淺談數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)

丁國余

上海華東電腦股份有限公司 上海 200000

1 概述

現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心機(jī)房中都包括大量的計(jì)算機(jī)設(shè)備，對(duì)于這種場所的環(huán)境，都要求制冷系統(tǒng)必須在所有的時(shí)間都有效，擴(kuò)容容易，維護(hù)簡便，有冗余，最重要的是性價(jià)比高。數(shù)據(jù)中心機(jī)房是現(xiàn)代信息化建設(shè)的基礎(chǔ)工程，為各個(gè)業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境，而機(jī)房的制冷系統(tǒng)就是這基礎(chǔ)工程的核心，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際需求選擇合理的制冷技術(shù)，保證制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定，能夠保障其它系統(tǒng)發(fā)揮作用和核心業(yè)務(wù)正常運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心有一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并于2005年4月，TIA技術(shù)委員會(huì)建立了世界上第一個(gè)綜合數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)TIA-942“數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)”。經(jīng)（TR42）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）批準(zhǔn)。通過制定綜合性國外標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)數(shù)據(jù)中心也創(chuàng)建了相關(guān)的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范GB50174-2017“電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范”也于2017年5月4日發(fā)布于2018年1月1月1日開始實(shí)施。GB50174-2017中數(shù)據(jù)中心的分類規(guī)則如下：電子信息系統(tǒng)室分為三個(gè)層次：A，B和C[1]。

3 數(shù)據(jù)中心制冷節(jié)能措施

（1）縮短冷熱氣傳輸距離，減少傳輸阻力：涉及到IT機(jī)房面積和長寬尺寸、送風(fēng)方案（下送上回或上送下回）、是否鋪設(shè)送風(fēng)和回風(fēng)管道、下送風(fēng)地板高度。

（2）防止冷熱氣流混合：涉及到機(jī)架隔板的配置、機(jī)房冷熱通道布局、空調(diào)設(shè)備的正確安放、冷或熱通道封閉。

（3）就近制冷：對(duì)高密度機(jī)架采用就近制冷方案，可非常有效的減少冷熱氣流的混合，并大幅度降低空調(diào)功率，涉及到高密度機(jī)架的功率、數(shù)量和布局。另外，還必須配備就近制冷設(shè)備需要的冷源。

4 數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)

4.1 風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)

風(fēng)冷直接膨脹精密空調(diào)主要包括壓縮機(jī)，蒸發(fā)器，膨脹閥，冷凝器，鼓風(fēng)機(jī)，加濕器，控制系統(tǒng)等。制冷劑一般為氟利昂，單機(jī)制冷量為10-120千瓦。由于每個(gè)空調(diào)器相對(duì)獨(dú)立地控制和操作，因此具有容易冗余，高可靠性，易于安裝和維護(hù)，低能效和COP（性能系數(shù)）的優(yōu)點(diǎn)。該值小于3.0。外部單元受管道距離的限制。

4.2 風(fēng)冷冷水機(jī)組

風(fēng)冷冷水機(jī)組為冷源生產(chǎn)冷凍水，機(jī)組生產(chǎn)的低溫冷凍水通過循環(huán)水泵進(jìn)入冷凍水/冷媒換熱器，空調(diào)末端采用冷媒/冷凍水換熱型式精密空調(diào)，冷媒經(jīng)換熱器與冷凍水換熱后進(jìn)入機(jī)房空調(diào)，冷凍水管不進(jìn)入機(jī)房。

4.3 水冷型冷水機(jī)組

傳統(tǒng)的風(fēng)冷直接膨脹系統(tǒng)具有相對(duì)較低的能量效率和消耗設(shè)備功率，因此在數(shù)據(jù)中心建筑物中安裝風(fēng)冷式冷凝器的位置非常差，并且數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展受到限制。這是。此時(shí)，冷凍水系統(tǒng)將逐步應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)，冷水機(jī)組的COP可達(dá)3.0-6.0，大型渦輪冷水機(jī)組將更高，因此冷凍水系統(tǒng)將在數(shù)據(jù)中心消耗更多能源您可以顯著減少金額。

