對于一個PUE=1.5的數據中心,基礎設施的耗能主要來自電力設備自身的耗能和制冷系統的耗能,另外還有照明+其他輔助設施(加濕、新風、智能化等)的耗能,這三部分耗能的占比見圖1。可見基礎設施的耗能中,機械制冷系統的耗能占到總耗能的23%。近三年來數據中心制冷系統在蒸發冷卻、熱管和液冷技術以及產品上有了創新和突破,在進一步提高制冷系統的能效和節能上收到了較好的效果,在數據中心逐步被采用和推廣。蒸發冷、熱管和液冷在降耗上的優越性也將成為今后數年數據中心降低制冷系統能耗發展趨勢。
一、蒸發冷卻節能技術在數據中心中應用與前景
蒸發制冷主要利用水分子蒸發相態產生變化時吸熱的特性達到制冷效果,在濕球溫度較低、空氣干燥工況下可達到較好的制冷效果,見示意圖2。蒸發冷卻是將潛熱轉變為顯熱。將未飽和空氣暴露在自由的、溫度較低的水表面中,并且水和空氣融合,可以冷卻未飽和空氣。一部分空氣顯熱轉移到水中,并通過一部分的水的蒸發變為潛熱。
空氣干燥、濕球溫差稱為濕球溫降,空氣越干,這個溫差越大,利用這個蒸發冷卻后的溫降,可以充分降低室外空氣的溫度,然后利用其冷卻數據中心內部的熱空氣,實現對數據中心的制冷。
1.1 蒸發冷卻技術的分類與原理
蒸發冷卻技術主要分為四種形式:
1）直接蒸發冷卻:是指空氣與水大面積的直接接觸,由于水的蒸發使空氣和水的溫度都降低,此過程中空氣的含濕量有所增加,空氣的顯熱轉化為潛熱,這是一個絕熱降溫加濕過程。被冷卻空氣與蒸發水分直接接觸,可通過噴淋室、濕膜加濕、噴霧加濕等形式來降低環境的溫度,直接蒸發冷卻原理見圖3。
2）間接蒸發冷卻:是把直接蒸發冷卻過程中降溫后的空氣和水通過非接觸式換熱器冷卻待處理的空氣,可通過表冷器換熱、間接蒸發盤管換熱等形式來降低環境的溫度,得到溫度降低而含濕量不變的送風空氣,此過程為等濕冷卻過程。間接蒸發冷卻裝置原理圖4。
3）間接+直接蒸發冷卻:根據送風含濕量的要求,在間接蒸發冷卻模塊后增加直接蒸發冷卻模塊,新風被降溫、并被適當加濕,調節送風的濕度。間接+直接蒸發冷卻原理見圖5。
4）蒸發冷卻+機械制冷:雖然在自然蒸發冷卻的過程中所消耗的能量較少,主要是風機和水泵耗能,與目前主流的機械制冷的空調相比在節能和經濟性上更有優勢。但是直接和間接蒸發冷卻無法滿足全年所有工況可以提供數據中心需要的制冷要求,因為在室外溫度(夏季)上升時,換熱器的換熱效率下降,不能滿足機房送風溫度要求時,必須增加機械制冷系統的補充。間接蒸發冷卻+機械制冷原理圖見圖6。
1.2 間接蒸發冷卻系統在數據中心的應用
間接蒸發冷卻設備按熱交換器形式不同大致可分為板式、管式、板管式等形式。無論哪種換熱器都具有兩個互不聯通的空氣管道,借助兩個通道的間壁,使空氣得到冷卻。
1）管式換熱器
數據中心內熱空氣從側面進入換熱器,延管道被冷卻后再次送入數據中心。室外側干冷空氣從底部進入換熱器,在管道外側蒸發冷卻降溫后再冷卻管內的熱空氣,然后從上部排出。管式換熱器換熱過程見圖7。
2）板式換熱器
板式間接蒸發冷卻設備由一組金屬板或復合材料組成。板式間接蒸發冷卻其中的二次空氣來自于室外新風,一二次空氣的比例對板式間接蒸發冷卻效率影響較大,兩側空氣在熱交換器表面上進行熱交換。見圖8。
3）板管式間接蒸發冷卻空調系統
