數(shù)據(jù)中心常見冷卻方式
數(shù)據(jù)中心有多種冷卻方式,按照制冷方法可以分為機(jī)械制冷和自然冷卻,其中機(jī)械制冷可以分為風(fēng)冷直膨空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)、水冷冷凍水系統(tǒng)和集中冷卻水系統(tǒng)等架構(gòu),自然冷卻包括新風(fēng)、空氣板換、轉(zhuǎn)輪換熱、蒸發(fā)冷卻和液體冷卻等技術(shù),如圖1所示。
一 風(fēng)冷直膨系統(tǒng)
這是最傳統(tǒng)的冷卻方法,空調(diào)由內(nèi)機(jī)和外機(jī)通過氟管路連接而成,內(nèi)機(jī)由壓縮機(jī)、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成,可以實(shí)現(xiàn)制冷和氣流輸送等功能,外機(jī)則用來散熱,風(fēng)冷空調(diào)架構(gòu)非常簡單,通常一個(gè)空調(diào)內(nèi)機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)外機(jī)或者兩個(gè)外機(jī)。
1風(fēng)冷直膨系統(tǒng)原理
空調(diào)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成,制冷劑在壓縮機(jī)的作用下在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng),經(jīng)歷了液體——?dú)怏w——液體的兩相相變,完成一個(gè)制冷循環(huán),如圖3。制冷劑在蒸發(fā)器中吸收機(jī)房熱量后沸騰汽化成蒸汽,與之相對(duì)應(yīng)的壓力稱為蒸發(fā)壓力,溫度稱為蒸發(fā)溫度;壓縮機(jī)不斷地抽吸蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽并將其壓縮到冷凝壓力,然后送往室外冷凝器,制冷劑在冷凝壓力下冷凝成液體,并將放出的熱量傳給了室外空氣。
2系統(tǒng)特點(diǎn)
風(fēng)冷直膨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,布置靈活方便,由于每臺(tái)空調(diào)之間相互獨(dú)立,無單點(diǎn)故障,可靠性高,只需要采用N+X方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置,就可以滿足A級(jí)機(jī)房制冷的要求。
采用風(fēng)冷直膨空調(diào)機(jī)組時(shí),空調(diào)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)布置水平距離和垂直距離應(yīng)盡可能短,防止空調(diào)冷量衰減;外機(jī)布置要利于散熱,可根據(jù)室外現(xiàn)場(chǎng)安裝要求,適當(dāng)放大冷凝器散熱量,改善散熱并降低空調(diào)能耗,浙江地區(qū)BJIDC典型PUE值在1.71左右。
3氟泵節(jié)能
氟泵節(jié)能主要由貯液器、氟泵、管路閥門等組成,當(dāng)室外環(huán)境溫度高于室內(nèi)環(huán)境溫度時(shí),壓縮機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行,氟泵系統(tǒng)停止工作;當(dāng)室外環(huán)境溫度在5℃以下,遠(yuǎn)小于室內(nèi)環(huán)境溫度,達(dá)到系統(tǒng)控制的設(shè)定點(diǎn)時(shí),壓縮機(jī)停止工作,氟泵啟動(dòng)。蒸發(fā)器中與室內(nèi)空氣換熱后的制冷劑,直接進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器與室外冷源進(jìn)行換熱,冷卻成液態(tài)后的制冷劑在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發(fā)器繼續(xù)換熱,達(dá)到節(jié)能效果,正常工作模式有壓縮機(jī)模式、氟泵模式和聯(lián)合供冷模式,浙江地區(qū)采用氟泵技術(shù)后典型PUE值在1.43左右。
二 集中水冷冷凍水型空調(diào)
1水冷冷凍水系統(tǒng)原理
水冷冷凍水型系統(tǒng)主要由水冷主機(jī)、板換、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、末端設(shè)備、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成,如圖5。
