數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多種因素來進行設計和優(yōu)化。通過合理的制冷方式選擇、系統(tǒng)設計、維護保養(yǎng)等方面的措施，保證數(shù)據(jù)中心的冷源穩(wěn)定供給和設備環(huán)境高效管理。

引言

繼“碳達峰、碳中和”之后，工信部、發(fā)改委、財政部等七個部門發(fā)布《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動計劃（2022—2025年）》，提出聚焦數(shù)據(jù)中心采用高效化、綠色化、低碳化技術，加快數(shù)據(jù)中心PUE降低。同時，伴隨著金融科技的快速發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，數(shù)據(jù)中心作為關鍵基礎設施建設規(guī)模也在不斷擴大，能耗逐步攀升。因此，應用數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術促進提升能效比，成為金融數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)“雙碳”目標的途徑之一。根據(jù)PUE公式（1）可知降低PUE需考慮制冷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、其他部分耗能三部分，供電系統(tǒng)主要損耗是設備、線纜自身的電能損耗，由于受限設備選型、系統(tǒng)架構、空間布局影響等原因可壓縮空間十分有限。其他耗能部分由于占比及技術不斷優(yōu)化可壓縮空間也同樣有限。因此數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作優(yōu)先從制冷系統(tǒng)考慮，其中傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)能耗能夠占到三者耗能總和一半以上，因此降低制冷系統(tǒng)能耗是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率最直接和有效的措施。

(資料圖片僅供參考)

圖片

降低制冷系統(tǒng)能耗可以采用更加節(jié)能的制冷系統(tǒng)架構或增加相應輔助制冷系統(tǒng)降低制冷能耗。例如采用自然冷卻技術充分利用室外低溫環(huán)境提供冷源，也可采用輔助噴淋設備增加蒸發(fā)制冷方式，或采用液冷技術利用液體直接將熱量帶走等高效制冷方式。以G行生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心所在地北京為例，依照《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》統(tǒng)計1971年~2003年的實測氣象數(shù)據(jù)為基礎，北京全年干球溫度統(tǒng)計如圖1所示，其中北京全年在0℃以下時長為1580小時，具備在春秋過渡季節(jié)和冬季利用室外低溫進行自然冷卻。

圖1 北京干球溫度統(tǒng)計圖

制冷原理

制冷的基本原理是利用制冷劑在不同壓力下物理性質(zhì)的變化，通過制冷循環(huán)將室內(nèi)熱量吸收到制冷劑中，然后將制冷劑的熱量排放到室外，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。制冷循環(huán)包括四個步驟：壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)。制冷劑在低壓狀態(tài)下從蒸發(fā)器吸收室內(nèi)熱量，經(jīng)過壓縮機壓縮成高壓高溫氣體，然后在冷凝器中與室外空氣進行熱量交換，逐漸冷凝成高壓液態(tài)制冷劑。高壓液態(tài)制冷劑通過節(jié)流閥或膨脹閥減壓，變成低壓液態(tài)制冷劑，然后在蒸發(fā)器中與室內(nèi)空氣進行熱量交換，吸收室內(nèi)熱量并蒸發(fā)成低壓制冷劑氣體。最后，低壓制冷劑氣體再次經(jīng)過壓縮機進入冷凝器，在室外與空氣進行熱量交換，放出熱量并冷凝成液態(tài)制冷劑，進入蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)。這樣，制冷劑不斷地循環(huán)流動，從而實現(xiàn)制冷的過程,其原理如圖2所示。需要注意的是，不同類型的制冷系統(tǒng)可能采用不同的制冷劑和制冷循環(huán)方式，但基本的制冷原理都是相同的。

圖2 制冷循環(huán)原理圖

在數(shù)據(jù)中心中，空調(diào)末端系統(tǒng)和制冷冷源系統(tǒng)通過循環(huán)管路和換熱器進行連接，構成了一個完整的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)。空調(diào)末端系統(tǒng)則是將制冷系統(tǒng)提供的冷源輸送到機房模塊中，通過空氣循環(huán)與IT設備產(chǎn)生的熱量進行能量交換，將機房內(nèi)的熱量帶出去，從而保持機房內(nèi)的溫度和濕度在適宜的范圍內(nèi)，完成整個冷卻循環(huán)。如圖3所示。

圖3 機房模塊制冷原理圖

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)形式

數(shù)據(jù)中心制冷形式多種多樣，按照不同維度進行歸類劃分數(shù)據(jù)中心通常采用的制冷系統(tǒng)形式分別為：氟制冷系統(tǒng)、水制冷系統(tǒng)、風制冷系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)劃分

氟制冷系統(tǒng)本文主要介紹兩種：風冷氟泵系統(tǒng)和冰川相變系統(tǒng)。風冷氟泵系統(tǒng)具有成熟穩(wěn)定的技術在數(shù)據(jù)中心領域有較廣應用場景。冰川相變系統(tǒng)根據(jù)技術迭代結合氟泵系統(tǒng)優(yōu)點并降低設備阻力損耗進一步提高設備的能源利用效率。

