数据中心那点事之制冷系统思考

数据中心制冷系统是一个复杂的系统工程，需要综合考虑多种因素来进行设计和优化。通过合理的制冷方式选择、系统设计、维护保养等方面的措施，保证数据中心的冷源稳定供给和设备环境高效管理。

引言

继“碳达峰、碳中和”之后，工信部、发改委、财政部等七个部门发布《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022—2025年）》，提出聚焦数据中心采用高效化、绿色化、低碳化技术，加快数据中心PUE降低。同时，伴随着金融科技的快速发展和数字化转型的加速，数据中心作为关键基础设施建设规模也在不断扩大，能耗逐步攀升。因此，应用数据中心节能技术促进提升能效比，成为金融数据中心实现“双碳”目标的途径之一。根据PUE公式（1）可知降低PUE需考虑制冷系统、供电系统、其他部分耗能三部分，供电系统主要损耗是设备、线缆自身的电能损耗，由于受限设备选型、系统架构、空间布局影响等原因可压缩空间十分有限。其他耗能部分由于占比及技术不断优化可压缩空间也同样有限。因此数据中心节能工作优先从制冷系统考虑，其中传统大型数据中心的制冷系统能耗能够占到三者耗能总和一半以上，因此降低制冷系统能耗是提高数据中心能源利用效率最直接和有效的措施。

(资料图片仅供参考)

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降低制冷系统能耗可以采用更加节能的制冷系统架构或增加相应辅助制冷系统降低制冷能耗。例如采用自然冷却技术充分利用室外低温环境提供冷源，也可采用辅助喷淋设备增加蒸发制冷方式，或采用液冷技术利用液体直接将热量带走等高效制冷方式。以G行生产数据中心所在地北京为例，依照《中国建筑热环境分析专用气象数据集》统计1971年~2003年的实测气象数据为基础，北京全年干球温度统计如图1所示，其中北京全年在0℃以下时长为1580小时，具备在春秋过渡季节和冬季利用室外低温进行自然冷却。

图1 北京干球温度统计图

制冷原理

制冷的基本原理是利用制冷剂在不同压力下物理性质的变化，通过制冷循环将室内热量吸收到制冷剂中，然后将制冷剂的热量排放到室外，从而调节室内温度。制冷循环包括四个步骤：压缩、冷凝、膨胀和蒸发。制冷剂在低压状态下从蒸发器吸收室内热量，经过压缩机压缩成高压高温气体，然后在冷凝器中与室外空气进行热量交换，逐渐冷凝成高压液态制冷剂。高压液态制冷剂通过节流阀或膨胀阀减压，变成低压液态制冷剂，然后在蒸发器中与室内空气进行热量交换，吸收室内热量并蒸发成低压制冷剂气体。最后，低压制冷剂气体再次经过压缩机进入冷凝器，在室外与空气进行热量交换，放出热量并冷凝成液态制冷剂，进入蒸发器继续循环。这样，制冷剂不断地循环流动，从而实现制冷的过程,其原理如图2所示。需要注意的是，不同类型的制冷系统可能采用不同的制冷剂和制冷循环方式，但基本的制冷原理都是相同的。

图2 制冷循环原理图

在数据中心中，空调末端系统和制冷冷源系统通过循环管路和换热器进行连接，构成了一个完整的数据中心冷却系统。空调末端系统则是将制冷系统提供的冷源输送到机房模块中，通过空气循环与IT设备产生的热量进行能量交换，将机房内的热量带出去，从而保持机房内的温度和湿度在适宜的范围内，完成整个冷却循环。如图3所示。

图3 机房模块制冷原理图

数据中心制冷系统形式

数据中心制冷形式多种多样，按照不同维度进行归类划分数据中心通常采用的制冷系统形式分别为：氟制冷系统、水制冷系统、风制冷系统如图4所示。

图4 数据中心制冷系统划分

氟制冷系统本文主要介绍两种：风冷氟泵系统和冰川相变系统。风冷氟泵系统具有成熟稳定的技术在数据中心领域有较广应用场景。冰川相变系统根据技术迭代结合氟泵系统优点并降低设备阻力损耗进一步提高设备的能源利用效率。

