以解決 12kW 以內(nèi)的機柜制冷。隨著服務(wù)器單位功耗增大,原先尺寸的普通服務(wù)器機柜可容納的服務(wù)器功率往往超過 15kW,相對于現(xiàn)有的風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心,這已經(jīng)到了空氣對流散熱能力的天花板。而液冷技術(shù)作為一種散熱能力更強的技術(shù),可以支持更高的功率密度。
1.液冷的優(yōu)勢
- 滿足高功率密度機柜的散熱需求。液冷的高效制冷效果有效提升了服務(wù)器的使用效率和穩(wěn)定性,同時可使數(shù)據(jù)中心在單位空間布置更多的服務(wù)器,提高數(shù)據(jù)中心使用效率;
- 循環(huán)系統(tǒng)耗能少,系統(tǒng)噪音小。使用高比熱的液體工質(zhì),冷卻工質(zhì)循環(huán)能耗少,且液冷簡化了換熱流程,也減小了風(fēng)冷末端在房間輸送冷風(fēng)過程中受湍流影響所致的部分能量衰減的問題;
- 占地小,易于選址。使用液冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心相對于傳統(tǒng)的風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心更加簡單,去掉了龐大的末端空調(diào)系統(tǒng),提高了建筑利用率,在小空間里也能布置足夠規(guī)模的服務(wù)器,應(yīng)用場景更易布置,受地理位置影響較小,全國布局皆可實現(xiàn)低 PUE 運行;
- 降低 TCO,運營 PUE 較低,全年 PUE 可達到 1.2 以下。采用液冷散熱方案的數(shù)據(jù)中心 PUE 比采用風(fēng)冷的常規(guī)冷凍水系統(tǒng)降低 0.15 以上,可讓有限的能源更多分配給算力,從而降低運行成本,增加算力產(chǎn)出;
- 余熱回收易實現(xiàn)。相比傳統(tǒng)水溫,使用液冷方案的水溫更高,溫差大,熱源品味和余熱系統(tǒng)效率高;
- 適應(yīng)性強。冷板式液冷兼容性強,易配套開發(fā),不需改變原有形態(tài)和設(shè)備材料;空間利用率高,可維護性強,布置條件與普通機房相近,可直接與原制冷系統(tǒng) (常規(guī)冷凍水系統(tǒng))兼容適應(yīng)。
2.基于冷板液冷方案的一次側(cè)系統(tǒng)
對于液冷二次側(cè)末端不同的水溫需求,液冷一次側(cè)冷源可采用機械制冷系統(tǒng)和自然冷卻系統(tǒng)。機械制冷系統(tǒng)包括風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)和水冷冷凍水系統(tǒng),可提供 12℃ - 18℃ 的中溫冷凍水;自然冷卻是在室外氣象條件允許的情況下,利用室外空氣的冷量而不需機械制冷的冷卻過程,自然冷卻系統(tǒng)可采用開式冷卻塔、閉式冷卻塔和干冷器等設(shè)備實現(xiàn),可提供 30℃ 以上的冷卻水。液冷一次側(cè)冷源形式需結(jié)合二次側(cè)末端水溫需求和項目地室外環(huán)境情況確定。
3.機械制冷系統(tǒng)
- 風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)
風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)是冷凍水制備的一種方式,主要由風(fēng)冷冷水機組、冷凍水泵及配套設(shè)施組成,其液態(tài)制冷劑在其蒸發(fā)器盤管內(nèi)直接蒸發(fā),實現(xiàn)對盤管外的冷凍水吸熱而制冷,并通過風(fēng)冷的方式冷卻為液態(tài)。
風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)不需要占用專門的機房且無需安裝冷卻塔及泵房,初期成本投入較低、運行方便,不需要專業(yè)人員維護,無冷卻水系統(tǒng),具備節(jié)水和降低維護費用等優(yōu)點。但風(fēng)冷冷水機組一般裝在室外,運維環(huán)境相對較為惡劣,維護性及可靠性均不如水冷冷水機組,并且風(fēng)冷機組在夏季高溫制冷效果較差,運行效率較低。
- 水冷冷凍水系統(tǒng)
水冷冷凍水系統(tǒng)是冷凍水制備的一種方式,主要由水冷冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔及配套設(shè)施組成,其液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器盤管內(nèi)直接蒸發(fā),實現(xiàn)對盤管外的冷凍水吸熱而制冷,并通過水冷的方式冷卻為液態(tài)。
