數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展的制冷技術(shù)，例如：風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)及風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)等。同時(shí)，分析了國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的應(yīng)用差異及將來數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的進(jìn)展趨勢。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；制冷；能效；機(jī)房；效勞器AbstractThispaperbrieflyreviewsthedevelopmentofdatacentercoolingtechnology,enumeratesandanalyzesthecoolingtechnologiesindatacenterdevelopmentperiod.Theenumeratedtechnologiesincludesdirectexpansionair-conditioningsystem,watersidecoolingsystem,watersidefreecoolingsystemandairsidefreecoolingsystem,etc.Atthesametime,thepaperanalyzesthedifferenceofdatacentercoolingtechnologyapplicationbetweenthedomesticandoverseasaswellasthetendencyofdatacentercoolingtechnologyinthefuture.Keywordsdatacenter;cooling;efficiency;computerroom;server前言隨著云計(jì)算為核心的第四次信息技術(shù)革命的迅猛進(jìn)展興產(chǎn)業(yè)，成為一代信息產(chǎn)業(yè)的重要組成局部和將來3-5年全球角逐的焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心不心進(jìn)展政策和布局已上升到國家戰(zhàn)略層面?！怖缤ㄐ藕痛鎯?chǔ)系統(tǒng)其中，制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心是耗電大戶，約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的30~45%。降低制冷系統(tǒng)的能耗是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率的最直接和最有效措施應(yīng)用，并展望了將來數(shù)據(jù)中心的進(jìn)展方向。風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)及主要送風(fēng)方式1994年4月，NCFC〔中關(guān)村訓(xùn)練與科研示范網(wǎng)絡(luò)〕領(lǐng)先與美國NSFNET直接互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了中國與Internet全功能網(wǎng)絡(luò)連接，標(biāo)志著我國最早的國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的誕生。2022~2022年間中國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)全面起步和推廣，此時(shí)的數(shù)據(jù)中心正處于雛形階段，更多的計(jì)算機(jī)房業(yè)務(wù)量不大，機(jī)架位不多，規(guī)模也較小，IT設(shè)備形式多種多樣，單機(jī)柜功耗一般是1~2kw。受當(dāng)時(shí)技術(shù)所限，IT度精度到達(dá)±1℃，相對濕度精度到達(dá)±5%，干凈度到達(dá)十萬級(jí)。依據(jù)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平，計(jì)算機(jī)房多承受了風(fēng)冷直膨式周密空調(diào)維持IT設(shè)備的工作環(huán)境，保證IT設(shè)備正常運(yùn)行。和把握系統(tǒng)等，制冷劑一般為氟里昂，單機(jī)制冷量10-120KW。原理如圖1所示。每套空調(diào)相對獨(dú)立把握和運(yùn)行，屬于分散式系統(tǒng)，易于形成冗余，牢靠性較高，具有安裝和維護(hù)簡潔等優(yōu)點(diǎn)，是這個(gè)時(shí)期數(shù)據(jù)中心大量承受的空調(diào)方案。缺點(diǎn)是設(shè)備能效比較低，COP(CoefficientOfPerformance3.0，室內(nèi)外機(jī)受到管道距離限制。1：風(fēng)冷直膨式周密空調(diào)原理圖風(fēng)冷直膨式周密空調(diào)室內(nèi)機(jī)一般部署在機(jī)房一側(cè)或兩側(cè)送風(fēng)管道，冷空氣通過風(fēng)管下方開設(shè)的送風(fēng)百葉送出，經(jīng)IT設(shè)備升溫后負(fù)壓返回空調(diào)機(jī)。應(yīng)用較多。2風(fēng)管上送風(fēng)案例種氣流組織方式。這種方式利用架空地板下部空間作為送風(fēng)靜壓箱，削減了送風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)壓，增加靜壓并穩(wěn)定氣流?？照{(diào)機(jī)將冷空氣送至地板下，通過送風(fēng)地板通孔送出，由IT設(shè)備前端進(jìn)風(fēng)口吸入。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)房內(nèi)各點(diǎn)送風(fēng)量可以通過送風(fēng)地板通孔率調(diào)整，同時(shí)，通需求的增長和調(diào)整，地板下敷設(shè)的電纜不斷增加，導(dǎo)致送風(fēng)不暢，甚至形成火災(zāi)隱患。水冷系統(tǒng)