蒸發冷卻式結構上將冷凝器和冷卻塔合二為一,省略冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞階段;充分利用水的蒸發潛熱冷卻工藝流體,用水量為水冷式冷凝器的45～50%。該系統運行和冷卻完全使用數據中心室內回風,省去了間接蒸發冷卻器的空氣過濾器,而是額外設置旁通過濾機組,這與所有的機組都裝過濾器相比,減少了過濾器的投入、維護費用及風機功率,也減少了室外空氣污染物影響IT設備的風險。同時,為了給人員提供新風或維持室內正壓,根據當地氣候條件,裝配設有加濕和除濕功能的新風機組,以此來提供通風和濕度控制。
4）其他相關技術研究
上述間接蒸發冷卻空調機組載冷介質皆為空氣,目前大型數據中心普遍采用冷凍水系統,故將間接蒸發冷卻技術融合進冷凍水系統成為研究方向。市面上可見的蒸發冷卻冷水機組主要有兩種:**種將蒸發冷卻技術應用于機械式冷水機組的冷凝器部分,嚴格來說只是蒸發式冷凝器的應用,通過高換熱系數的蒸發式冷凝器獲得較低的系統冷凝溫度從而提高機組能效;第二種即利用蒸發冷卻過程直接出冷水,是一種純粹的蒸發冷卻冷水機組,是完全的自然冷卻。蒸發冷卻冷水機組系統示意如圖9所示。
為獲得在高溫天氣仍能直接使用的低溫水,機組設置了預冷段、間接蒸發冷卻段和直接蒸發冷卻段。室外新風首先在預冷段由系統回水進行預冷,然后經間接蒸發冷卻段等濕減焓降溫,經過兩次降溫后的空氣*終在直接蒸發段制取冷水。在干球溫度33.5℃、濕球溫度18.2℃的室外條件下,可獲得16℃的出水溫度。
1.3 數據中心蒸發冷運行模式
數據中心蒸發冷卻系統主要是以自然冷卻為主,機械制冷為輔,蒸發冷卻系統主要運行的模式可分為干、濕和混合等三種模式。
1）干模式:在室外干球溫度低于16℃左右,依靠室內外空氣在換熱芯體換熱就可以提供足夠的冷量,此時運行在干工況。此時噴淋蒸發系統和機械制冷系統都不工作。室外新風與室內回風直接經換熱器換熱,數據中心較高的回風經由空氣-空氣換熱器被室外的低溫空氣直接冷卻。見圖10。
2）濕模式:當室外環境溫度較溫和時(濕球溫度高于19℃左右),機組運行在濕模式。此時開啟噴淋蒸發,而機械制冷系統仍然不工作。室外空氣通過增發冷卻系統進行預降溫,然后再經由空氣空氣換熱器冷卻數據中心回風。見圖11。
3）混合模式:當室外濕球溫度較高時(濕球溫度高于19℃左右),特別是在炎熱天氣,自然冷卻無法滿足制冷需求,開啟壓縮制冷系統補充不足的部分。采用蒸發冷卻+高效換熱+壓縮制冷的運行模式，稱為混合工況。此時噴淋蒸發系統和機械制冷系統同時工作，共同達到所需要的制冷量。見圖12。
1.4 蒸發冷系統優勢和關注問題
近幾年來,蒸發冷卻(特別是間接蒸發冷卻)空調機組成為行業節能應用熱點,國內外許多的廠商都研制和推出了相關產品。蒸發冷卻空調與傳統的壓縮機型空調相比,具有以下優點:
1）耗能與傳統空調系統相比能效有了明顯的提升:蒸發冷卻空調設備中所需的主要動力為風機和水泵動,無制冷壓縮機,能效比COP值很高,通常機械制冷系統的耗電為50W/m2左右,而蒸發型空調系統為10W/m2左右,節電80%左右。
2）蒸發冷卻空調運行方式為全新風運行:且具有空氣過濾和加濕功能,不斷輸入100%新鮮冷空氣,有效的正壓送風可使有害的空氣排出室外,保持室內潔凈;大大改善其室內空氣品質。
3）保護環境,零污染:由于蒸發冷空調設備主要是以水為制冷劑,對大氣無污染。