水冷主機(jī)通過壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成液態(tài)后送到蒸發(fā)器蒸發(fā),冷凍循環(huán)水系統(tǒng)通過冷凍水泵將常溫水送入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進(jìn)行熱交換,常溫水降溫變成低溫冷凍水,冷凍水被送到末端冷卻盤管中吸收機(jī)房熱量,從而達(dá)到降低機(jī)房溫度的目的。
2水冷冷水機(jī)組特點(diǎn)
采用水冷卻和離心機(jī)組,效率高、容量大,水冷卻避免了風(fēng)冷卻夏季容易冷卻不良的缺點(diǎn),有利于系統(tǒng)運(yùn)行安全,能效更優(yōu),適合數(shù)據(jù)中心熱負(fù)荷大這種場(chǎng)景,如圖6。
3自然冷卻
水冷冷凍水系統(tǒng)采用水冷卻,不受室外干球溫度制約,在夏季時(shí)工作時(shí),效率不受影響。冬季可以使用板換獲得自然冷卻,全年能效比高。水冷冷凍機(jī)組一般使用大功率離心機(jī)組,能效在6.0以上,明顯高于風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)的壓縮機(jī)能效。缺點(diǎn)是水冷冷凍機(jī)組構(gòu)成復(fù)雜,所需設(shè)施眾為,需要冷凍機(jī)房、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、集水器、分水器等設(shè)施。水系統(tǒng)復(fù)雜,需要專業(yè)人員維護(hù)和值守。另外冷卻水系統(tǒng)需要消耗大量的冷卻水資源。水系統(tǒng)運(yùn)行中,會(huì)產(chǎn)生污垢,需要進(jìn)行水處理。
4系統(tǒng)特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):采用冷卻塔散熱,占地面積小且散熱效果好;離心壓縮能效高;冬季情況下使用板換可以實(shí)現(xiàn)免費(fèi)供冷。缺點(diǎn):系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,投資大,有冷卻和冷凍兩個(gè)水系統(tǒng),建設(shè)實(shí)施和運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜;水系統(tǒng)可靠性低,存在水浸機(jī)房可能;存在單點(diǎn)故障,需采用設(shè)備備份、環(huán)網(wǎng)或者雙系統(tǒng)來解決可靠性問題。常見布置:冷機(jī)能效高,終期負(fù)荷配備板換自然冷卻可以取得較好的能效,是目前大型數(shù)據(jù)機(jī)房中心普遍采用的方案。浙江地區(qū)某數(shù)據(jù)中心典型PUE值在1.43。
三 集中風(fēng)冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)
冷凍水側(cè)構(gòu)成比較復(fù)雜,如水泵設(shè)計(jì)可以選用單級(jí)泵,也可以選用兩級(jí)泵;水泵、冷機(jī)對(duì)應(yīng)方式也有多種形式,可以多機(jī)對(duì)多泵設(shè)計(jì),也可以是一機(jī)一泵形式;到末端管路可以單管路、雙管路和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),蓄冷方式可以考慮串聯(lián),也可以考慮并聯(lián),下列設(shè)計(jì)方式是目前數(shù)據(jù)中心典型的設(shè)置方式。
1風(fēng)冷冷凍水原理
風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng),采用風(fēng)冷水機(jī),風(fēng)冷水機(jī)是利用殼管蒸發(fā)器使水與冷媒進(jìn)行熱交換,冷媒系統(tǒng)吸收水中的熱負(fù)荷,制取冷水,風(fēng)冷水機(jī)采用風(fēng)冷翅片式冷凝器換熱,熱量由散熱風(fēng)扇向外界的大氣排放,如圖7。相比水冷冷凍水系統(tǒng),風(fēng)冷冷凍水省掉了冷卻水系統(tǒng),結(jié)構(gòu)緊湊,不需要專門的冷凍機(jī)房,運(yùn)維簡單方便。不足之處是風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)容量較小,風(fēng)冷卻夏季容易高壓,適合室外環(huán)境溫度不是太高,機(jī)房熱負(fù)荷適中的場(chǎng)景。
風(fēng)冷水機(jī)的壓縮機(jī)采用螺桿機(jī)或者磁懸浮離心機(jī)設(shè)計(jì),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)維簡單,但系統(tǒng)容量不如水冷水機(jī);設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)冷水機(jī)宜選擇磁懸浮壓縮機(jī),也可以選擇螺桿壓縮機(jī)。
2自然冷卻