3地板下送風(fēng)案例2022~2022年間互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高速進(jìn)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求猛增，原本規(guī)模小、功率密度低的數(shù)據(jù)中心必需要擔(dān)當(dāng)更多的IT設(shè)備。此時(shí)的單機(jī)柜功率密度增加至3~5kw，數(shù)據(jù)中心的心能耗急劇增加，節(jié)能問題開頭受到重視。COP(CoefficientOfPerformance)較低，在北京地區(qū)COP約為2.5~3.0，空調(diào)設(shè)備耗電驚人，在數(shù)據(jù)中心整體耗電中占比很高。而且，隨著裝應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中，由于冷水機(jī)組的COP可以到達(dá)3.0~6.0，大型離心冷水機(jī)組甚至更高，承受冷凍水系統(tǒng)可以大幅降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗。端組成。系統(tǒng)承受集中式冷源，冷水機(jī)組制冷效率高，冷卻塔放置位置機(jī)敏，可有效把握噪方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。4：水冷系統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)應(yīng)用最多的空調(diào)末端是通冷凍水型周密空調(diào)，其單臺(tái)制冷量可以到達(dá)150kw以上。送風(fēng)方式與之前的風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)變化不大，僅僅是末端內(nèi)的冷卻媒質(zhì)發(fā)生IT水側(cè)自然冷卻和型空調(diào)末端2022~至今，隨著數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)的進(jìn)展和人們對數(shù)據(jù)中心能耗的進(jìn)一步關(guān)注和追求，自然冷卻的理念漸漸被應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心中。機(jī)組，通過冷卻塔與板式換熱器“免費(fèi)”制取冷源，削減數(shù)據(jù)中心運(yùn)行能耗。水側(cè)自然冷卻渡季節(jié)則將較低溫的冷卻水與較高溫的冷凍水進(jìn)展預(yù)冷卻后再進(jìn)入冷水機(jī)組低冷水機(jī)組負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)間的目的。5：水冷系統(tǒng)自然冷卻系統(tǒng)原理傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的冷凍水溫度一般為7/12℃，以北京地區(qū)為例，全年39%的時(shí)間可以利用自然冷卻，假設(shè)將冷凍水提高到10/15℃，全年自然冷卻時(shí)間將延長至46%。同時(shí)由于蒸發(fā)溫度的提高，冷水機(jī)組COP可以提升10%。另一方面，隨著效勞器耐受溫度的提升，15/21℃，全年自然冷卻時(shí)間可以到達(dá)70%甚至更長。自然冷卻系統(tǒng)日漸成熟，已經(jīng)成為我國當(dāng)前數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)中最受認(rèn)可的空調(diào)系統(tǒng)方案。我國目前PUE能效治理最正確的數(shù)據(jù)中心也正是基于水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，全年P(guān)UE已實(shí)現(xiàn)1.32。在冷源側(cè)系統(tǒng)不斷演進(jìn)進(jìn)展的同時(shí)，型空調(diào)末端形式也層出不窮。傳統(tǒng)的機(jī)房周密空調(diào)機(jī)組構(gòu)造形式相對固定，設(shè)備厚度一般為600mm，寬度為2500mm左右，風(fēng)量約27000m3/h，其機(jī)組內(nèi)部風(fēng)速到達(dá)7米/秒，空氣阻力很大，風(fēng)機(jī)大量的壓力損失在了機(jī)組內(nèi)部，造成了很大的能量鋪張。一般配置了450Pa風(fēng)機(jī)全壓的空200Pa。圖6所示的AHU風(fēng)機(jī)矩陣是一種型的空調(diào)末端，運(yùn)行時(shí)由AHU設(shè)備的回風(fēng)口吸入機(jī)房熱回風(fēng)，挨次經(jīng)過機(jī)組內(nèi)部的過濾器、表冷器等功能段。降溫后的空氣由設(shè)置在AHU前部的風(fēng)機(jī)矩陣水平送入機(jī)房，冷空氣送入機(jī)房冷區(qū)，即機(jī)柜正面，冷卻IT后升溫排至熱區(qū)，型的空調(diào)末端轉(zhuǎn)變了機(jī)房布置和傳統(tǒng)周密空調(diào)機(jī)組的內(nèi)部構(gòu)造風(fēng)速可以把握在3米/秒以下，削減了空氣在設(shè)備內(nèi)部屢次轉(zhuǎn)變方向并大幅減小部件布置緊湊導(dǎo)致的阻力。末端能耗最多降低約30%。6：AHU行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)〔Inrow〕和頂置冷卻單元〔OCU〕是一種將空調(diào)末端部署位置從遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的機(jī)房兩側(cè)移至靠近IT機(jī)柜列間或機(jī)柜頂部的空調(diào)末端側(cè)的優(yōu)化，形成了我們稱之為靠近負(fù)荷中心的集中式制冷方式。行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、表冷盤管，水路調(diào)整裝置、溫濕度傳感器等組成，設(shè)備布置在IT機(jī)柜列間。