幾種機房空調系統在數據中心的應用淺析
數據中心內的IT設施一旦運行，往往需要24*365*N常年不停，持續發熱，支持數據中心運行的空調系統一旦發生中斷或供冷不足就有可能導致宕機。因此數據中心的空調系統需要滿足電子信息設備的散熱要求，需要保證供冷系統的可靠性。此外，數據中心能耗較大，能源成本對整個項目的運行維護影響重大，需要采取必要的方式、方法，盡可能降低能耗。特別是近年來，隨著雙碳戰略的落實，國家層面對節能的要求越來越嚴苛，數據中心對節能的重視程度也越來越高。
總之，數據中心的空調系統既要保證可靠性，同時還要兼顧節能。具體采用的空調形式應與建設地點的氣象參數、空氣質量、資源情況、初投資和運行費用、以及需要遵循的法律法規等因素綜合分析。
本文將對數據中心通常采用的幾種制冷方案進行多維度對比和分析，為數據中心建設之初，制冷和空調方案選擇提供思路。
一、數據中心制冷形式
常用的數據中心空調系統主要有：風側間接蒸發冷卻系統，DX系統、水冷冷凍水系統、風冷冷凍水系統，此外還有一些使用規模較少的空調系統，在數據中心也有局部應用。各種制冷系統介紹如下。
1.間接蒸發冷卻系統
間接蒸發冷卻機組（簡稱AHU）是將新風蒸發冷卻后得到的空氣的冷量，通過非直接接觸式換熱器傳遞給機房熱回風，再輔以必要的過濾、補冷等措施為機房提供滿足要求的冷卻送風。整個過程只有冷量的傳遞，沒有物質的交換，不會影響機房的空氣質量和濕度。該種方式實現冷源與負荷中心近距離接觸，可利用風側自然冷卻，系統存在干模式、噴淋模式和混合模式運行模式(見表1)，可顯著減少數據中心調系統能耗。
由于間接蒸發冷卻系統的綠色節能、安裝便捷、運維簡單等特點，近幾年該種制冷形式在國內數據中心的建設中得到廣泛應用，如華為、萬國數據、秦淮數據、世紀互聯、百度等新建的數據中心都大量采用間接蒸發冷卻機組，示例如圖1。
2.風冷直膨氟泵空調系統
風冷直膨精密空調機組本身就是一個小型的制冷循環機組，原理與傳統的空調相似，主要包括壓縮機、蒸發器、膨脹閥和冷凝器以及送風風機和控制系統等組成，分為室內機和室外機，通過銅管進行連接，連接管道為制冷劑氟利昂）應用場景。
為了提高制冷能效和利用自然冷源，很多廠家研發了氟泵空調，在原有的直膨式制冷循環系統中增加了氟泵，在冬季溫度較低時，氟泵開啟壓縮機關閉，利用氟泵實現制冷劑在銅管內的循環。
3.風冷冷凍水系統
風冷冷凍水系統是冷凍水制備的一種方式，主要由風冷機組及配套設施組成。風冷機組的液態制冷劑在其蒸發器盤管內直接蒸發（膨脹）實現對盤管外的冷凍水吸熱而制冷，機組的氣態制冷劑通過室外風冷的方式冷卻為液態，從而實現制冷循環。為適應數據中心利用自然冷源的設計方案，機組廠家已研發出帶自然冷卻的風冷冷水機組。
4.水冷冷凍水系統
水冷冷凍水系統的原理與風冷冷水原理相似，系統上的區別主要在于水冷冷凍水系統采用的是水冷機組，冷凝器的冷卻方式為水冷，利用含有冷卻塔的冷卻水實現對冷凝器的冷卻，由于水冷散熱更優，使得冷水機組的能效較高。水冷冷水機組為室內放置，且多采用大型螺桿機或離心機，單臺機組制冷量可比風冷機組大。
5.其他制冷系統
很多大型互聯網公司例如Google、Facebook等，通過改變服務器電源架構，改變CPU布局，改變散熱方式，提升服務器耐高溫性能，采用分布式電池，采用液冷服務器等方法，取得了較好的節能效果。但其技術措施需要對IT設備進行深度定制，沒有大規模采購是無法維系的，一般企業因此無法采納。特別是液冷，造價相對比較高，主要應用于高熱量的高性能計算領域，規模都不大，整體生態還需待完善，主要是阿里巴巴、華為、浪潮、中科曙光等頭部IT企業在該技術上的探索和布局。
某些數據中心，在合適的區域采用了全新風系統，也能有很好的節能效果，但全新風系統，難以阻擋不滿足要求的空氣進入機房，給IT設施的運行帶來風險，大多數客戶也是不能接受的。
