数据中心制冷系统绿色设计先进方案

作者:兰洋科技    浏览量:3642    时间:2023年10月09日    标签: 绿色数据中心 绿色技术 冷却系统

绿色设计整体方案是指在数据中心设计阶段对数据中心主要架构的选择,在制冷系统方面,如风冷DX 空调系统、水冷冷水机组系统、蒸发冷却系统、新型氟泵系统、液冷系统等。整体制冷设计方案的选择对数据中心的绿色设计有重要且不可替代的影响,是决定数据中心PUE 下限的重要因素。在选择整体设计方案时应充分综合考虑数据中心所在地区的气候特点、水资源供应情况、数据中心规模以及IT 功率密度。

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1 风冷DX 空调系统

风冷DX 空调系统主要是通过风冷DX 精密空调对数据中心进行制冷,其主要特点是设备构成简单、部署灵活,能够满足低功率的制冷需求。风冷DX 空调的蒸发器在数据中心机房室内,为服务器和网络机柜提供冷量;冷凝器放置于室外,与环境空气进行换热。冷凝器形式较为多样化,可与采用一对一,也可采用集中布置方式。

2 水冷冷水机组系统

水冷冷水机组系统主要构成包括水冷冷水机组、冷冻水泵、水冷型末端精密空调、室内风机、冷却水泵、冷却塔、板式换热器,其主要特点是系统较为复杂、设备种类多、需要部署集中式冷站。水冷冷水机组系统利用水冷冷水机组或者板式换热器制取冷冻水,冷冻水通过末端水冷型精密空调给机房散热

根据制取冷冻水方式的不同可分为三种工作模式:完全机械制冷、部分自然冷却以及完全自然冷却。完全机械制冷模式完全依靠冷水机组制取冷冻水,一般在夏季开启。如果经过板换后的冷冻水出水温度不能低于供水温度的要求,则需要打开机械压缩制冷机进一步给冷冻水降温,相当于利用了部分自然冷源,这就是部分自然冷却模式,一般在春秋等过渡季时开启。如果经过板换后的冷冻水出水温度达到供水温度要求,则需要完全打开机械压缩制冷机给冷冻水降温,全部利用室外自由冷源,这就是完全自然冷却模式,一般在冬季低温节开启。

3 蒸发冷却系统

蒸发冷却技术是利用水蒸发冷却原理,采用直接蒸发或者间接蒸发的方式获得冷风的技术,可以分为直接蒸发冷却技术和间接蒸发冷却技术。

直接蒸发冷却系统是(AHU)是指空气与雾化的水直接接触,由于水的蒸发,空气和水的温度都降低,而空气的含湿量有所增加,将降温后的冷空气直接引入数据中心对服务器和网络机柜进行冷却。直接蒸发冷却系统具有风量大、温差小,冬季加湿效果好等优点,但是该技术也有一定的局限性,在露点较低的地区使用该技术会带来不必要的除湿费用,而且对室外空气的直接引入也会导致室内湿度分布不均匀以及细颗粒物和污染物带入等问题,需采用过滤器对新风进行过滤,因此在使用该技术时,必须充分考虑当地的空气质量以及气候条件等因素。直接蒸发冷却技术已经在一些地区得到了应用,并取得很好的效果。

间接蒸发冷却是指将直接蒸发冷却得到的湿空气或循环水的冷量通过非直接接触式换热器传递给待处理的空气,实现空气的等湿降温。间接蒸发冷却是通过各种类型换热器来实现的,其主要类型有管束式、板式、热管式等形式。

间接蒸发冷却技术具有效率高、安全性好、不易堵塞等优点。

4 新型氟泵系统

新型氟泵系统结合了间接蒸发、风冷、氟泵、热管(冷媒自身的相变功能)的各自优势,通过不同的送风方式对数据中心进行制冷,其主要特点是设备构成简单,部署相对灵活,能够满足中高功率的制冷需求及中大规模数据中心的需求。新型氟泵系统可以是户外一体机、一拖一、一拖多等多种型式,在自然冷季节,可完全启动重力热管方式进行制冷。

