数据中心制冷技术的发展与应用

过伟光

（山西信息规划设计院有限公司，山西 太原 030012）

贵州是看似偏远但实际不远的地方，地处于群山峻岭。但是在这个地区，却有众多的资源，比如在数据时代的背景下，贵州成为为数不多的主流数据中心，因为这些顶层设计消耗着整个地区的大量能源。耗能一直都是数据中心运营中的绕不开的痛点问题。因此选择贵州作为大多数主流数据中心的“栖息地”，这主要由于贵州特殊的地理位置和特殊气候特点而形成的。

在社会新时代的进程里，通信数据的核心技术也越来越推向全社会，随着各行业的结构升级，大大增加了数据处理的应用技术，这样不仅加快了行业运营的效率还提高了收集信息以及筛选信息的速度，在数据中心工程建设中，作为一个完整的系统化工程，对数据的处理提出了更高质量的要求。由此以来，推出的绿色数据中心建设的主要特征是节能环保，尤其是在更大的范围内比较倾向于数据产品的可靠性和合理性。

数据中心机房的能耗分为：建筑自身能耗、IT设备运行能耗、为设备安全运行保驾护航的空调制冷系统能耗。其中空调制冷系统能耗占比最高，因此不仅要做到制冷技术先进、安全适用，数据中心机房建设的选址也是一大重要因素。地理位置的选取（气象参数）不仅决定制冷空调的计算参数，还制约制冷技术的应用，这也就是国内一些主流数据选择贵州作为“栖息地”的主要原因。

1 数据中心节能技术的特点

数据中心对环境（温、湿度）要求：为确保数据中心里IT设备的优良运作，数据中心内整年需保持恒温恒湿，主机房机柜进风区域温度要求在19~25℃之间，湿度控制在不宜大于65%的程度范围内。数据中心中的节能技术是一个系统工程，也是一项长期性的工作，需要综合性的全面考虑。在空调制冷系统的应用中，通过调节数据的比例来控制PUE值。空调制冷系统所消耗的能耗约占数据中心总能耗的35%左右。

2 数据中心制冷（冷却）技术趋势

2.1 末端冷却设备贴近服务器

末端冷却设备贴近服务器的技术应用非常广泛，大多数数据中心机房采用的送风方式为防静电地板下送风、机柜上部回风的冷却方式。随着设备的更新迭代，市场相应的催生了行级空调、背板冷却技术。这种新型的空调末端更贴近热源，能解决局部热点、高发热密度的问题，通过近距离的冷量传输，减小风机功耗，达到节能。在空调工作的情况下，工作原理都是先冷却空气再进行热交换达到降温的目的。采用的技术是冷空气与服务器的CPU进行配合处理，来解决设备散热问题。对于超高功率密度的设备就需要依靠液冷技术来进行冷却处理，并且在一定程度上减少噪声的影响。

2.2 冷却系统节能

随着数据中心的设备高密度增多，能耗增大，相应的运行成本的增加，空调冷却系统的节能研究显得尤为重要。越来越多的数据中心逐步尝试使用自然冷却。自然冷源的利用主要体现在以下几种方面：

（1）室外新风直接冷却。室外新风经多重过滤处理后，进行焓湿出来，然后通过输送送入机房，新风与室内空调混合后排放至室外。减少冷冻机组工作时间，采用室外新风直接或处理后达到机房温湿度要求，可大大节约能源。这种方式对室外空气质量的要求高，在我国很多地方由于空气质量不满足要求，而较少使用该项技术。

（2）间接蒸发制冷。间接蒸发制冷系统是指通过换热器进行的一系列作业，换热器采用直接接触式，这样的好处是可以将冷空气直接蒸发冷却，最后实现空气等湿降温处理。间接蒸发冷却技术可以从外界环境中直接获取冷空气能量，减少人工制冷的能量损耗，这样做的好处是节约能源、节约成本。水的蒸发吸热也可以达到制冷的目的，运用这种技术可以解决干燥地区和中等湿度地区的制冷问题。它的工作原理为：室外的热空气通过间接蒸发冷却器进行冷却效应，再进行热处理以至于达到机房要求即可。这样可以取代或减少人工制冷节约大量的能源。

（3）采用带自然冷却的风冷式水冷系统。目前比较常见的是自然冷却方法，又称为风冷式水冷系统。它的工作原理是利用自动化处理技术，结合数据分析处理机制用来识别冷凝器的进风温度低于回水温度2℃时，产生自动进入部分的自然冷却模式。回水利用室外低温空气进行冷却，这是预处理阶段；然后根据蒸发器再减轻压缩机的工作负荷，这样的工作流程下来省下了人工能耗和成本时间，节能效果明显，比较适用于室外环境较低，冬季越长的地区。