風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)可以采用自然冷卻,當(dāng)室外溫度較低時(shí),可以利用冷空氣直接冷卻冷凍水,從而不開或者減少壓縮機(jī)制冷工作時(shí)間,這種方法即為自然冷卻方法,有此功能的機(jī)組叫自然冷卻機(jī)組,也可以外置配獨(dú)立自然冷卻模塊。自然冷卻模塊工作方式如圖8,冬季實(shí)現(xiàn)無壓縮機(jī)運(yùn)行制冷,節(jié)省壓縮機(jī)的電耗。
3風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)特點(diǎn)
風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)所需的附屬設(shè)施比較簡單,一般為冷凍水泵、集水器、分水器和管網(wǎng)等,相比水冷冷凍水系統(tǒng)來說,更為簡單,投資更省。
優(yōu)點(diǎn):①風(fēng)冷機(jī)組可以直接布置在室外,不需要占用專用的冷凍機(jī)房,并且無需安裝冷卻塔及泵房,維修簡單,運(yùn)行方便,無需專業(yè)人員維護(hù);②無冷卻水系統(tǒng),所以不存在冷卻水系統(tǒng)的動(dòng)力消耗和冷卻水的蒸發(fā)損耗。
缺點(diǎn):①風(fēng)冷冷凍水機(jī)組體型較大,占地面積大,同時(shí)室外機(jī)噪聲較高,風(fēng)冷卻和外機(jī)集中布置,存在熱島效應(yīng),使得外界局部空間環(huán)境條件惡化;②風(fēng)冷冷凍水運(yùn)行容易受室外環(huán)境制約,在遇到夏季高溫時(shí),效率大大降低,而且制冷量隨室外溫度升高而降低,這與數(shù)據(jù)中心總熱負(fù)荷需求趨勢(shì)正好相反。
另外,為了解決冬季情況下管路里水凍結(jié)問題,冷凍水系統(tǒng)可以加乙二醇溶液進(jìn)行防凍,加了乙二醇溶液的系統(tǒng),冬季可以較好的解決凍結(jié)的問題,東北某數(shù)據(jù)中心風(fēng)冷冷凍水配合自然冷卻模塊,典型PUE值在1.48。
四 水冷氟系統(tǒng)(集中冷卻水空調(diào)系統(tǒng))
1集中冷卻水系統(tǒng)原理
集中冷卻水主要是為了解決風(fēng)冷冷凝器無法布置和夏季高壓的問題,系統(tǒng)原理如圖9,機(jī)房空調(diào)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成,用管道連接成一封閉系統(tǒng),制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng),經(jīng)歷了液體——?dú)怏w——液體的兩相相變,完成一個(gè)制冷循環(huán)。不同的是壓縮機(jī)排出的高壓高溫氣體是進(jìn)入殼管式冷凝器和冷水交換熱量完成冷凝效果,冷卻塔出來的冷水在水泵作用下進(jìn)入到殼管冷凝器后變成熱水,回到冷卻塔,重新冷卻降溫。
2集中冷卻水組成和架構(gòu)
集中冷卻水系統(tǒng)構(gòu)成比較簡單,主要由閉式冷卻塔、水泵、殼管式冷凝器和定壓系統(tǒng)組成,典型架構(gòu)圖,為了系統(tǒng)安全,也需要考慮系統(tǒng)冗余和備份。
3集中冷卻水系統(tǒng)特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):①集中冷卻水系統(tǒng)只有冷卻水系統(tǒng),系統(tǒng)比較簡單,建設(shè)投資較省;②采用閉式冷卻塔,解決了復(fù)雜的冷卻水維護(hù)問題;③使用殼管冷凝器,解決了水進(jìn)機(jī)房的問題。
缺點(diǎn):①水系統(tǒng)的特點(diǎn),確定了存在單點(diǎn)故障,需要通過系統(tǒng)備份解決;②集中冷卻水系統(tǒng)效率介于風(fēng)冷空調(diào)和水冷冷凍水之間。場(chǎng)景:適合大中型數(shù)據(jù)中心集中冷卻水系統(tǒng),浙江地區(qū)典型PUE值在1.63,采用動(dòng)態(tài)雙冷源技術(shù)的YQ數(shù)據(jù)中心,PUE值在1.45左右。
五 雙冷源空調(diào)
為了安全,部分?jǐn)?shù)據(jù)中心有時(shí)還會(huì)選用雙冷源空調(diào),雙冷源空調(diào)就是空調(diào)系統(tǒng)具備兩種不同方式的制冷系統(tǒng),由于系統(tǒng)存在兩種不同方式的冷源,不存在單點(diǎn)故障,系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高。雙冷源可以采用冷凍水/冷凍水、冷凍水/氟制冷等多種方式,圖11為氟系統(tǒng)和冷凍水雙冷源空調(diào)機(jī),由于機(jī)組既可以采用直接蒸發(fā)制冷,也可以采用冷凍水供冷,系統(tǒng)可靠性高,無單點(diǎn)故障。
六 液體冷卻技術(shù)
