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國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與發(fā)展

發(fā)布時(shí)間：2025-11-24

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數(shù)據(jù)中心概要

與傳統(tǒng)建筑空間相比，數(shù)據(jù)中心散熱密度大，單位面積散熱量可達(dá)傳統(tǒng)辦公區(qū)域的40倍以上，且越來(lái)越呈現(xiàn)集中化、大型化的趨勢(shì)；同時(shí)，設(shè)備的安全性需求提高了對(duì)內(nèi)部空調(diào)溫濕度和潔凈度的要求，數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境特點(diǎn)需要數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)成全封閉結(jié)構(gòu)，依靠制冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行來(lái)達(dá)到控溫控濕的目的，這使得制冷系統(tǒng)能耗成為數(shù)據(jù)中心能耗比例不合理的一個(gè)重要因素。

數(shù)據(jù)中心暖通系統(tǒng)分析

目前我國(guó)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)主要分為以下幾種：水冷、風(fēng)冷、間接蒸發(fā)與液冷形式。

常見(jiàn)水冷系統(tǒng)形式為：水冷冷水機(jī)組+板換+末端精密空調(diào)+冷卻塔，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。該系統(tǒng)最大特點(diǎn)為系統(tǒng)成熟，是目前數(shù)據(jù)中心最為常用的冷卻系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心居高不下的高能耗使用戶(hù)愈發(fā)關(guān)注節(jié)能問(wèn)題，因此數(shù)據(jù)中心冷凍水溫度也逐步可提高到18/24度，隨著冷水機(jī)組及冷塔、板換材質(zhì)工藝和換熱效率的提升，目前水冷系統(tǒng)的年平均PUE部分地區(qū)可低于1.3；冷水系統(tǒng)最大制約因素是對(duì)水資源的消耗較為嚴(yán)重，機(jī)械制冷時(shí)水蒸發(fā)量很大，同時(shí)A級(jí)機(jī)房常規(guī)設(shè)計(jì)考慮12小時(shí)儲(chǔ)水量，需相應(yīng)配套水處理設(shè)備。

風(fēng)冷系統(tǒng)形式主要為以下兩種：1.風(fēng)冷冷水機(jī)組+末端精密空調(diào)。2.直膨式精密空調(diào)+室外機(jī)。如上所述，當(dāng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)制約于水資源的影響時(shí)，通常會(huì)選擇風(fēng)冷形式，風(fēng)冷冷水機(jī)組對(duì)占地面積有一定要求，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心其實(shí)并不適用此種方式，一是此種方案成本較高，二是目前數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜IT功率普遍都達(dá)到了5kw、8kw左右，高密機(jī)柜甚至超過(guò)20kw，機(jī)組的制冷量要求多，為了增加設(shè)備擺放空間而擴(kuò)大建筑面積并不適用與數(shù)據(jù)中心建設(shè)，此外大規(guī)模放置于建筑外圍會(huì)造成用地浪費(fèi)，因此可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)大規(guī)模數(shù)據(jù)中心基本不采用風(fēng)冷冷水機(jī)組方案。

對(duì)于直膨式精密來(lái)說(shuō)，在間接蒸發(fā)設(shè)備成熟化部署前一直是替代水冷系統(tǒng)的最佳選擇，尤其對(duì)于一些用戶(hù)無(wú)法接受水進(jìn)入機(jī)房，但此種制冷系統(tǒng)高能耗一直是各方關(guān)注的問(wèn)題，PUE甚至可達(dá)2.0以上，隨著技術(shù)的發(fā)展，氟泵空調(diào)替代了傳統(tǒng)直膨精密空調(diào)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，通過(guò)增加一個(gè)節(jié)能模塊，延長(zhǎng)了自由冷卻使用時(shí)長(zhǎng)，緩解了直膨精密空調(diào)PUE過(guò)高的問(wèn)題。該系統(tǒng)受管路長(zhǎng)度限制，目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)冷直膨精密空調(diào)冷媒管路由長(zhǎng)度在65-75米之間，超過(guò)此長(zhǎng)度將會(huì)影響設(shè)備的制冷效果。

間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組從原理上講也是屬于風(fēng)冷的一種形式，是國(guó)內(nèi)近兩年較為關(guān)注的制冷系統(tǒng)之一，不少大規(guī)模數(shù)據(jù)中心園區(qū)也使用了間接蒸發(fā)機(jī)組，其制冷原理如圖所示：

圖1 間接蒸發(fā)機(jī)組換熱原理

間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組是將室外空氣新風(fēng)和房間空氣經(jīng)過(guò)換熱器直接換熱，較傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)減少了換熱環(huán)節(jié)，換熱效率高，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組三種運(yùn)行模式：