4）模塊化、工廠預制:蒸發冷卻改變了目前主流水冷機組的結構，可以實現模塊化和在工廠的預制，現場安裝，沒有管道的連接和安裝，減少工期。
目前蒸發冷卻技術的應用的主要形式為間接蒸發冷卻空調機組、直接蒸發新風系統;雖然蒸發冷卻技術有上述眾多的優點和優勢,但是還需要看到蒸發冷卻空調系統在結構和環境上存在的問題,主要體現在以下幾點:
1）對建筑的要求
蒸發冷卻技術上采用水與空氣換熱交換,決定了在建筑上需要有特殊的空間(專用的水和空氣蒸發交換空間、機房回風空間)，因此采用蒸發冷的系統改變了以往數據中心建筑的功能布局、層高、空氣進出流動通道，見示意圖13和實例案例圖14。
對于采用蒸發冷卻空調系統的數據中心,規模(機柜數、單機柜容量)差異化,需要定制化的設計,沒辦法簡單化的復制,因為進排口的設置需求,在高層建筑數據中心中應用較為困難。另外由于間接蒸發冷卻空調機組產品還未形成統一的標準化,不同的廠家尺寸差異較大,導致建筑的設計的通用性較差。目前在大型數據中心建設中,采用間接換熱空調機組
大部分都是采用外置的方式,在建筑結構上采用工業廠房的模式,見圖15。
2）地域條件的要求
蒸發冷卻更適用于空氣干燥的地區,蒸發冷卻過程中空氣越干燥,干濕球溫差越大,“干空氣能”的利用率越強,能獲得的溫度就越低。
根據中國的氣候特點和干濕地區分布,蒸發冷卻技術建議在“胡煥庸線”的左邊氣候比較干燥的區域使用,可以達到更好的節能和節水效果。見圖16。
不是說在我國中東部(紅線右邊)的區域就不能采用蒸發冷,而是需要考慮在這些地區高濕不僅降低了換熱的效率,還需要考慮增加除濕所需要的耗能,*終影響節能的實際效果。
3）對空氣質量的要求
間接蒸發冷卻空調機組工作原理為外部空氣與水的換熱,然后再通過空空換熱器來冷卻室內空氣。目前間接換熱空調機組基本都采用板式換熱器,室外空氣中的灰塵、顆粒物等,通過加濕后,會附著在換熱器表面,時間長了會大大影響換熱器的效果。現在國外也在積極研究采用高分子材料替代傳統的金屬換熱器,來降低空氣質量對換熱器效率的影響。
直接蒸發冷卻新風系統,室外空氣經過過濾和加濕降溫后直接送到數據中心機房內,空調的品質直接關系IT的運營穩定。
因此需要關注空氣的質量對持續制冷和對IT設備的影響,差的空氣質量將降低換熱的效果和維護難度以及維護的成本,當遇到沙塵暴時還將引發蒸發冷卻系統無法正常運行。另一方面空氣中有害的氣體(如硫化物等)也會導致IT設備電路腐蝕,導致短路或短路而不能正常運行。因而目前采用蒸發冷的數據中心大多會設計兩種制冷系統的并存,有些還增加有害氣體的檢測和過濾裝置,不僅增加投資還增加后期的運維成本。
4）運維中的問題
目前蒸發冷的水質問題是影響蒸發冷卻空調技術推廣使用的主要限制因素之一,結垢、污泥、菌澡滋生、腐蝕穿孔,不僅降低了系統的冷卻效率、設備的使用壽命,同時也影響到正常的運行。另外在北方冬季的結冰現象什分嚴重,影響到冷卻塔的散熱效果、加大冷卻塔的承重、損害填料和管道,同樣影響冷卻塔的使用壽命。見圖17。
5）蒸發冷卻還不能完全取代機械制冷系統
與機械制冷相比,蒸發冷卻還存在著很多不足之處。如體積大、缺乏除濕功能,冷卻空氣的能力受外界氣候環境(雨雪、風沙等惡劣天氣)的影響嚴重,多級蒸發冷卻系統控制較復雜等。當僅靠蒸發冷卻不能達到制冷要求時,還需要機械制冷進行補償,因此,將機械制冷與蒸發冷卻相結合,取長補短。