行級(jí)空調(diào)通過內(nèi)部風(fēng)機(jī)將封閉通道的熱空氣輸送至表冷盤管，實(shí)現(xiàn)冷卻降溫，IT設(shè)備依據(jù)自身需求將低溫的冷通道空氣引入，通過效勞器風(fēng)扇排至封閉的熱通道，實(shí)現(xiàn)水平方向的空氣循環(huán)。行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)〔Inrow〕因靠近負(fù)荷節(jié)裝置、溫濕度傳感器等組成，設(shè)備本身不再配置風(fēng)機(jī)，表冷盤管設(shè)置于機(jī)柜頂部。IT機(jī)柜頂部的頂置冷卻單元表冷盤管降溫后，因熱壓作用開頭下降，并再由IT機(jī)柜風(fēng)扇吸進(jìn)IT設(shè)備降溫，實(shí)現(xiàn)垂直方向的空氣循環(huán)。頂置冷卻單元〔OCU〕因其本身就沒有配置風(fēng)扇，熱0。以華北地區(qū)某個(gè)應(yīng)用了行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)〔Inrow〕和頂置冷卻單元〔OCU〕冷卻技術(shù)的大型數(shù)據(jù)中心PUE1.37：行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)〔Inrow〕和頂置冷卻單元〔OCU〕從傳統(tǒng)周密空調(diào)到行級(jí)空調(diào)系統(tǒng)，再到頂置冷卻單元，不難覺察，空機(jī)械制冷或者不使用機(jī)械制冷，這將大大降低制冷系統(tǒng)能耗。風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)與水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)相比，風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)〔FreeCooling或Air-sideeconomization〕削減了能量轉(zhuǎn)換和傳遞環(huán)節(jié)，節(jié)能效果更加直接和顯著。風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是指室外空氣直接通過濾網(wǎng)或者是間接通過換熱器將室外空氣冷量帶入到數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)，對IT設(shè)備進(jìn)展降溫的冷卻技術(shù)。依據(jù)室外空氣是否進(jìn)入機(jī)房內(nèi)部空間，可分為直接風(fēng)側(cè)自統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中制冷機(jī)組生產(chǎn)低溫冷媒對數(shù)據(jù)中心降溫，可顯著削減數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗。Google，F(xiàn)acebook等互聯(lián)網(wǎng)巨頭在美國、歐洲等氣候條件良好的地區(qū)建設(shè)的應(yīng)用直接風(fēng)側(cè)自然冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中，PUE1.07。如圖9所示，我國大局部地區(qū)全年平均氣溫在20℃以下，從溫度分布角度計(jì)算，格外適合承受風(fēng)側(cè)自然冷卻方案。9：我國年平均氣溫分布度10反映了全球PM2.5的分布狀況，從中可以看出我國，尤其是華北地區(qū)的空氣污染狀況格外嚴(yán)峻，大氣環(huán)境中的水分〔水分〕、污染物〔主要有SO42-，NO3-，CL-〕和氧氣會(huì)使得IT設(shè)備上的金屬元器件加速腐蝕、非金屬元器件加速老化，對IT設(shè)備造成永久性損壞。對國內(nèi)多個(gè)地區(qū)的空氣質(zhì)量的持續(xù)測試也印證了這一點(diǎn)〔如圖11所示。在如此惡劣的環(huán)境條件下，假設(shè)將風(fēng)直接引入機(jī)房，將直接威逼IT設(shè)備的安全運(yùn)行，國內(nèi)已經(jīng)有多起由于直接風(fēng)的引入而導(dǎo)致IT設(shè)備故障的失敗案例，不僅造成了硬件損壞而且還影響了業(yè)務(wù)的正常運(yùn)營。10：全球PM2.511：空氣質(zhì)量檢測結(jié)果因此，ISA-71.04-1985中明確了有害氣體對IT設(shè)備的影響。12ISA-71.04-1985目前，解決有害氣體對數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備危害的方法主要是承受化學(xué)處理法，即針對不再威逼業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行。熱。13間接風(fēng)側(cè)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)高，應(yīng)用場景受到限制，不具備大規(guī)模推廣的意義。進(jìn)展展望隨著電子產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展，IT設(shè)備對運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性越來越強(qiáng)，這給數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)溫效勞器已經(jīng)能在3580%的時(shí)間無需機(jī)械制冷，制冷系統(tǒng)能耗將進(jìn)一步降低。隨著高溫效勞器的進(jìn)一步進(jìn)展，進(jìn)風(fēng)溫度40℃條件下年100%自然冷卻。當(dāng)高溫效勞器進(jìn)風(fēng)溫度支持40℃時(shí)，效勞器排風(fēng)將會(huì)超過50℃時(shí)，此系統(tǒng)帶來徹底的變革，直接風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)將會(huì)大規(guī)模應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心全年P(guān)UE<1.1將成為現(xiàn)實(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將不行估量