隨著數(shù)據(jù)中心高密度設(shè)備的快速發(fā)展,服務(wù)器級(jí)的冷卻開始出現(xiàn)并被使用,其中最典型的就是液冷技術(shù)。液冷技術(shù),就是通過液體直接冷卻設(shè)備,液體將設(shè)備發(fā)熱元件產(chǎn)生熱量直接帶走;采用液冷,可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器等設(shè)備的自然散熱,相對(duì)于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng),更為高效節(jié)能。
液冷常用的冷卻液有水、礦物油和氟化液。其中水是一種優(yōu)秀的散熱媒介,價(jià)格低廉無污染,有良好的比熱容,但由于水并非絕緣體,只能應(yīng)用于非直接接觸型液冷技術(shù)中。礦物油,是一種價(jià)格相對(duì)低廉的絕緣冷卻液,單相礦物油無味無毒不易揮發(fā),是一種環(huán)境友好型介質(zhì),但是礦物油粘性較高比較容易殘留,特定條件下有燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。氟化液,由于具有絕緣且不燃的惰性特點(diǎn),不會(huì)對(duì)設(shè)備造成任何影響,是目前應(yīng)用中最理想最廣泛的浸沒式冷卻液,但價(jià)格較為昂貴。
按照液體與發(fā)熱器件的接觸方式,大致分為冷板式(間接接觸)、噴淋式和全浸沒式(直接接觸)。
1冷板式
就是將液冷冷板固定在服務(wù)器的主要發(fā)熱器件上,依靠流經(jīng)冷板的液體將熱量帶走達(dá)到散熱的目的;冷板液冷解決了服務(wù)器里發(fā)熱量大的器件的散熱,其他發(fā)熱量小的器件還得依靠風(fēng)冷,所以采用冷板式液冷的服務(wù)器也稱為氣液雙通道服務(wù)器;冷板的液體不接觸被冷卻器件,中間采用導(dǎo)熱板傳熱,安全性高,如圖12;不利的是采用冷板液冷后,機(jī)房還繼續(xù)需要安裝房間級(jí)空調(diào)保證機(jī)房溫度。
2噴淋式液冷
就是在機(jī)箱頂部儲(chǔ)液和開孔,根據(jù)發(fā)熱體位置和發(fā)熱量大小不同,讓冷卻液對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行噴淋,達(dá)到設(shè)備冷卻的目的,如圖13;噴淋的液體和被冷器件直接接觸,冷卻效率高;不利的是液體在噴淋過程中遇到高溫物體,會(huì)有少量飄逸和蒸發(fā)現(xiàn)象,霧滴和氣體沿機(jī)箱孔洞縫隙散發(fā)到機(jī)箱外面,造成機(jī)房環(huán)境清潔度下降或?qū)ζ渌O(shè)備造成影響。
3浸沒式液冷
將發(fā)熱元件直接浸沒在冷卻液中,依靠液體的流動(dòng)循環(huán)帶走服務(wù)器等設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。浸沒式液冷由于發(fā)熱元件與冷卻液直接接觸,散熱效率更高,相對(duì)于冷板式液冷,噪音更低,可以解決更高熱密度,是典型的直接接觸型液冷。浸沒式分為兩相液冷和單相液冷,常用的為單相液冷,散熱方式可以采用干冷器和冷卻塔等形式;兩相液冷,冷卻液在循環(huán)散熱過程中發(fā)生了相變。兩相液冷傳熱效率更高,但是控制相對(duì)復(fù)雜,相變過程中壓力會(huì)發(fā)生變化,對(duì)容器要求很高,使用過程中冷卻液易受污染,實(shí)際應(yīng)用較少。
單相液冷,冷卻液在循環(huán)散熱過程中始終維持液態(tài),不發(fā)生相變,故單相液冷要求冷卻液的沸點(diǎn)較高,這樣冷卻液揮發(fā)流失控制相對(duì)簡單,與IT設(shè)備的元器件兼容性比較好,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)范,可以采用氟化液配合干冷器或者配合冷卻塔+板換散熱。
七 常見節(jié)能技術(shù)
數(shù)據(jù)中心一年四季都需要制冷,冬季及過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí),自然界存在著豐富的冷源。合理開發(fā)利用自然冷源是降低數(shù)據(jù)中心能耗,降低機(jī)房PUE關(guān)鍵性措施。在數(shù)據(jù)中心選址、確定技術(shù)方案時(shí)應(yīng)當(dāng)因地制宜地利用開發(fā)自然冷源。根據(jù)自然冷源的載體自然冷源技術(shù)方案大致分為冷風(fēng)自然冷卻,蒸發(fā)冷卻和冷水自然冷卻。根據(jù)熱量傳遞路徑又分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式。
1新風(fēng)系統(tǒng)
直接利用室外冷空氣冷量,通過風(fēng)機(jī)將室外冷空氣過濾后直接引入到機(jī)房里,避免開啟壓縮機(jī),節(jié)省能耗,這種冷卻效率最高,適合在空氣質(zhì)量較好的情況下使用。