1）“干工況”模式:數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)空氣與室外空氣在機(jī)組換熱芯體內(nèi)進(jìn)行熱交換，利用室外空氣低干球溫度，直接冷卻數(shù)據(jù)中心熱回風(fēng)。

2）“濕工況”模式:當(dāng)室外干球溫度升高，不能直接冷卻機(jī)房?jī)?nèi)空氣時(shí)，在換熱芯體上噴水，利用蒸發(fā)冷卻降溫原理，通過(guò)換熱芯體外部水分的蒸發(fā)，吸收熱量，冷卻數(shù)據(jù)中心熱回風(fēng)。

3）“DX工況”模式:數(shù)據(jù)中心熱回風(fēng)在經(jīng)過(guò)淋水換熱芯體換熱后，仍不能滿(mǎn)足服務(wù)器設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度要求時(shí)，需要開(kāi)啟機(jī)械補(bǔ)充制冷，運(yùn)行壓縮機(jī)模塊，保證服務(wù)器設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度。

間接蒸發(fā)機(jī)組機(jī)組尺寸較大，以定興地區(qū)選型250kW冷量為例，設(shè)備尺寸可達(dá)6500mm(l)x3000mm(w)x5000mm(h)，且設(shè)備送回風(fēng)口需通至機(jī)房?jī)?nèi)，因此需要在外墻側(cè)開(kāi)風(fēng)口，并做相應(yīng)封堵，增加電動(dòng)閥門(mén)，對(duì)施工質(zhì)量要求較高。相比于水冷系統(tǒng)，此系統(tǒng)更加節(jié)水，上述規(guī)格間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組耗水量?jī)H為0.8m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷水系統(tǒng)耗水量，更加利于在缺水地區(qū)推廣。

圖2間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組

近年部分廠家推出了“冰川”相變冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可理解為風(fēng)冷系統(tǒng)的一種形式，本系統(tǒng)融合了閉式冷卻塔、多聯(lián)機(jī)和氟泵精密空調(diào)的特點(diǎn)，高度模塊化，管路簡(jiǎn)單，末端形式靈活多變，可搭配熱管、列間空調(diào)、風(fēng)墻和精密空調(diào)，就精密空調(diào)而言，常規(guī)風(fēng)冷直膨精密空調(diào)機(jī)組制冷量最大到110kW左右，而“冰川”系統(tǒng)由于外置了壓縮機(jī)，室內(nèi)機(jī)冷量可達(dá)150kW。該系統(tǒng)還采用了磁懸浮壓縮機(jī)，進(jìn)一步減少了能耗，提高能效比。

圖3 “冰川”系統(tǒng)

“冰川”冷卻機(jī)組共有三種運(yùn)行模式：

1） “自由冷卻”濕球溫度低于一定值時(shí)，壓縮機(jī)完全關(guān)閉，由液泵模塊提供壓力進(jìn)行制冷劑循環(huán)，冷塔內(nèi)部降溫，實(shí)現(xiàn)自由冷卻。

2） “機(jī)械制冷”當(dāng)室外干球溫度升高，不能將冷媒介質(zhì)溫度降至適宜溫度時(shí)，開(kāi)啟壓縮機(jī)，保證室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度

3）“半自由冷卻”當(dāng)濕球溫度大于一定值時(shí)，只通過(guò)冷塔不能降冷媒完全降溫，此時(shí)開(kāi)啟噴淋模式，通過(guò)蒸發(fā)冷卻冷媒溫度。

同樣，該系統(tǒng)采取閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)，有效減少了水分的損失，不失為節(jié)水方案的推薦系統(tǒng)，筆者就“冰川”系統(tǒng)和間接蒸發(fā)進(jìn)行參數(shù)分析，關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)下表；

每種機(jī)組參數(shù)均考慮三家設(shè)備供應(yīng)商規(guī)格，選型地點(diǎn)均為河北某地，當(dāng)?shù)貥O端濕球溫度29.9℃，數(shù)據(jù)機(jī)房送回風(fēng)溫度統(tǒng)一設(shè)定為送風(fēng)溫度23±2℃，回風(fēng)溫度36±2℃，服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度滿(mǎn)足GB50174中18℃~27℃度要求，從表中數(shù)據(jù)可得，冰川系統(tǒng)在耗水量方面比間接蒸發(fā)機(jī)組低近39%，節(jié)水效果有明顯提升，從產(chǎn)品本身分析，冰川系統(tǒng)冷塔內(nèi)部換熱面積要大于間接蒸發(fā)機(jī)組，且冰川系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)為冷媒，運(yùn)行溫度較高，噴淋降溫效果明顯，因此有較大節(jié)水提升，對(duì)目前數(shù)據(jù)中心建設(shè)有一定參考意義，尤其部分地方在限制PUE同時(shí)限制WUE，上海地區(qū)明確規(guī)定WUE應(yīng)低于1.4，因此間接蒸發(fā)和冰川冷卻系統(tǒng)在上海地區(qū)可不受水資源因素制約。