5 液冷系统

现在的机架功率和单机架功率密度都在不断增长,传统的服务器风冷散热方案已经不能满足散热需要,先进的液冷技术开始在各个数据中心进行广泛应用。

液冷技术可以将数据中心的空气用液体进行替代,在替代过程就可以将各个发热器件运行中所产生的热量带走等。目前液冷技术主要分为冷板式、浸没式和喷淋式三种。其中,浸没式和喷淋式液冷等为接触式液冷,冷板式液冷为非接触式液冷。冷板式液冷技术可以不直接接触冷却对象就将热量带走,该技术是通过高效热传导部件来对热量进行发散;浸没式液冷技术属于直接冷却技术,该技术使用的冷却液能够隔绝元器件产生的电气,通过和发热器件进行直接接触就可以带走热量;喷淋式液冷技术通过改造IT 设备,部署适量的喷淋器件,在设备运行中,可以针对热量过高的器件进行冷却。

液冷技术具有制冷能效高、节约水资源和机房空间的优势,因此,有条件的数据中心开始应用液冷技术进行降温。应用液冷技术进行降温,不再需要配置风扇、空调末端和冷冻机组,也不需要安装架空地板和冷热通道设施,和传统的制冷技术相比,液冷技术不需要占据很大的机房空间,可以将节省的机房空间用来布置更多的IT 设备,从而提高了企业的经济收益。

此外,液冷技术突破了气候条件和地域的限制,可以在全国任何地区进行应用,即使是华南、华东等温度高的地区也可以应用液冷技术进行冷却,最终促使数据中心的制冷电力消耗大幅度降低。

6 余热回收

数据中心服务器在运行的过程中,产生大量的余热,这些余热有着易提取、热源充足等特点,利用热泵技术将数据中心余热回收利用,在数据中心有着广泛的应用前景,尤其是在我国北方地区,可有效帮助用户降低用热成本。

现阶段我国IDC 行业的节能重点主要集中在绿电的应用、空调系统的节能减排、IT 系统的降耗等方面。伴随着数字经济的发展,数据中心的规模和数量都呈现出快速增长的趋势。更大规模、更多数量的数据中心建设,将有更多的设备,产生更多的余热,这些余热如果能被加以利用,可以加速数据中心“碳中和”。

现阶段大多数据中心采用风冷降温,相较于液冷数据中心,风冷数据中心余热收集及运输难度较大,成本较高。液冷系统携带热量介质为冷却液,流动性强、品味较高、方便运输,相对于风冷系统,投资成本较低,利用率较高,更适合余热回收利用。

液冷系统余热回收系统可选择接入液冷系统一次冷却循环系统或二次冷却循环系统提取余热,也可选择与液冷系统串联或并联的运行方案,对余热可采取提质利用或直接利用两种类型,对余热提质利用的方式又包括热泵系统、光热系统、电辅助加热、锅炉辅助加热等。进行系统设计时宜充分考虑综合利用光热、地热等清洁能源,以及与周边建筑、园区协同建立余热回收利用体系的可行性。

7 总结

从各地区气候差异和水资源供应情况的角度,绿色设计需要从业务角度分析,业务种类会影响服务器的运行温度,从而影响设计方案,同时考虑同样构架在不同地区的适用性和PUE 表现。风冷DX 空调设备构成简单、部署灵活,适用于对能效要求不高且规模较小的数据中心;水冷冷水机组设备种类多、系统较为复杂、运维难度大,其根据季节变化调整系统运行模式,可最大化利用自然冷源,适用于对能效要求较高且自然环境适宜的大规模数据中心;蒸发冷却机组尤其是直接蒸发冷却机组适用于数据中心室外空气洁净度好、常年温度较低的场景,能够做到极致的节能效果,需具体到当地甚至是园区的空气质量分析,且其运维难度较复杂;新型氟泵系统设备构成简单,部署相对灵活,集成了蒸发冷却、主动热管、风冷等自然冷却技术,适用于能效要求高的数据中心;液冷技术不仅能够满足数据中心高密度、低能耗的发展需求,还将驱动数据中心内的各种配置和部件进行创新,其可支持约30kW 高功率密度,而传统机柜仅支持10kW 左右,液冷技术对设备和冷却液安全性要求极高,适用于能效要求高的数据中心。

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本文标题:数据中心制冷系统绿色设计先进方案

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