冷凍水系統(tǒng)主要包括冷卻器，冷卻塔，冷凍水泵，冷凍水泵和冷凍水型空調(diào)器端。該系統(tǒng)采用集中式冷卻源，冷卻系統(tǒng)冷卻效率高，冷卻塔處于靈活位置，有效抑制噪音，便于建筑美觀。

5 數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)

5.1 水側(cè)自然冷卻

冬季室外溫度低，采用水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，冬季無需打開機(jī)械式冰箱，冷卻塔和板式換熱器“自由”制冷熱源 降低中心的能耗。水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是原始冷水系統(tǒng)上方的一組板式換熱器和相關(guān)的開關(guān)閥，冷卻器的機(jī)械冷卻仍然在炎熱的天氣中使用并由冷卻塔制備 低溫冷卻水用于寒冷季節(jié)。通過與高溫冷水進(jìn)行熱交換，可以在過渡期冷卻前預(yù)冷低溫冷卻水和高溫冷水，以縮短冷卻負(fù)荷和運(yùn)行時(shí)間。

5.2 采用二級(jí)盤管作為節(jié)能冷卻模式

在這種類型的節(jié)能冷卻模式下，直膨式機(jī)房精密空調(diào)包含一個(gè)獨(dú)立的二級(jí)冷凝水盤管，可在節(jié)能冷卻模式時(shí)使用。當(dāng)室外空氣條件在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，泵將冷凝水送入并穿過干式冷卻器，在這里利用室外冷風(fēng)使冷凝水冷卻，然后將冷卻后的冷凝水送到機(jī)房精密空調(diào)的二級(jí)盤管。

6 數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)發(fā)展趨勢

6.1 節(jié)能方案和節(jié)能機(jī)房空調(diào)設(shè)備將大行其道

隨著綠色數(shù)據(jù)中心概念的深化，制冷系統(tǒng)的節(jié)能比以往任何時(shí)候都更受關(guān)注。制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的高功率消費(fèi)者，占總能耗的30%-45%。在節(jié)能方案方面，也呈現(xiàn)百花齊放的現(xiàn)象，如優(yōu)化送風(fēng)方式、采用冷熱通道布局、冷熱通道隔離、智能群控、利用室外自然冷源等多種方案。

6.2 動(dòng)態(tài)制冷更能適應(yīng)虛擬化的需求

數(shù)據(jù)中心虛擬化的發(fā)展導(dǎo)致服務(wù)器和其他設(shè)備產(chǎn)生更大的熱波動(dòng)，例如時(shí)間和空間的變化。這相應(yīng)地要求冷卻系統(tǒng)適應(yīng)這種趨勢，提供動(dòng)態(tài)冷卻解決方案以滿足不同的時(shí)間和空間要求。目前，主要的應(yīng)用技術(shù)是變排量壓縮機(jī)，風(fēng)量智能調(diào)節(jié)技術(shù)（溫度控制或風(fēng)壓控制），以及柱間制冷。

6.3 高熱密度制冷將成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然之路

伴隨著數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器的發(fā)展，高熱密度冷卻的需求已經(jīng)越來越強(qiáng)烈，并將在未來幾年逐漸滲透到各類型的數(shù)據(jù)中心。高熱密度冷卻在方案和設(shè)備上均和傳統(tǒng)的方案有較大的區(qū)別，冷卻末端越來越靠近熱源，以便提供更大的散熱能力和降低運(yùn)行成本。

7 結(jié)論

隨著高密度IT設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)中心資源的要求致使服務(wù)器和存儲(chǔ)的數(shù)量大幅度增長，機(jī)架化的配置，使熱量進(jìn)一步集中，能源成本不斷攀升以及人們對(duì)綠色環(huán)保的愈加重視促使節(jié)能需求越來越強(qiáng)烈，節(jié)能冷卻模式在某些天氣條件下的節(jié)能潛力對(duì)IT環(huán)境非常具有吸引力，如果配置了節(jié)能冷卻模式，寒冷月份可以利用室外空氣制冷，讓需要使用制冷劑的制冷組件，比如冷水機(jī)和壓縮機(jī)，可以關(guān)停不用或在以較低負(fù)荷運(yùn)行，以提高數(shù)據(jù)中心能源效率（PUE），目前制冷系統(tǒng)也隨著數(shù)據(jù)中心的需求變化和能效要求而不斷發(fā)展。