液冷技術(shù)是使用流動(dòng)液體將計(jì)算機(jī)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量傳遞到計(jì)算機(jī)外，以保證計(jì)算機(jī)工作在安全溫度范圍內(nèi)的一種冷卻方法，液體的比熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，有利于提高傳熱效率，降低傳熱耗能，但也有其弊端，初期成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，有泄露風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)成本高，安全性尚未完全驗(yàn)證，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)空缺等，所以液冷系統(tǒng)目前還未在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。

液冷主要有三種形式：浸沒(méi)式、冷板和背板。

浸沒(méi)式：通過(guò)把設(shè)備浸泡在絕緣冷媒中，器件和冷媒直接熱交換完成散熱。利用冷媒自身溫差對(duì)流或增加動(dòng)力強(qiáng)化對(duì)流。如果使用相變冷媒，冷媒在受熱后氣化，在機(jī)柜頂部凝結(jié)再流回機(jī)柜。

直接液冷優(yōu)點(diǎn)：散熱能力強(qiáng)、覆蓋面大、低噪音、能效高、設(shè)備無(wú)防塵防腐問(wèn)題。

直接液冷缺點(diǎn)：臥式機(jī)柜空間利用率低、可維護(hù)性差（取出設(shè)備需清理）、僅能用于中小型設(shè)備、存在相似相溶風(fēng)險(xiǎn)、部分器件不能接觸冷媒（如光模塊、機(jī)械硬盤(pán)、線圈電感）、冷媒消耗大成本高（相變冷媒）。

圖4 浸沒(méi)式液冷示意圖

冷板式液冷：利用工作流體作為中間熱量傳輸?shù)拿浇?，將服?wù)器產(chǎn)生的熱量由熱區(qū)傳遞到遠(yuǎn)處再進(jìn)行冷卻。工作液體與被冷卻對(duì)象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過(guò)液冷板等高效熱傳導(dǎo)部件將被冷卻對(duì)象的熱量傳遞到冷媒中。

間接液冷優(yōu)點(diǎn)：散熱能力強(qiáng)、能效高、低噪音、空間利用率高、熱能可回收。

間接液冷缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜難度大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化不足且有盲點(diǎn)、設(shè)備成本高、壽命只有5-7年、存在凝露/泄露/腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、商用時(shí)間短安全性可靠性未充分驗(yàn)證。

圖5 冷板式液冷示意圖

背板液冷：利用工作流體作為中間熱量傳輸?shù)拿浇?，將服?wù)器產(chǎn)生的熱量由熱區(qū)傳遞到遠(yuǎn)處再進(jìn)行冷卻。工作液體與被冷卻對(duì)象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過(guò)服務(wù)器風(fēng)扇將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中。

背板液冷優(yōu)點(diǎn)：散熱能力強(qiáng)、能效高、低噪音、可拆卸。

背板液冷缺點(diǎn)：設(shè)備成本高、存在凝露/泄露/腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、單臺(tái)背板制冷量較?。?0kw左右）。

圖6 背板式液冷示意圖

總結(jié)

綜上，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能的要求越來(lái)越嚴(yán)格及人們環(huán)保意識(shí)的提高，數(shù)據(jù)中心評(píng)綠色節(jié)能等級(jí)愈發(fā)常規(guī)化，尤其暖通方面高能耗一直是關(guān)注重點(diǎn)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心使用制冷系統(tǒng)的分析，讀者可以對(duì)不同制冷方式系統(tǒng)特點(diǎn)、能耗有個(gè)直觀了解。

空氣側(cè)自然冷卻分為直接式空氣側(cè)自然冷卻和間接式空氣側(cè)自然冷卻，其中間接式占地面積和投資較大，自然冷卻時(shí)間有限，目前更多采用直接式空氣側(cè)自然冷卻。水側(cè)自然冷卻是大中型數(shù)據(jù)中心最為普遍的自然冷卻形式，并且方便在原有的普通冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上改造。雖然其節(jié)能效果不如空氣側(cè)自然冷卻，但不會(huì)影響室內(nèi)環(huán)境，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的有效手段。液冷目前還未大規(guī)模部署，雖然低能耗是其最大特點(diǎn)，但初投資也制約著該系統(tǒng)的發(fā)展與推廣。

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