風冷氟泵系統(tǒng)：由壓縮機、冷凝器、循環(huán)泵、膨脹閥等部件組成。具備壓縮制冷和氟泵循環(huán)制冷兩種模式。當室外環(huán)境溫度低于系統(tǒng)控制的設定點時，風冷型空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機會停止工作，取而代之的是氟泵。此時，蒸發(fā)器與室內(nèi)空氣換熱后的制冷劑會直接進入風冷冷凝器與室外冷源進行換熱，將其冷卻成液態(tài)。在氟泵的作用下，液態(tài)制冷劑克服管阻回到蒸發(fā)器繼續(xù)換熱，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。總之，當室外環(huán)境溫度低于設定點時，風冷型空調(diào)系統(tǒng)會利用氟泵代替壓縮機進行制冷，從而達到更好的節(jié)能效果，如圖5所示：

圖5 風冷氟泵示意圖

冰川相變系統(tǒng)：近些年隨著技術的不斷更新迭代，技術發(fā)展。在氟泵空調(diào)技術的基礎上，采用蒸發(fā)冷凝、磁懸浮壓縮機、自然冷卻、動力熱管等技術。冰川相變系統(tǒng)具備風能夠在缺水地區(qū)廣泛使用，系統(tǒng)能效比高，實現(xiàn)自由冷卻時間長等優(yōu)點，如圖6所示。

圖6 冰川相變示意圖

水制冷系統(tǒng)技術成熟在中大型數(shù)據(jù)中心中應用廣泛，其中能相較于傳統(tǒng)的空氣冷卻技術具有更高的能源效率、設備及系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。本文主要介紹為風冷冷水系統(tǒng)、水冷冷水系統(tǒng)兩種系統(tǒng)。

風冷冷水系統(tǒng)：采用空氣冷卻方式通過風扇冷卻冷凝器中的冷媒，直接將熱量驅(qū)逐空氣當中冷卻。與水冷冷水系統(tǒng)相比不需要配備冷卻塔、冷卻水泵以及管道等部件，能夠在缺水環(huán)境下保證設備制冷正常運行。風冷冷水系統(tǒng)同時具備簡單可靠、易于維護等優(yōu)點，因此在中大型數(shù)據(jù)中心廣泛應用，如圖7所示。

圖7 風冷冷水示意圖

水冷冷水系統(tǒng)：以G行生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心為例，系統(tǒng)采用大型冷凍水冷機設備配備板換、冷卻塔及水泵管路等部件，采用水泵循環(huán)動力克服管內(nèi)阻力，同時配備水池及蓄冷罐以確保數(shù)據(jù)中心補水及蓄冷。機房熱量通過精密空調(diào)換熱經(jīng)冷凍水傳遞到板換/冷機，冷卻水將熱量帶到冷卻塔傳到室外。水冷冷水機組的自然冷卻一般是在冷卻水和冷凍水回路之間增加板式換熱器，在室外溫度較低時關閉冷水機組，直接用低溫冷卻水作為冷源通過換熱器來冷卻冷水回路。如圖8所示。

圖8 水冷冷水示意圖

風制冷系統(tǒng)本文主要介紹間接蒸發(fā)冷系統(tǒng)，目前金融行業(yè)逐步采用嘗試使用間接蒸發(fā)冷系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)中心整體能耗指標監(jiān)管。利用空氣-空氣換熱器實現(xiàn)室內(nèi)空氣與室外空氣的換熱，同時可以通過噴淋蒸發(fā)降低室外濕球溫度。當空氣換熱無法滿足制冷量需求時，設備開啟機械制冷。相比較傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)減少了換熱環(huán)節(jié)，進一步提高換熱效率。間接蒸發(fā)冷具有室內(nèi)無末端設備，能夠廣泛應用于自然條件優(yōu)越地區(qū)等特點，如圖9所示。

圖9 間接蒸發(fā)冷示意圖

通過對制冷系統(tǒng)從用電量、耗水量、技術成熟度及運維難度綜合對比分析適配數(shù)據(jù)中心架構設計不經(jīng)相同。需要考慮項目所在地周邊環(huán)境、水資源、電力資源以及建設方對技術是否在業(yè)內(nèi)采用普及度。

表1制冷系統(tǒng)綜合對比分析

總結

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多種因素來進行設計和優(yōu)化。通過合理的制冷方式選擇、系統(tǒng)設計、維護保養(yǎng)等方面的措施，保證數(shù)據(jù)中心的冷源穩(wěn)定供給和設備環(huán)境高效管理。

隨著算力需求增長，單機柜功率與能耗相繼攀升，傳統(tǒng)風冷已逐漸無法滿足超算中心的算力增長帶來的高效散熱需求，液冷技術優(yōu)勢日益明顯，詳細液冷內(nèi)容介紹，請關注后續(xù)更新。

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