水冷冷凍水系統(tǒng)具有耗電量較低、全年制冷效果好、可靠性高和使用壽命長的優(yōu)點。但其需要專用機房、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵等設(shè)備,初投資較大,并且需要循環(huán)水,水資源消耗大,且機組本體和冷卻設(shè)施需要維護,相較于風(fēng)冷機組,其維護費用比較高。
4.自然冷卻系統(tǒng)
- 開式冷卻塔
開式冷卻塔經(jīng)過將循環(huán)冷卻水直接噴淋到冷卻塔填料上,同時由風(fēng)機帶動冷卻塔內(nèi)氣流流動,通過室外空氣與冷卻水之間的熱質(zhì)交換蒸發(fā)冷卻循環(huán)水,冷卻后的循環(huán)水在冷卻塔底部出水 (見圖 2)。開式冷卻塔中循環(huán)冷卻水與室外空氣存在熱質(zhì)交換。
圖 2 開式冷卻塔示意圖
開式冷卻塔初投資和運行成本均較低,占地面積較小,重量較輕,但其運行水質(zhì)較差,易引起被冷卻換熱器結(jié)垢,適用于室外空氣品質(zhì)較好的區(qū)域。另外,雖然可增設(shè)一級板式換熱器和冷卻水泵來避免核心換熱器結(jié)垢,但對應(yīng)系統(tǒng)較為復(fù)雜,初投資提升。
- 閉式冷卻塔
閉式冷卻塔是將管式換熱器置于塔內(nèi),通過室外流通的空氣、噴淋水與管內(nèi)的循環(huán)冷卻水進行熱交換而實現(xiàn)向大氣散熱的設(shè)備(見圖3)。閉式冷卻塔有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩個系統(tǒng),其內(nèi)循環(huán)通過與被冷卻設(shè)備對接,構(gòu)成一個封閉式系統(tǒng),將系統(tǒng)熱量帶到冷卻塔,也即內(nèi)循環(huán)水通過換熱盤管將熱量傳遞到大氣中;外循環(huán)由循環(huán)噴淋泵,布水系統(tǒng)、集水盤及管路組成,外循環(huán)水不與內(nèi)循環(huán)水相接觸,只是通過冷卻塔內(nèi)的換熱器吸收內(nèi)循環(huán)水的熱量,然后通過和空氣直接接觸來散熱。
圖 3 閉式冷卻塔示意圖
閉式冷卻塔的水質(zhì)較好,被冷卻換熱器不易結(jié)垢,壽命長,應(yīng)用在室外環(huán)境質(zhì)量差且對循環(huán)水質(zhì)要求高的場合優(yōu)勢明顯;但閉式冷卻塔初投資和運行成本均較高,占地面積大,重量較重。
- 干冷器
干冷器即干式冷卻器,其工作過程沒有水的消耗,是通過管內(nèi)走液體與管外走自然風(fēng)來冷卻管內(nèi)液體,降低管內(nèi)液體溫度,達到冷卻的目的 (見圖 4)。干冷器中的載冷劑通常使用乙二醇溶液,需要根據(jù)項目地冬季極端溫度選取溶液濃度。
圖 4 干冷器示意圖
干冷器沒有壓縮機,總體耗電量低,機組使用壽命長,初投資比風(fēng)冷冷水系統(tǒng)和水冷冷水系統(tǒng)低,但其一般安裝在室外,運行環(huán)境相對惡劣,且在夏季炎熱散熱較差的區(qū)域,需配置水噴淋冷卻系統(tǒng)或濕簾系統(tǒng)增強換熱,導(dǎo)致占地面積增大。
5.一次側(cè)系統(tǒng)應(yīng)用場景
在冷板式液冷系統(tǒng)中,發(fā)熱器件不直接接觸液體,而是通過與裝有液體的冷板直接接觸來散熱,或者由導(dǎo)熱部件將熱量傳導(dǎo)到冷板上,然后通過冷板內(nèi)部液體循環(huán)帶走熱量。由于服務(wù)器芯片等發(fā)熱器件不用直接接觸液體,所以該方式對現(xiàn)有服務(wù)器芯片組件及附屬部件改動量較小,可操作性更強,成為目前成熟度高、應(yīng)用廣泛的液冷散熱方案。
二次側(cè)相對穩(wěn)定,通過冷卻液分配單元 (CDU) 及后面的系統(tǒng)架構(gòu)進行配置。一次側(cè)可以考慮多種的使用條件和場景進行組合。按照制冷的方式,主要分成機械制冷和自然冷卻制冷,同時結(jié)合國內(nèi)情況,進行劃分如下:
表 1 一次側(cè)和二次側(cè)供液溫度的參考值
在高熱高濕地區(qū),機房環(huán)境溫度要求高,直接采用閉式冷塔 / 干冷器無法直接滿足供冷要求,需要輔助機械制冷裝置;冷源通常采用冷水機組 + 冷卻塔的聯(lián)合供冷的方式 (見圖 5),此結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強,效率高,但耗水量較大,不適合缺水的地區(qū)。