總之,數據中心需要全年制冷,而直接和間接蒸發冷卻技術具有明顯的“靠天吃飯”屬性。國內除了西北某些地區氣候能夠使用該技術實現全年制冷,絕大多數地區需要配置機械制冷機組補充冷量,在極端高溫天氣負擔蒸發冷卻系統欠缺的制冷量,但這又引起人們對于安全方面的擔憂。一方面,蒸發冷卻空調機組體積較大,需要與機柜通道通常一一對應,與傳統數據中心的備份理念存在一定偏差;另一方面,若按極端工況下間接蒸發冷卻系統制冷能力的*大欠缺量配置機械組件且考慮不間斷供冷需求,則極大增加了對于機械組件的相應UPS及電池配置。故蒸發冷卻空調機組更適宜應用于非夏熱冬暖地區。
二、熱管技術在數據中心制冷系統節能中的應用與前景
近幾年來制冷技術的研究和制造商將熱管技術應用到數據中心的制冷系統中,熱管具有獨特的技術優勢,在數據中心的制冷系統節能和節水方面收到良好的效果。
2.1 熱管技術原理
典型的熱管由管殼、吸液芯和工作介質組成。管殼為兩端密封的圓柱管,管的內壁貼附同心圓筒式的金屬絲網或其它多孔介質,即吸液芯。對熱管的一端加熱后,由于管內壓力很低,工質吸收熱量變為蒸汽,然后在壓差作用下流向另一端,向外界釋放熱量后再凝結成液體,依靠吸液芯的毛細抽吸力流回加熱段,再次受熱氣化,如此往復循環,就可以連續不斷地將熱量從一端傳遞到另一端。見圖18。
將熱管技術應用到數據中心的制冷系統,是利用室內、外溫差通過熱管將室內熱量交換到室外,從而降低室內溫度的系統設備。熱管換熱系統利用循環工質的氣液相變來傳遞熱量,通過特殊的管路聯接,將蒸發段和冷凝段分離開來,室內機為該系統的吸熱端,冷凝器為其放熱端,室內機中的工質在機房內吸熱蒸發變為氣態,經過氣管流入冷凝器,并在冷凝器內放熱冷凝為液態,然后通過液管回到室內機繼續吸熱蒸發。熱量傳輸是無源運行,無運動部件,零能耗且故障率極低。熱管技術工作原理見圖19。
熱管在實現這一熱量轉移過程中,包含了以下六個相互關聯的主要過程:
(1)熱量從熱源通過管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面;
(2)液體在蒸發段內的液-汽分界面上蒸發;
(3)蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流到冷凝段;
(4)蒸汽在冷凝段內的汽-液分界面上凝結;
(5)熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;
(6)在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后的工作液體回到蒸發段。
由于熱管是依靠自身內部工作液體的相變來實現傳熱的傳熱元件,所以其具有以下優點:
(1)**的導熱性能:熱管依靠工作介質的汽、液相變傳熱,換熱系數高,傳熱熱阻很小,可傳遞熱流密度較大。其導熱系數比金、銀、銅、鋁等優良導熱體高出了幾個數量級。
(2)優良的等溫性:由于熱管內腔的蒸汽處于飽和狀態,其粘度較低,在流動中產生的壓降很小,所以熱管的蒸發段與冷凝段之間的溫差很小,近似等溫。
(3)可變熱流密度:可以通過獨立改變蒸發段或冷凝段的加熱面積的方法調節蒸發段和冷凝段的熱流密度，以解決其他傳熱方式難以解決的問題。