此外，還有“冰川”制冷等新型技術方案，是近年來研發并在數據中心領域開始使用的新產品，全球的應用案例較少，且沒有其他領域的應用案例。其運維管理經驗、產業鏈成熟度、實際運維效果、產品迭代速度等還有待經歷市場考驗。
二、制冷系統形式的比較
數據中心的制冷架構的搭建，應從多方面進行綜合評比，應考慮制冷能效、建設周期、施工難度、Capex、PUE等內容，結合北京地區氣象參數，本文對現在數據中心建設中傳統的制冷形式進行了對比分析，對比結果如表2。
從上述比較中可以看出：
（1)從可靠性來看，風冷空調(帶氟泵)和間接蒸發組合式空調箱方案可用性更高。
理論上，各種空調方式都能滿足國標ABC級相關要求，也能實現Uptime Institute TIER Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ規規定的可靠性功能，能夠實現不間斷供冷。但相較冷凍水系統，風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發組合式空調方案更簡單，可能的故障種類少，故障影響范圍小，維護的用時也會更短，因此擁有更高的可靠性。冷凍水系統，一旦出現冷凍站著火或主管路故障，就有可能發生整個系統崩塌的大范圍故障，這類故障影響范圍大，修復也需要更多的時間。
（2)從節電維度看，間接蒸發方案用電更少，更符合綠色數據中心的建設要求。
間接蒸發冷卻系統即使在最炎熱的夏天，也能有一半以上的負荷可以通過自然冷卻（蒸發冷卻）帶走，自然冷卻的利用更充分，可以大幅降低數據中心制冷系統能耗，在全國絕大多數地區的PUE基本介于1.15-1.3之間。間接蒸發冷卻全年只有部分時間需要用水，用水量遠低于水冷冷凍水系統，同時設備可以選擇節水或節電模式運行，可基于IT負載和資源情況，實現制冷量與資源情況匹配。傳統冷凍水方案無法全年利用自然冷卻，存在完全機械制冷工況，在絕大多數地區，機械制冷的應用時間都比較長，PUE沒有優勢。
（3)從施工運維看，風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發方案更加靈活，便于項目分期建設。
風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發機組單個設備就是一個制冷單元，設備的集成度高，可以根據項目建設需求進行部署，整體建設周期短，后期運維也較簡單。系統的架構簡單，設備種類單一，沒有復雜的管路，需要現場安裝的工程量少，安裝調試也相對簡單，交付周期短。并且可以根據業務需要分期靈活擴容，擴容時也不會對已經運行的設施造成不利影響。這些優點是冷凍水系統無法比擬的。
（4)從建筑適用度看，風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發制冷方案有其存在的限制。
風冷系統（帶氟泵）由于其本身整機架構系統小，且能效相對較低，內外機的距離和高差受到較大限制，一般只用于小型數據中心或配合其他系統使用。AHU方案也與建筑整體構造有很強的相關性，建筑設計需滿足設備的安裝使用要求，對于結構主體已經建設好的數據中心而言采用該系統的可能性小，需要在建筑設計時前期提前規劃，按照該系統建設要求設計。
三、結論
目前數據中心行業最主流的制冷方案是冷凍水和間接蒸發冷卻方案，其中冷凍水已經規模應用了十年以上，但近兩三年內新建或待建的數據中心特別是黃河以北的項目，則更多采用了間接蒸發冷卻的方案，包括騰訊（清遠、懷來等多地）、快手（烏蘭察布)、萬國（廊坊）、秦淮（懷來、大同)、中聯（大同）、江天（天津）、中行（內蒙）農行（內蒙）等，涉及互聯網、COLO、金融、政府等多個行業。海外眾多數據中心運營商在最近幾年的建設中，也在減少了冷凍水方案的應用，取而代之的則是間接蒸發冷卻方案。總之，冷凍水系統屬于傳統系統，在存量或高層樓宇數據中心應用較多，間接蒸發冷卻方案是新建數據中心的首選方案，其他制冷方式屬于非主流方案，只有一些零星試點，幾乎沒有大規模應用案例。