應(yīng)用直接新風(fēng)系統(tǒng)時(shí),需要重點(diǎn)評(píng)估所在地區(qū)的全年空氣質(zhì)量,因?yàn)槭彝饪諝庵邪谢覊m、二氧化硫、硫化氫、臭氧等有害成分,采用直接新風(fēng)時(shí)存在污染機(jī)房、腐蝕機(jī)柜的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用中需要考慮一定物理過濾、化學(xué)過濾、濕度控制等空氣處理手段,以滿足機(jī)房環(huán)境要求。
2板換系統(tǒng)
通過板換隔絕室外空氣進(jìn)行換熱,讓冷卻后的空氣送入機(jī)房。由于室外空氣無法直接進(jìn)入機(jī)房,空氣板換適合在空氣污染的環(huán)境下使用,冷卻效率要低于新風(fēng)系統(tǒng),適合在有空氣污染,不適合安裝新風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境;當(dāng)室外氣溫較高時(shí),需要機(jī)械制冷。
3轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)
這是一種全熱交換技術(shù),早期在日本東京都使用,所以也叫京都轉(zhuǎn)輪。它不僅可以交換熱量,還可以交換濕度,作用和板換換熱相似,通過轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn),讓室外空氣和室內(nèi)空氣在轉(zhuǎn)輪處進(jìn)行熱濕交換。這種方式冷卻效率較高,適合在有空氣污染、不適合安裝新風(fēng)系統(tǒng)的環(huán)境,由于使用中有輕度的交叉污染,轉(zhuǎn)輪全熱交換和板換相比并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。
4蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)
在氣候干燥的地區(qū),可以采用蒸發(fā)冷卻技術(shù),進(jìn)一步延長自然冷卻運(yùn)行的時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)最大限度的降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗,按照水和空氣是否直接接觸,蒸發(fā)冷卻技術(shù)分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻兩種方式。
①直接蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)
直接蒸發(fā)冷卻是使空氣和水直接接觸,通過水的蒸發(fā)后,空氣的溫度會(huì)下降,其特點(diǎn)是對(duì)空氣實(shí)現(xiàn)等焓加濕降溫過程,送風(fēng)降溫的極限溫度為進(jìn)風(fēng)的濕球溫度,如圖19。
使用加濕后冷卻的空氣可以對(duì)機(jī)房進(jìn)行降溫。實(shí)際使用中,可以和新風(fēng)系統(tǒng)配合使用,當(dāng)室外溫度較低時(shí),直接利用新風(fēng)降溫;當(dāng)室外溫度升高時(shí),開啟加濕系統(tǒng),水蒸發(fā)后空氣溫度降低后,再進(jìn)入機(jī)房冷卻,這樣可以延長自然冷卻的時(shí)間和效率,適合在空氣質(zhì)量較好的情況下使用,如圖20;要注意的是蒸發(fā)過程會(huì)影響機(jī)房濕度。
②間接蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)
間接蒸發(fā)冷卻是指通過非直接接觸式換熱器,將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給機(jī)房循環(huán)空氣,實(shí)現(xiàn)空氣等濕降溫的過程,如圖21,在這個(gè)過程中,二次空氣經(jīng)處理后其干球溫度和濕球溫度都下降了,而含濕量不變,對(duì)送風(fēng)氣流實(shí)現(xiàn)減焓等濕降溫過程,送風(fēng)降溫的極限溫度為進(jìn)風(fēng)的露球溫度。
通過蒸發(fā)換熱器隔絕室外空氣,室外空氣無法直接進(jìn)入機(jī)房,適合在空氣污染的環(huán)境下使用,冷卻效率雖然低于直接蒸發(fā)技術(shù),但是室外的污染物無法進(jìn)入機(jī)房,另外蒸發(fā)過程不影響機(jī)房濕度,制冷原理如圖22,間接蒸發(fā)的核心器件是蒸發(fā)模塊,其氣流組織包含兩部分,分別為機(jī)房內(nèi)氣流和室外氣流。
結(jié)束語
數(shù)據(jù)中心應(yīng)該根據(jù)建設(shè)規(guī)模、地理位置、氣象條件等特點(diǎn),選擇適合自己的制冷方式和自然冷卻方式,充分降低數(shù)據(jù)中心的冷卻成本,提升經(jīng)濟(jì)效益。