(4)熱流傳遞方向可控:通過改變內部循環力的方式,可以實現熱流單向傳遞、雙向傳遞、抗重力傳遞等。
(5)環境適應性強:熱管的形狀可根據熱源和冷源的條件靈活變化,其形狀可制成電機的轉軸、燃氣輪機葉片、鉆頭、手術刀等;可應用于地面(重力場),也可以應用于空間(無重力場)。
(6)熱管屬于被動傳熱:工質在熱管內的流動循環完全依靠管內結構及工質自身的熱力平衡實現,沒有任何動力部件,屬于無耗能傳熱,工作性能穩定,可靠性高。
從熱管的工作原理可以看出,熱管是基本無耗能的原件,通過實現熱量的轉移從而進行制冷。
2.2 熱管技術在數據中心中的應用
目前熱管技術在數據中心的產品主要有以下三個系統:
1）單熱管式制冷系統
單熱管精密空調由熱管、蒸發器、EC風機和室外機組成,在結構與水冷末端精密空調相似,但采用氟的冷媒,無制冷壓縮機,室外機采用風冷或蒸發冷卻。有效的提高制冷的能效。見圖20。
熱管式機房精密空調適用于常年可以使用低溫自然冷源的地區,不需要機械制冷,只有室內和室外風機的耗能,有效降低空調的耗能,提升制冷系統的節能效果。
2）熱管+機械制制冷系統
在我國有很多的地區采用全熱管技術的制冷空調還無法滿足全年所有工況可以提供數據中心需要的制冷要求,因為在夏熱冬暖的地區,室外溫度限制了熱管技術的使用,室外換熱器換熱效率下降或無法對氣化的媒介進行降溫,不能滿足機房送風溫度要求時,為此制冷的廠商在熱管精密空調機中增加了機械制的裝置,機械制冷作為熱管制冷的補充,很好的解決了區域氣候條件不足的缺陷,見圖21。
熱管+機械制冷系統的全年運行模式分為三種:壓縮機制冷模式、部分自然冷卻模式、完全自然冷卻模式。
當室外濕球溫度t>T1℃(可調)時，壓縮機工作，自然冷源不工作，系統運行模式為冷機制冷模式。
當室外濕球溫度T1 當室外濕球溫度t≤T2℃(可調)時,壓縮機不工作,自然冷源工作,系統運行模式為完全自然冷卻模式。 熱管+機械制冷模式產品有區域機柜式和行間空調兩種,以適應不同規模數據中心的需要。 3）重力熱管背板 重力熱管型背板空調是熱管技術在數據中心另一種應用,安裝在機柜后門,與機柜緊密結合,通過水冷冷凝器中工質的蒸發、冷凝循環直接冷卻機柜排風,機柜外部形成冷環境。熱管運行時工質回流依靠重力,無須其它動力。熱管背板系統主要由外殼、風機、換熱盤管、控制器、水冷冷凝器、熱管工質、熱管工質管道、水過濾器及群控系統等組件組成,應能實現機組*優性能和保證工藝設備等安全運行。重力熱管型背板空調系統示意和氣流組織如圖22所示。 重力熱管型背板空調適用于前進風后出風,標準服務器機柜,安裝在機柜后門,與機柜緊密結合與機柜形成一體,更接近熱源,機柜內部服務器空氣流動分布均勻。重力熱管型背板空調更有利于機柜吸收、散熱制冷效果。目前重力熱管型空調主要用于8KW～15KW中高密機柜的制冷。 重力熱管型背板空調優勢有: (1)冷媒管進機房,無水患。 (2)不占機柜位,可增加機房出架率。 (3)建筑也無需做預留,后期建設靈活。 (4)風機備份:風機選用多個軸流EC風機,可通過控制單元實現調速功能,且風量放有1.2倍余量,風機接線口采用插拔結構。萬一有某個風機出現故障,其余風機將自動提高轉速,保證機柜正常運行所需風量,并報故障。維護人員有充分的時間替換風機。 (5)背板內雙盤管設計,安全可靠; (6)電源備份:為保證產品的可靠性,可使用雙路電源供電,以防止有一路電源斷電后,風機無法運行。 