风冷氟泵系统：由压缩机、冷凝器、循环泵、膨胀阀等部件组成。具备压缩制冷和氟泵循环制冷两种模式。当室外环境温度低于系统控制的设定点时，风冷型空调系统中的压缩机会停止工作，取而代之的是氟泵。此时，蒸发器与室内空气换热后的制冷剂会直接进入风冷冷凝器与室外冷源进行换热，将其冷却成液态。在氟泵的作用下，液态制冷剂克服管阻回到蒸发器继续换热，从而实现节能效果。总之，当室外环境温度低于设定点时，风冷型空调系统会利用氟泵代替压缩机进行制冷，从而达到更好的节能效果，如图5所示：

图5 风冷氟泵示意图

冰川相变系统：近些年随着技术的不断更新迭代，技术发展。在氟泵空调技术的基础上，采用蒸发冷凝、磁悬浮压缩机、自然冷却、动力热管等技术。冰川相变系统具备风能够在缺水地区广泛使用，系统能效比高，实现自由冷却时间长等优点，如图6所示。

图6 冰川相变示意图

水制冷系统技术成熟在中大型数据中心中应用广泛，其中能相较于传统的空气冷却技术具有更高的能源效率、设备及系统具有较好的稳定性。本文主要介绍为风冷冷水系统、水冷冷水系统两种系统。

风冷冷水系统：采用空气冷却方式通过风扇冷却冷凝器中的冷媒，直接将热量驱逐空气当中冷却。与水冷冷水系统相比不需要配备冷却塔、冷却水泵以及管道等部件，能够在缺水环境下保证设备制冷正常运行。风冷冷水系统同时具备简单可靠、易于维护等优点，因此在中大型数据中心广泛应用，如图7所示。

图7 风冷冷水示意图

水冷冷水系统：以G行生产数据中心为例，系统采用大型冷冻水冷机设备配备板换、冷却塔及水泵管路等部件，采用水泵循环动力克服管内阻力，同时配备水池及蓄冷罐以确保数据中心补水及蓄冷。机房热量通过精密空调换热经冷冻水传递到板换/冷机，冷却水将热量带到冷却塔传到室外。水冷冷水机组的自然冷却一般是在冷却水和冷冻水回路之间增加板式换热器，在室外温度较低时关闭冷水机组，直接用低温冷却水作为冷源通过换热器来冷却冷水回路。如图8所示。

图8 水冷冷水示意图

风制冷系统本文主要介绍间接蒸发冷系统，目前金融行业逐步采用尝试使用间接蒸发冷系统，满足数据中心整体能耗指标监管。利用空气-空气换热器实现室内空气与室外空气的换热，同时可以通过喷淋蒸发降低室外湿球温度。当空气换热无法满足制冷量需求时，设备开启机械制冷。相比较传统水冷系统减少了换热环节，进一步提高换热效率。间接蒸发冷具有室内无末端设备，能够广泛应用于自然条件优越地区等特点，如图9所示。

图9 间接蒸发冷示意图

通过对制冷系统从用电量、耗水量、技术成熟度及运维难度综合对比分析适配数据中心架构设计不经相同。需要考虑项目所在地周边环境、水资源、电力资源以及建设方对技术是否在业内采用普及度。

表1制冷系统综合对比分析

总结

数据中心制冷系统是一个复杂的系统工程，需要综合考虑多种因素来进行设计和优化。通过合理的制冷方式选择、系统设计、维护保养等方面的措施，保证数据中心的冷源稳定供给和设备环境高效管理。

随着算力需求增长，单机柜功率与能耗相继攀升，传统风冷已逐渐无法满足超算中心的算力增长带来的高效散热需求，液冷技术优势日益明显，详细液冷内容介绍，请关注后续更新。

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