数据中心冷却技术系统介绍

当前大数据与人工智能等技术正驱动着数字经济快速发展，这对数据信息的硬件承载者数据中心的需求和要求越来越高。随着服务器芯片不断升级迭代、高性能芯片需求不断增加、服务器密集化程度越来越高，服务器的散热问题已经成为计算机技术发展的瓶颈之一。风冷技术已经成熟应用于芯片散热方面，且为提高散热能力而提高风速所带来的噪音问题和能耗问题也日趋严重。由于空气作为冷却工质的传热性能较差，而液体的比热远远大于空气，为了解决数据中心高效散热问题，液冷解决方案应运而生。

本文将基于新一代定制化数据中心的实践，从常规风冷散热技术下的数据中心冷却系统引入，与大家聊聊近年来数据中心高效节能技术路线中的高频词—液冷技术。

数据中心中的电子信息设备运行过程中消耗的电能绝大部分都转换为废热，若机柜内的这部分热量无法及时转移到周围环境中，机柜内芯片和其他部件的运行温度将急剧升高。对于典型通用计算服务器，各元件中CPU的功耗占比最大，散热需求也相对最大，当机柜服务器内的芯片温度升高至80℃以上，无法保证芯片稳定运行。因此，数据中心需源源不断提供与服务器散热需求相匹配的冷量。当前，绝大多数的数据中心仍然采用风冷散热技术冷却芯片。

1 风冷散热技术下的数据中心冷却系统

大多数风冷服务器包含以下主要硬件构件：CPU、内存、主板、网卡、存储设备、电源和冷却系统（风扇+导流组件）等。服务器内部通过风扇的布局、风道的设计、CPU散热片的布置等热设计来满足其安全稳定运行的散热需求。　　

机架服务器内部结构图

对于采用风冷散热服务器的数据中心，为保证数据中心IT 设备的正常运行，需通过数据中心冷却系统的设计和布置，将IT设备持续运行产生的热量通过机房内的空气和空调设备管路中的媒介（水，空气或其他冷媒）排至室外环境，从而稳定机房内空气的温度和湿度两个重要指标在合理安全的范围内。我国目前现行规范《数据中心设计规范》（GB50174-2017）对于数据中心推荐的环境参数如下表所示。　　

由于风冷散热技术下的数据中心冷却系统和电子信息设备仅通过环境中的空气实现换热过程，IT设备和空调设备的冷却系统设计和日常运维可以很方便地实现解耦，因此较长时间里，风冷散热成为主流技术路线，风冷服务器和与之适配的数据中心冷却系统各自不断进行系统和设备部件的迭代升级，不断提升IT硬件能效和数据中心冷却系统效率。

数据中心冷却系统可根据热量转移阶段分为制冷冷源单元、冷量传输单元、末端散热单元，不同数据中心根据当地气候条件、电子信息设备类型、机柜功率密度等因素选择不同的制冷单元方案。目前常见的数据中心制冷冷源单元根据与外界环境和末端机房的热交换媒介主要分为水冷冷水机组、风冷冷水机组、风冷直膨式空调机组、间接蒸发冷却机组等；冷量传输单元对应可采用冷冻水管路、制冷剂冷媒管路、风管等；末端散热单元可采用房间级精密空调、模块级列间空调、机柜级背板空调等。　　

常用水冷冷冻水机组系统示意图

为直观表示和对比不同数据中心的能效利用情况，一般采用数据中心电能利用效率（PUE）指标。数据中心电能利用效率（PUE）定义为数据中心总耗电量与信息设备耗电量的比值，该数值越接近1，表示数据中心能效能级越高。GB 40879-2021《数据中心能效限定值及能效等级》中将数据中心能效等级分为3级。PUE每减少0.1，若按照0.7元/千瓦时的电费单价计算，每10MW的IT设备容量的数据中心每年运行产生的电费可节省610.3万元。　　

以采用传统的水冷冷水机组系统数据中心为例，下图展示各环节能耗占比情况[4]，制冷系统能耗占IT负载的36%，其中冷水机组的能耗又占整个制冷系统的50%左右。为实现数据中心冷却系统的高效节能运行，最直接有效的办法是最大化利用室外环境的免费制冷，减少冷水机组的运行时间。此外，还可以通过对冷却系统精细化设计、水泵变频、节能空调设备选型、施工工艺优化、运维策略动态调整等方法降低数据中心冷却系统的能耗。但以上的优化过程涉及的环节和因素较多，将每一环节的节能效果发挥到极致难度很大，对于运营团队的能力要求较高。　　

典型数据中心设备能耗结构

在新一代智慧节能数据中心项目中，考虑华东地区气候情况及业务负载特点，冷却主系统采用安全稳定、技术较为成熟的水冷冷水机组系统技术，部分区域制冷采用间接蒸发冷却系统、高效磁悬浮氟泵系统，在相同气候条件下全方位、全生命周期对比不同制冷系统的优缺点。目前冷水机组系统、间接蒸发冷却系统、高效磁悬浮氟泵系统均已正式交付，数据中心的能耗水平将达能效2级。

2 液冷散热技术下的数据中心冷却系统

2.1 什么是液冷数据中心

数据中心液冷技术是使用流动液体将计算机内部元器件产生的热量传递到计算机外，以保证计算机工作在安全温度范围内的一种冷却方法。液冷技术并不是一项新技术，19世纪后便已出现各种形式的液冷应用，例如用于绝缘、冷却超高压变压器、汽车冷却发动机等，但其大规模部署在企业级数据中心的解决方案和案例并不常见。目前，数据中心液冷解决方案根据电子信息设备与冷却液是否直接接触分为接触式液冷技术和非接触式液冷技术，接触式液冷技术主要分为浸没式和喷淋式液冷，非接触式液冷技术主要为冷板式液冷。　　

数据中心液冷系统架构示意图

2.2 液冷数据中心的机会与挑战

数据中心液冷技术作为一项革新性技术，既能实现数据中心的极简设计和极致能效，又契合了服务器芯片未来高功率的趋势，在国家政策对于数据中心严苛的低能耗要求背景下，同时得到IT侧和数据中心侧的共同关注和支持。

对于IT设备，液冷技术很好地解决高功率芯片的散热问题，同时带来芯片表面温度的大幅优化，降低风扇的功耗，从而提升单位功耗下算力。

对于数据中心，液冷冷却技术由于冷却液的进液温度设计可以相对较高（45℃以上），数据中心的冷源系统设计可取消冷机设计，从而实现全国范围内全年利用自然冷源，大部分区域的数据中心可实现PUE低至15以下。同时，数据中心的峰值PUE的降低提升了数据中心IT产出，从而直接降低数据中心TCO成本。

此外随着液冷技术的不断升级和不同专业技术融合的不断加深，数据中心的节能手段从以前的单纯提高空调系统设备能效转向IT设备与制冷设备联合优化调控，通过AI技术进一步实现数据中心全局范围的能效最优。

但液冷技术涉及多专业领域的协同和融合，在真正规模化应用道路上仍面临诸多困难和挑战，需要业内各方从标准制定、技术攻关、成本降低、运营实践等方面推动新技术的切实落地和良性发展。

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