重力熱管型背板空調需要關注一下的問題: 該技術目前還只是在某運營商已完成試點并規模推廣，一般適用于前進風后出風的標準機柜形式，并且機柜內負載需垂直方向均勻分布，前期規劃需要與使用方確認后期業務類型及服務器形式。 根據以往試點機房的建設價格,背板的投資約為普通冷凍水房間空調建設模式(地板下送風+冷通道封閉)的1.2倍。 制冷管路上、下均走線,或全部上走線,冷量分配模塊需高于機柜1m就近安裝,空調數量、管路多,工藝要求高。 機柜、熱管背板、冷量分配模塊供應商需緊密合作。 2.3熱管技術與傳統空調方案對比 以1棟m2機樓為例,對風冷房間級空調、冷凍水房間級空調、熱管+機械制冷精密空調、熱管背板空調的建設成本、節能效果等進行分析對比,見表1。 熱管技術是在傳統壓縮制冷空調基礎上的演進而來,熱管循環是無動力循環,具有更好的節能性。 熱管背板除了結合冷凍水系統的應用外,現在行業內的廠家也研發出多聯式風冷熱管主機,該產品在數據中心使用,可以實現快速部署,因為復合了自然冷卻模板和機械制冷模板,節能性更好。 總結:熱管技術充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，將機房內的熱量迅速傳遞到室外；熱管技術因為具有無漏水風險、安裝方便、無動力循環、節能效果好等特點，未來會在數據中心空調建設中，扮演更重要的角色。 三、液冷技術在數據中心中制冷系統的應用與前景 現階段主流數據中心所用空調類型,無論是風冷還是水冷,無論是房間級還是行級、背板式,都是先冷卻空氣,再通過冷空氣與服務器的發熱元器件進行熱交換,這種冷卻方式被稱為空氣冷卻或“空冷”。由于空氣的換熱效率差,熱流密度低,造成服務器需要自帶散熱風扇,不僅增加冷卻能耗,而且噪聲大、設備密度低等問題。當單機架功率密度接近20kW時,風冷系統就已達到制冷極限,為解決服務器散熱難題,廠商開始嘗試使用液態流體作為熱量傳輸的中間媒介,將發熱源的熱量通過液體的載體直接傳遞到遠處再進行冷卻,即“液冷”。由于液體冷媒比空氣的比熱大,散熱速度遠遠大于空氣,因此制冷效率遠遠高于風冷散熱,可有效就近解決服務器的散熱問題,降低冷卻系統能耗和噪聲。 3.1液冷技術工作原理和分類 液冷是指使用高比熱容的液體作為熱量傳輸的介質代替空氣,將IT設備的CPU、芯片組、存儲等功能器件在運行時所產生的熱量帶走。目前液冷按照冷卻原理、技術和產品形態主要分為以下三種: 1）冷板式液冷技術 冷板式液冷技術是液體不接觸被冷卻器件,將液冷冷板固定在服務器的主要發熱器件上,依靠流經冷板的液體將熱量帶走達到散熱目的。該技術將冷媒直接導向熱源,同時由于液體比空氣的比熱大,散熱速度遠遠大于空氣,因此制冷效率遠高于風冷散熱。冷板模塊結構示意圖和服務器采用冷板實例見圖23。 冷板液冷解決了服務器里發熱量大的器件的散熱,其他散熱器件還得依靠風冷。所以采用冷板式液冷的服務器也稱為氣液雙通道服務器。 冷板技術可有效解決高密度服務器散熱問題,降低冷卻系統能耗,而且降低對環境制冷要求,同時降低噪聲。采用冷板技術的液冷系統主要由冷板模塊、內循環冷媒傳導系統和外水循環冷卻水散熱系統三部分組成。板模塊服務器發熱元器件產生的熱量導出到服務器機箱外，然后通過內外循環系統將熱量帶出數據中心。冷板式液冷系統工作原理如圖24所示。 