- 方案一:冷水機組 + 冷卻塔 (開式)+ 板換
一次側(cè)冷源有多種組成形式,需根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝猸h(huán)境溫度 (包括干球 / 濕球溫度) 及液冷服務(wù)器的進液溫度,確定是否需要下調(diào)水溫;另外供水溫度應(yīng)比室內(nèi)露點溫度高出 2℃ ~ 3℃ 左右,以防結(jié)露 (見表 1)。
圖 5 冷塔 + 水冷冷機 + 板換系統(tǒng)示意圖
系統(tǒng)根據(jù)室外溫度變化分成兩種模式:
模式一:室外溫度較低,無需冷機開啟,僅憑冷塔 + 板換即可滿足制冷要求。
模式二:冷塔出水水溫高于 CDU 需求,需要機械降溫補冷,形成冷塔 + 冷機的組合形式。
- 方案二:風(fēng)冷冷水機組
風(fēng)冷冷水機組將冷凝器、水泵、壓縮機等部件合成整體,且通常配置干冷器 (免費冷源模塊),集成度高 (見圖 6);但是無法利用水的蒸發(fā)潛熱,系統(tǒng)能效低,適合系統(tǒng)偏小環(huán)境以及缺水地區(qū)。
圖 6 風(fēng)冷冷水機組示意圖
使用模式與場景 1 相近,也具備兩種模式:
模式一:室外溫度較低,無需冷機開啟,僅憑免費冷源模塊即可滿足制冷要求。
模式二:免費冷源模塊無法滿足 CDU 的溫度要求,需要機械降溫補冷,則直接使用風(fēng)冷冷機形式。
- 方案三:閉式冷卻塔 / 干冷器
對于當(dāng)?shù)貧鉁厝贻^低,可采用閉式冷塔/干冷器直接供冷 (見圖 7),全年無需機械制冷。
圖 7 閉式冷卻塔/干冷器 液冷系統(tǒng)示意圖
閉式冷塔和干冷器使用模式基本相同,閉式冷卻塔系統(tǒng)仍以蒸發(fā)散熱為主,可以輸出更低的溫度,循環(huán)系統(tǒng)水質(zhì)較好,對于 CDU 或者其它換熱設(shè)備友好,只是耗水量大。干冷器體積較大,單機制冷量偏小,但容易布置,配置上濕膜,還可以部分使用蒸發(fā)冷卻。
該系統(tǒng)也分成兩種模式:
模式 1:干模式,無需通過水蒸發(fā)散熱。
模式 2:濕模式,系統(tǒng)需要通過噴水蒸發(fā)的潛熱帶走熱量,閉式冷卻塔此時和開式冷卻塔相同。干冷器通過進風(fēng)口的濕膜初步降溫,再進行二次降溫。
- 方案四:開式冷卻塔
開式冷卻塔制冷模式與閉式冷卻塔完全相同(見圖 8),只是開式冷卻塔水路與大氣相通,水質(zhì)較差。
圖 8 開式冷卻塔冷卻示意圖
上述方案以液冷側(cè)需求為主要考量因素 (見表 2)。冷板液冷機房在實際運轉(zhuǎn)過程中,液冷系統(tǒng)往往仍然需要配備少量空調(diào)使用,以滿足服務(wù)器中非液冷部件的散熱需求。
表 2 一次側(cè)冷源建議方案
二次側(cè)液體回路是指從冷量分配單元到機架,通過供回冷卻工質(zhì)歧管和 IT 設(shè)備連接,然后再通過歧管返回冷量分配單元的設(shè)計。來自二次側(cè)冷卻回路的熱量通過冷量分配單元的板式熱交換器傳遞到一次側(cè)冷卻回路, 最終排放到大氣中或被熱回收再利用。6. 二次側(cè)冷板液冷概述
隨著 IT 設(shè)備功率密度的增加,需要更高效的冷卻技術(shù)來滿足日益增長的算力需求。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷相比,液冷方案提供了更加高效的冷卻效率。而何時轉(zhuǎn)換到液冷取決于許多不同的因素,例如包括散熱性能需求、電力配備、PUE 要求、IT 設(shè)備密度、冷卻成本,以及將來的 IT 設(shè)備的性能需求和部署策略等等。另外,是改造現(xiàn)有設(shè)施還是重新建造新的數(shù)據(jù)中心機房, 也需納入 TCO 的考量范圍。
采用液體冷卻的一個直接原因是,傳統(tǒng)的風(fēng)冷方案已經(jīng)無法滿足 IT 設(shè)備的散熱需求,故而需要新的方案提升冷卻能力。對于 CPU 和 GPU 等高功耗元器件,究竟何時或在何種功率水平下需要液體冷卻,目前尚無通用指南,不能一概而論。但應(yīng)注意的是,除了成本分析外,還需要了解液冷方案的一些設(shè)計考量,比如冷卻回路中的所有浸潤材料與所使用的冷卻工質(zhì)相容并保持長期可靠性,使用的冷卻工質(zhì)不能與任何其他冷卻工質(zhì)混合使用等等。
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