總之，數據中心的空調系統既要保證可靠性，同時還要兼顧節能。具體采用的空調形式應與建設地點的氣象參數、空氣質量、資源情況、初投資和運行費用、以及需要遵循的法律法規等因素綜合分析。
本文將對數據中心通常采用的幾種制冷方案進行多維度對比和分析，為數據中心建設之初，制冷和空調方案選擇提供思路。
一、數據中心制冷形式
常用的數據中心空調系統主要有：風側間接蒸發冷卻系統，DX系統、水冷冷凍水系統、風冷冷凍水系統，此外還有一些使用規模較少的空調系統，在數據中心也有局部應用。各種制冷系統介紹如下。
1.間接蒸發冷卻系統
間接蒸發冷卻機組（簡稱AHU）是將新風蒸發冷卻后得到的空氣的冷量，通過非直接接觸式換熱器傳遞給機房熱回風，再輔以必要的過濾、補冷等措施為機房提供滿足要求的冷卻送風。整個過程只有冷量的傳遞，沒有物質的交換，不會影響機房的空氣質量和濕度。該種方式實現冷源與負荷中心近距離接觸，可利用風側自然冷卻，系統存在干模式、噴淋模式和混合模式運行模式(見表1)，可顯著減少數據中心調系統能耗。
由于間接蒸發冷卻系統的綠色節能、安裝便捷、運維簡單等特點，近幾年該種制冷形式在國內數據中心的建設中得到廣泛應用，如華為、萬國數據、秦淮數據、世紀互聯、百度等新建的數據中心都大量采用間接蒸發冷卻機組，示例如圖1。
2.風冷直膨氟泵空調系統
風冷直膨精密空調機組本身就是一個小型的制冷循環機組，原理與傳統的空調相似，主要包括壓縮機、蒸發器、膨脹閥和冷凝器以及送風風機和控制系統等組成，分為室內機和室外機，通過銅管進行連接，連接管道為制冷劑氟利昂）應用場景。
為了提高制冷能效和利用自然冷源，很多廠家研發了氟泵空調，在原有的直膨式制冷循環系統中增加了氟泵，在冬季溫度較低時，氟泵開啟壓縮機關閉，利用氟泵實現制冷劑在銅管內的循環。
3.風冷冷凍水系統
風冷冷凍水系統是冷凍水制備的一種方式，主要由風冷機組及配套設施組成。風冷機組的液態制冷劑在其蒸發器盤管內直接蒸發（膨脹）實現對盤管外的冷凍水吸熱而制冷，機組的氣態制冷劑通過室外風冷的方式冷卻為液態，從而實現制冷循環。為適應數據中心利用自然冷源的設計方案，機組廠家已研發出帶自然冷卻的風冷冷水機組。
4.水冷冷凍水系統
水冷冷凍水系統的原理與風冷冷水原理相似，系統上的區別主要在于水冷冷凍水系統采用的是水冷機組，冷凝器的冷卻方式為水冷，利用含有冷卻塔的冷卻水實現對冷凝器的冷卻，由于水冷散熱更優，使得冷水機組的能效較高。水冷冷水機組為室內放置，且多采用大型螺桿機或離心機，單臺機組制冷量可比風冷機組大。
5.其他制冷系統
很多大型互聯網公司例如Google、Facebook等，通過改變服務器電源架構，改變CPU布局，改變散熱方式，提升服務器耐高溫性能，采用分布式電池，采用液冷服務器等方法，取得了較好的節能效果。但其技術措施需要對IT設備進行深度定制，沒有大規模采購是無法維系的，一般企業因此無法采納。特別是液冷，造價相對比較高，主要應用于高熱量的高性能計算領域，規模都不大，整體生態還需待完善，主要是阿里巴巴、華為、浪潮、中科曙光等頭部IT企業在該技術上的探索和布局。
某些數據中心，在合適的區域采用了全新風系統，也能有很好的節能效果，但全新風系統，難以阻擋不滿足要求的空氣進入機房，給IT設施的運行帶來風險，大多數客戶也是不能接受的。
此外，還有“冰川”制冷等新型技術方案，是近年來研發并在數據中心領域開始使用的新產品，全球的應用案例較少，且沒有其他領域的應用案例。其運維管理經驗、產業鏈成熟度、實際運維效果、產品迭代速度等還有待經歷市場考驗。
二、制冷系統形式的比較
