浅谈数据中心几种不同冷却方式对于配电设计的影响

郭石磊 周思佳

贵州省建筑设计研究院有限责任公司 贵州 贵阳 550081

引言

数据中心的起源雏形通常被认为是起源于20世纪50年代的ENIAC系统（Electronic Numerical Integrator And Computer），最早被制造出来用于弹道研究中存储火力表，而后经历了虚拟技术的运用、互联网的出现及计算机技术的进步，直到20世纪90年代，现代数据中心逐渐形成规模，而也正是从这个时候开始，数据中心的能耗问题就已经成为其设计、建造的一大重难点，一些大型的数据中心开始采用更为节能的方式来运行数据中心。

1 数据中心建筑冷却方式概述

中大型数据中心的冷却方式有很多种，风系统、氟系统、水系统均有作为数据中心的冷源使用，本文将列举其中常规水系统空调形式、直接风冷式空调以及水液冷系统这三种具有一定特点的空调形式来做一个阐述[1]。

1.1 常规水系统空调形式

常规水系统空调形式是工业、民用建筑中最为常见的空调形式之一，即为一种基于逆卡诺循环理论的运用，通过冷却塔、冷却水泵、冷水机组、冷冻水泵、蓄冷罐以及组合式空调机组构成的冷却系统，对数据机房热通道内的热量进行吸收，通过冷却塔对冷却水进行降温，利用水－空气换热将数据中心产生的废热排入周围环境，之后通过冷水机组将热量进行交换，冷冻水泵将冷冻水运送至各个组合式空调机组内的表面式冷却器，由组合式空调机组内的风机将数据中心内空气进行循环，透过表面式冷却器的降温，最终完成对数据中心整体环境的降温。

图1 常规水系统空调形式

1.2 直接风冷式空调机组

直接风冷式空调机组在机组内置蒸发冷却段，对室外空气进行处理降温后再引入室内热通道，降低数据中心热通道温度，以达到制冷效果，此方法相较于其他方式而言更为节能，但同时，此方法对于室外环境温度、湿度及空气洁净度均有一定要求。

图2 直接风冷式空调机组

1.3 水液冷系统

水液冷制冷方式的整体架构与常规水冷空调形式十分类似，都是由冷却塔、冷却泵、冷机、冷冻水泵构成，不同之处在于水液冷系统的末端是将冷冻水直接接入数据机柜内部，通过换热器将数据机柜产生的废热带走，而又因为现在单台数据机柜性能一定程度上由散热器的效能所决定，且此种冷却方式相较于其他方式可以带走更多的热量，故以此种方式冷却的单台数据机柜的性能会得到较大的提升。

图3 水液冷系统

2 数据中心的供配电系统

数据中心的供配电系统设计应根据数据中心设计规范及业主需求对数据中心级别进行分级，本文以A级数据中心为例，根据数据中心设计规范中要求及具体使用要求，通常采用双重电源及柴油发电机组作为备用电源，而为了满足数据机柜的持续供电需求，采用不间断电源作为保障，详见图4。冷却设备对于数据机柜的持续平稳运行尤为重要，故通常也由双重电源、柴油发电机组及不间断电源供给其电源保障，以下为三种不同的空调冷却形式对与供配电系统中的影响[2]。

图4 A级数据中心供电架构图

2.1 常规水系统空调形式

对于常规水系统的空调形式，其冷却塔、水泵及冷水机组均应接入不间断电源供电，以免任意设备的断电都将导致其整个冷却系统的中断，带来数据中心温度升高发生过热事故。

2.2 直接风冷式空调系统

在此系统下，因为系统本身主要的冷源为室外空气，故用于引入空气的空调机组及风机需接入不间断电源，但相较于常规水系统空调形式，直接风冷式空调机组本身不需要再有冷水机组及相关泵组，故不间断电源的容量及整体系统的供电负荷均小于常规水系统空调形式，对于A级数据中心的供配电形式来说，双重电源及柴发的供电形式带来的是高可靠性，同时其变压器、柴油发电机组、高压柜等设备均需设置两套，用以在发生单路电源故障时，另一路电源能承担所有的负荷，对于直接风冷式空调系统，本身通过引入环境空气直接降温的方式带来的是更低的能耗，所以相对应的供配电设备及电气机房都较其他形式更为节省。

2.3 水液冷系统

对于水液冷系统而言，因散热效率的提高，带来了数据机柜功率的提高，同时也带来了数据机柜废热量的提高，所以相应其整体系统的水泵、冷却塔等设备均较前两种方式上有更高的功率，并且有因为单台数据机柜性能的提高，带来的功率变化，每台数据机柜的用电负荷甚至可以达到常规数据机柜的3倍以上，由此对于整个供配电系统中的柴油发电机容量、10kV电源的容量以及不间断电源的容量均呈倍数上涨，但是同时，此冷却系统对于数据机柜所能处理的业务及性能都带来了极大地提升，而同样的，数据中心整体性能的提高也需要更大容量的供配电设备、不间断电源等设备进行支撑，用电负荷也更为集中，故当数据中心采用水液冷系统进行冷却的时候，应当对于项目电气机房进行充分考虑[3]。

3 结束语

综上所述，随着科技的进步，人们对于“数据”这一重要商品的需求及应用也越来越多，而数据中心体量也愈发增大，数据中心的高能耗，决定了其选址、冷却系统的运用都尤为重要，而与其息息相关的供配电系统也受冷却系统的运用及变革而变化，数据中心供配电系统设计应对此充分考虑，才能为一个数据中心带来其最大化的利益。