2）浸沒式液冷技術 浸沒式液冷技術是一種以液體作為傳熱介質,將發熱元器件完全或部分浸沒在液體中,發熱元器件與液體直接接觸并進行熱交換的技術。在數據中心液冷制冷系統中,浸沒式液冷技術是將服務器的板卡、CPU、內存等發熱元器件完全浸沒在冷卻液中,直接帶走服務器熱量。根據冷卻液工質的制冷形態分為單相浸沒和相變浸沒。單相浸沒式冷卻液不蒸發、不沸騰,靠液體的溫升和流動進行熱交換;相變浸沒式冷卻液通過沸騰、蒸發利用汽化潛熱帶走熱量,相變的液態技術具有更高的傳熱效率。見圖25所示。 浸沒式液冷技術利用液體的流動直接與發熱元器件接帶走熱量,減少了傳熱過程的熱阻,相比冷板式液冷,具有更高的傳熱效果,是也冷卻技術中*節能、*高效新型制冷模式,見圖26。 3）噴淋式液冷技術 噴淋技術是將冷卻液直接通過服務器機箱上的噴淋板,噴射到發熱設備表面或與其接觸的延伸表面,噴淋的液體和被冷卻器件直接接觸,帶走熱量,從而達到設備的冷卻的目的。吸收的熱量被轉移到室外,并與大型冷卻源的外部環境交換,降溫后再送往服務器,循環使用。噴淋式液冷技術原理和工作示意見圖27。 噴淋式液冷技術需要對服務器的機殼或者對整體機柜做相應的改造。 噴淋服務器機箱:與普通服務器機箱相比,主要特點是取消了風扇的進出風口,改為進液口與回液口。服務器機箱有密封處理,防止冷卻液泄露;機箱頂板改為噴淋板,用于向發熱器件噴灑絕緣冷卻液; 液冷機柜:液冷機柜內部設有進液管與回液管,進液管向IT設備供應冷卻液,回液管回收被加熱后的冷卻液; 噴淋冷卻系統主要包括向IT設備噴灑冷卻液的布液裝置(包括特制的噴淋服務器機箱,特制的液冷機柜),冷量分配單元(CDU),室外散熱器;冷量分配單元:內部主要包括泵,過濾器,換熱器,其中,泵的作用是驅動冷卻液流動,向IT設備內不間斷輸送冷卻液;過濾器作用是濾除冷卻液內部的微米級雜質,防止固體雜質在IT設備上沉積;換熱器作用是將冷卻液的熱量與二次循環回路中的冷媒(如水,乙二醇)進行熱交換,見圖28。 室外散熱器:布置于室外的散熱器將二次循環回路中的冷媒與室外空氣進行熱交換,將熱量散失到外部大氣,散熱器通常使用空調行業常用的管翅式換熱器,工業常用的板翅式換熱器,以及冷水塔。管翅式換熱器,板翅式換熱器,冷水塔能夠*大程度利用自然冷源-空氣,無需采用能效較低的壓縮制冷方式,因此較節能。 4）冷卻液類型 在液冷技術中的制冷媒介常用的冷卻液有水、礦物油和氟化液。 水,有良好的比熱容,是一種**的散熱媒介,價格低廉無污染。但由于水并非絕緣體,只能應用于非直接接觸型液冷技術中。 礦物油,是一種價格相對低廉的絕緣冷卻液,單相礦物油無味無毒不易揮發,是一種環境友好型介質,但是,由于礦物油粘性較高比較容易殘留,特定條件下有燃燒的風險。 氟化液,由于具有絕緣且不燃的惰性特點,不會對設備造成任何影響,是目前應用*廣泛的浸沒式冷卻液,但價格較為昂貴。 3.2液冷的優勢與挑戰 1）液冷技術的優勢 (1)熱量帶走更多:同體積液體帶走熱量是同體積空氣3000倍,溫度傳遞更快:液體導熱能力是空氣25倍;可大幅降低CPU和系統的溫度,提高CPU元器件的使用壽命,并提升運算能力; (2)冷板式液冷技術可將服務器風扇功耗可以降低70%～80%,空調系統功耗降低70%; (3)噪音品質更好:同等散熱水平時,液冷系統噪音比風冷噪音降低可降低機房噪音20～30dB; (4)耗電節能更省:液冷系統約比風冷系統節電30%以上。 