數據中心的制冷架構的搭建，應從多方面進行綜合評比，應考慮制冷能效、建設周期、施工難度、Capex、PUE等內容，結合北京地區氣象參數，本文對現在數據中心建設中傳統的制冷形式進行了對比分析，對比結果如表2。
從上述比較中可以看出：
（1)從可靠性來看，風冷空調(帶氟泵)和間接蒸發組合式空調箱方案可用性更高。
理論上，各種空調方式都能滿足國標ABC級相關要求，也能實現Uptime Institute TIER Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ規規定的可靠性功能，能夠實現不間斷供冷。但相較冷凍水系統，風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發組合式空調方案更簡單，可能的故障種類少，故障影響范圍小，維護的用時也會更短，因此擁有更高的可靠性。冷凍水系統，一旦出現冷凍站著火或主管路故障，就有可能發生整個系統崩塌的大范圍故障，這類故障影響范圍大，修復也需要更多的時間。
（2)從節電維度看，間接蒸發方案用電更少，更符合綠色數據中心的建設要求。
間接蒸發冷卻系統即使在最炎熱的夏天，也能有一半以上的負荷可以通過自然冷卻（蒸發冷卻）帶走，自然冷卻的利用更充分，可以大幅降低數據中心制冷系統能耗，在全國絕大多數地區的PUE基本介于1.15-1.3之間。間接蒸發冷卻全年只有部分時間需要用水，用水量遠低于水冷冷凍水系統，同時設備可以選擇節水或節電模式運行，可基于IT負載和資源情況，實現制冷量與資源情況匹配。傳統冷凍水方案無法全年利用自然冷卻，存在完全機械制冷工況，在絕大多數地區，機械制冷的應用時間都比較長，PUE沒有優勢。
（3)從施工運維看，風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發方案更加靈活，便于項目分期建設。
風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發機組單個設備就是一個制冷單元，設備的集成度高，可以根據項目建設需求進行部署，整體建設周期短，后期運維也較簡單。系統的架構簡單，設備種類單一，沒有復雜的管路，需要現場安裝的工程量少，安裝調試也相對簡單，交付周期短。并且可以根據業務需要分期靈活擴容，擴容時也不會對已經運行的設施造成不利影響。這些優點是冷凍水系統無法比擬的。
（4)從建筑適用度看，風冷空調（帶氟泵）和間接蒸發制冷方案有其存在的限制。
風冷系統（帶氟泵）由于其本身整機架構系統小，且能效相對較低，內外機的距離和高差受到較大限制，一般只用于小型數據中心或配合其他系統使用。AHU方案也與建筑整體構造有很強的相關性，建筑設計需滿足設備的安裝使用要求，對于結構主體已經建設好的數據中心而言采用該系統的可能性小，需要在建筑設計時前期提前規劃，按照該系統建設要求設計。
三、結論
目前數據中心行業最主流的制冷方案是冷凍水和間接蒸發冷卻方案，其中冷凍水已經規模應用了十年以上，但近兩三年內新建或待建的數據中心特別是黃河以北的項目，則更多采用了間接蒸發冷卻的方案，包括騰訊（清遠、懷來等多地）、快手（烏蘭察布)、萬國（廊坊）、秦淮（懷來、大同)、中聯（大同）、江天（天津）、中行（內蒙）農行（內蒙）等，涉及互聯網、COLO、金融、政府等多個行業。海外眾多數據中心運營商在最近幾年的建設中，也在減少了冷凍水方案的應用，取而代之的則是間接蒸發冷卻方案。總之，冷凍水系統屬于傳統系統，在存量或高層樓宇數據中心應用較多，間接蒸發冷卻方案是新建數據中心的首選方案，其他制冷方式屬于非主流方案，只有一些零星試點，幾乎沒有大規模應用案例。
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