几种数据中心典型的制冷技术

发布日期:2023-07-16 沪昆回收站

原文标题:《好热好热,谁来给我升级一下空调啊!!!》

夏日炎炎,吃着西瓜吹着空调上着网是一件非常惬意的事。你有没有想过,就在网络的那一边,大量服务器正在马不停蹄地为我们服务。它们 24 小时不停歇的工作,更是一刻离不开空调。

今天(2023年07月16日)文档君带大家一起了解几种数据中心典型的制冷技术。

1.机械风冷式制冷

2005 年前,属于网络业务发展初期,数据中心的算力规模还比较小,数据中心主要采用机械风冷式空调制冷。这种空调的基本运行原理与家用空调原理相同,主要通过压缩机机械做功改变制冷剂的状态来制冷,制冷原理如下图所示。

1、压缩机将气态制冷剂压缩为高温高压状态。

2、高温高压的气态制冷剂经过冷凝器时,由于环境温度低于制冷剂的沸点温度,冷凝成为液态,同时向环境放热。

3、冷凝器出来的液态制冷剂经过膨胀阀节流降压,进入蒸发器。

4、进入蒸发器后,由于环境温度高于制冷剂沸点温度,液态制冷剂蒸发成为气态,同时从环境吸热,到制冷目的。

以上过程循环往复,利用了制冷剂的气态和液态转换过程中,冷凝放热和蒸发吸热的原理。

机械风冷式空调实际安装部署时,通常将冷凝器部署在室外进行散热,蒸发器、膨胀阀和压缩机部署在室内为设备制冷。如下图所示。

机械风冷式空调每台机组相对独立控制和运行,安装和维护比较简单,同时制冷效率比较低,室外机也会占用较大场地。

2.冷冻水制冷

2005-2015 年间,随着互联网(Internet)和移动互联网(Internet)业务爆发,数据中心的算力规模增大,冷冻水系统开始逐渐应用。冷冻水系统在机械风冷式制冷循环基础上,叠加了冷却水循环和冷冻水循环实现制冷,原理如下图所示。

1、制冷剂循环:与机械风冷式制冷相同,蒸发器处制冷产生冷量,冷凝器处制热产生热量。

2、冷冻水循环:水泵驱动管路中的水与蒸发器换热,得到冷冻水,冷冻水载送冷量到空气处理机组。

3、空气循环:空气处理机组与冷冻水换热,得到冷风,向室内送风,达到制冷目的。

4、冷却水循环:水泵驱动管路中的水与冷凝器换热,得到冷却水,冷却水载送热量到冷却塔,热量通过冷却塔释放出去。

冷冻水空调系统实际安装部署时,通常压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等集成部署在建筑内制冷,冷却塔部署在楼顶散热。如下图所示。

冷冻水系统制冷容量更大,能效和稳定性更高,集中为多个末端供冷,同时由于水管管路较多,安装部署时需要大量焊接操作。

3.间接蒸发制冷

2005-2015 年间,随着互联网(Internet)和移动互联网(Internet)业务爆发,数据中心的算力规模进一步增加,间接蒸发制冷系统开始逐渐应用。间接蒸发制冷通过非直接接触式换热器,实现外部自然冷风与数据中心热回风进行热交换。原理如下图所示。

1、外部自然空气(二次空气)从底部进风,经过换热器,从顶部出风。

2、数据中心空气(一次空气)从水平进风,经过换热器与二次空气换热,达到制冷目的。

间接蒸发制冷空调集成有多种工作模式,提供不同的制冷级别。

干模式

当二次空气温度较低时,可以直接与一次空气换热实现制冷。

湿模式

当二次空气温度较高时,通过喷淋水加湿二次空气,使二次空气蒸发后降温,再与一次空气换热实现制冷。

混合模式

在干模式和湿模式的基础上,再增加传统机械风冷系统作为辅助制冷手段。

间接蒸发制冷空调实际安装部署时,通常部署在数据中心的侧面或者顶端。如下图所示。

间接蒸发制冷结合了自然冷源制冷与蒸发制冷技术,增加自然冷却时间,进一步提高了制冷效率。同时基于间接蒸发制冷实现的产品也逐渐预制化、模块化,安装部署更便捷。

4.液冷制冷

提到液冷,大家是否联想(Lenovo)到谷歌(Google)微软(Microsoft)等公司直接将数据中心放在海里面或者放在山区洞穴里的实践,或者 DIY 的酷炫液冷机箱。2020 年后,数据中心内算力的不断增长,导致传统风冷方式散热已经接近瓶颈,具有更高散热效率的液冷技术开始逐渐兴起。原理如下图所示。

液冷制冷通常有三种方式:

冷板式液冷

通过液冷板将发热器件的热量间接传递给循环管路中的冷却液,并将热量带走。

浸没式液冷

直接以冷却液作为传热介质,发热器件完全“泡”在冷却液中并通过直接接触热交换。

喷淋式液冷

通过喷淋冷却液方式为发热器件散热。

液冷制冷系统实际安装部署时,通常冷却塔部署在室外,CDU(Cooling Distribution Unit,冷量分配单元)和机柜内液冷器件部署在室内,并通过风冷空调补充冷量。原理如下图所示。

液冷技术得益于液体比气体的比热容高,具有更高的散热效率。液冷制冷是用液体代替传统空气散热,直接对 CPU 等高发热器件高效制冷。液冷系统仅需要水泵等少量耗能元件,节能效果显著。

总结

今天(2023年07月16日)的内容就是这些。文档君和大家一起来简单总结一下四种制冷技术。

制冷技术
应用场景
制冷效率
部署和运维
机械风冷式制冷
小型数据中心
较低
比较简单
冷冻水制冷
中大型数据中心

比较复杂
间接蒸发制冷
微模块 / 集装箱数据中心
较高
比较简单
液冷制冷
大型数据中心
极高
比较复杂

数据中心节能降耗的基本需求没有变,制冷技术也一直在向着更加绿色的方向不断前进。未来的制冷技术,会是什么样子,感兴趣的粉丝可以给文档君留言,聊聊你眼中的制冷技术发展方向。


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