2）液冷技術應用的場景 冷板式液冷可以將原有風冷服務器升級改裝成冷板式服務器，使數據中心PUE有較大大幅度降低。目前冷板式液冷技術在服務器中已經有標準化產品，曙光、微軟和浪潮等都推出基于冷板技術的服務器，進入商用。有效解決了服務器高密度散熱問題，冷板式液冷更適合用于單機柜15kW～30kW的中高密度數據中心。 浸沒式液冷技術目前還處于按客戶需求定制化階段,沒有標準化產品,服務器的制造商按照需求和提供液冷技術產品的廠商合作,按照浸沒式液冷的要求的定制專用的機柜、機柜內集成電路的插槽和板卡以及所帶板卡的數量。目前只是在個別的BAT的數據中心和超算的數據中心有應用,浸沒式液冷更適用于單機柜功率60kW以上的高密度數據中心。 噴淋式液冷技術目前主要用于現有機柜的節能改造，對原有服務器的機柜和服務器機殼進行改造，將原有的通過風扇降溫的服務器改造成噴淋式液冷，降低服務器的耗能和制冷系統的耗能，應該說有對老舊的數據中心降能節能很廣闊的應用價值。 3.3液冷的發展挑戰與前進之路 目前液冷技術有非常驕人的能效和優勢,在一些服務器的制造商和數據中心得到應用,但在液冷仍然面臨著許多的挑戰,這些挑戰有: 1）涉及到上游、中游和下游的協同 在傳統的風冷和水冷系統是對機房環境溫度的控制,服務器與制冷系統是完全割裂的。而無論是間接或直接的液態冷卻方式都必須涉及上游(產品制造)、中游(設計、材料和施工)和下游(運維)的共同參與和配合。需要與服務器制造廠商聯系在一起,按照液冷的技術要求定制化設計服務器的內部結構、外形和防護,這會增加服務器的制造成本,還需要兼顧可用性、可靠性和后續維護成本,需要上游(制造商)、中游和下游的配合。 2）全密封和泄露 無論是間接或直接液態冷卻,冷板和機柜的全密封至關重要,還需要關注冷媒進/出冷板或機柜連接的可靠性,目前主要還是采用軟管的軟連接,因此對軟連接的材質和連接頭提出更高的要求,不僅要求軟管的材質的可靠性,同時還需要維護時滿足軟連接熱拔插時不會造成液冷劑的泄露。 2017年歐洲云計算巨頭OVH位于法國的數據中心由于水冷系統中的軟管出現裂痕而引起冷卻液流入系統,其中內部有一臺96個固態硬盤和15個磁盤陣列遭受損壞,進而導致該數據中心服務的超過5萬個網站在24h內無法正常訪問。 3）液進風退 液冷技術是目前散熱效果*佳的載體,具有著優良的節能效果,是否液進風退將帶動整個數據中心節能技術和產品成為下一代制冷系統。從目前的情況看,除非有強制的使用冷板液冷服務器的限令或過渡期的要求,幾十年一貫制的風冷服務器有其獨立、快速部署以及與制冷設備的松耦合還會持續一個相當長的的時期。但是對于超過30kW單機柜的數據中心液冷一定成為**。 4)展望 盡管液冷已經從幕后走到前臺,但是還需要有一個檢驗和經驗的積累,有待解決在標準化、降低建造成本上存在的問題。但是毫無疑問,液態冷卻技術是對傳統的制冷技術一項巨大的革命,是對傳統數據中心部署的一場變革,而且這個變革已經到來,液冷技術代表了綠色節能數據中心的發展方向,同時在國家對數據中心能效的指標嚴控和在綠色數據中心和碳排放達標的大環境下,液冷技術會得到大力的發展,將促進數據中心節能邁向一個更高的水平。 部分內容來源于網絡，僅用于學習分享，如發現有侵權，請及時聯系刪除，謝謝。