（4）利用深层湖水、江水冷却。

3 数据中心建设中空调制冷技术的运用

3.1 根据数据中心建设规模、结合地理位置，合理选用空调制冷系统

对于建筑规模大于等于10000m2的数据中心，应优先采用水冷式冷冻水空调系统（严重缺水地区除外），整体规划数据中心冷源系统。空调系统配置应根据机房等级（按照《数据中心设计规范》分为A、B、C三级；按照国外标准分为T1~T4四级）划分，根据等级划分应分别对应满足数据中心的合理性、稳定性、安全性、高效环保要求。

3.2 空调制冷设备选择

包含空调制冷主机、水泵、冷却塔、机房专用空调（末端）等的系统设备选择。

采用EER（能效比）和IPLV（综合部分负荷性能系数）高，显热比大（不小于90%）的机房专用空调，满足机房专用空调大风量、小焓差送风的工艺要求特点设备。

3.3 气流组织

数据中心机房的气流组织应按照以下原则进行：

（1）保证送风顺畅，避免送风受阻不能送达送风区域。

（2）保证送风效果，避免送回风在为达到送风区域前掺混，减低送风效率。

（3）送回风口设计应合理，避免气流短路。

数据中心应按照“冷热通道隔离”的原则布置IT机柜，避免级联加热现象；还应考虑“先冷设备，后冷环境”的制冷原理，可采用封闭冷、热通道的方式送风。

3.4 自然冷源利用

充分利用室外自然界的免费冷源，是实现数据中心机房节能、降低PUE值的必经之路。室外冷源的利用主要表现为：

（1）直接或间接引入室外低焓新风。

（2）与空调制冷设备的有效配合。

4 数据中心中节能技术的应用——以某案例为例

4.1 数据中心建筑要求

建筑外立面除在大楼入口及楼梯间外，根据工艺要求数据中心机房内基本不开设外窗。在开启外窗处，外墙材料采用加气混凝土砌块，节能环保材料也可以在外墙外装饰上大范围使用，增大热阻，减少传热系数。为达到保温、节能效果，建筑采用外墙保温系统。数据中心作为工艺性建筑，在不影响采光的条件下，尽量缩小窗口和所在墙面的比例，为减少通过外窗的热辐射降低空调冷负荷。

4.2 空调制冷机组

根据通信行业内的相关指导意见、集团公司建设要求：规模较大切发展速度快的数据中心宜采用水冷式中央空调系统。相比较风冷机组，冷水机组随着制冷量增大，COP（能效比）也显著增大。例如：离心式冷水机组，单台制冷量可达3000kW以上，COP可达5左右，风冷机组的COP基本在3左右。

4.3 然冷源的合理利用

自然冷却（free-cooling），也称之为免费冷源，采用的是冷却塔冬季制冷，直接利用自然界低温环境，室外低温（秋冬季）季节可大大减少人工制冷的开机时间，甚至当室外达到一定条件时，完全关闭人工制冷系统的一种供冷方式。这种原理适用于全年制冷场所，有便于控制、维修、切换的优点，功能划分也比较清晰。还适用与不同的季节和不同地区冷却塔与制冷主机配备冷却塔一并使用，用来冷却水的温度，提高主机的COP值。

4.4 提高冷冻水供水、回水温度

一般情况下冷冻水的供回水温度为7~12℃之间，根据数据中心机房的实际使用反馈情况来看要适当提高冷冻水供回水温度，采取一定的措施处理可有效提高冷冻机组运行效率。

4.5 数据机房内末端机房专用空调配置

数据中心机房末端空调采用的是单水冷机房专用空调，采用高效节能EC风机以及温湿度独立控制系统。

4.6 空调送风气流组织

（1）地板下部送风，经机柜排出后经末端上部回风。根据数据中心“先冷设备，后冷环境”的特点，本工程采用密闭冷通道，防静电地板下送风直接送至密闭冷通道内，保证冷量充分利用，全部先进去IT设备服务器。

（2）数据中心内服务器（IT机柜）合理布置。机柜散热情况的发生还会出现附加的情况发生，比如气流短路问题，可以采用改变机柜布置排列方式，改善操作面以及散热面的工作排布可有效减少气流短路问题。

（3）将密闭通道作为送风“冷池”，隔绝冷热通道。

5 结语

随着IT设备的高集成度，单机柜的功耗增加，制冷技术也跟着飞速发展。为满足IT设备散热需求，液冷技术正在逐渐兴起，不久的将来越来越多的场合将采用液冷技术为数据中心保驾护航。液冷作为一种高效的冷却处理技术，在大数据时代的发展进程中，会成为大范围使用的技术。