數(shù)據(jù)中心有多種冷卻方式，按照制冷方法可以分為機械制冷和自然冷卻，其中機械制冷可以分為風冷直膨空調(diào)系統(tǒng)、風冷冷凍水系統(tǒng)、水冷冷凍水系統(tǒng)和集中冷卻水系統(tǒng)等架構(gòu),自然冷卻包括新風、空氣板換、轉(zhuǎn)輪換熱、蒸發(fā)冷卻和液體冷卻等技術，如圖1所示。

一  風冷直膨系統(tǒng)
　　這是最傳統(tǒng)的冷卻方法,空調(diào)由內(nèi)機和外機通過氟管路連接而成,內(nèi)機由壓縮機、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成,可以實現(xiàn)制冷和氣流輸送等功能,外機則用來散熱,風冷空調(diào)架構(gòu)非常簡單,通常一個空調(diào)內(nèi)機對應一個外機或者兩個外機。

1風冷直膨系統(tǒng)原理
　　空調(diào)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成,制冷劑在壓縮機的作用下在系統(tǒng)中循環(huán)流動,經(jīng)歷了液體——氣體——液體的兩相相變,完成一個制冷循環(huán),如圖3。制冷劑在蒸發(fā)器中吸收機房熱量后沸騰汽化成蒸汽,與之相對應的壓力稱為蒸發(fā)壓力,溫度稱為蒸發(fā)溫度;壓縮機不斷地抽吸蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽并將其壓縮到冷凝壓力,然后送往室外冷凝器,制冷劑在冷凝壓力下冷凝成液體,并將放出的熱量傳給了室外空氣。

　　
2系統(tǒng)特點
　　風冷直膨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,布置靈活方便,由于每臺空調(diào)之間相互獨立,無單點故障,可靠性高,只需要采用N+X方式進行設計和布置,就可以滿足A級機房制冷的要求。　　
　　采用風冷直膨空調(diào)機組時,空調(diào)室內(nèi)機和室外機布置水平距離和垂直距離應盡可能短,防止空調(diào)冷量衰減;外機布置要利于散熱,可根據(jù)室外現(xiàn)場安裝要求,適當放大冷凝器散熱量,改善散熱并降低空調(diào)能耗,浙江地區(qū)BJIDC典型PUE值在1.71左右。
3氟泵節(jié)能
　　氟泵節(jié)能主要由貯液器、氟泵、管路閥門等組成,當室外環(huán)境溫度高于室內(nèi)環(huán)境溫度時,壓縮機系統(tǒng)正常運行,氟泵系統(tǒng)停止工作;當室外環(huán)境溫度在5℃以下,遠小于室內(nèi)環(huán)境溫度,達到系統(tǒng)控制的設定點時,壓縮機停止工作,氟泵啟動。蒸發(fā)器中與室內(nèi)空氣換熱后的制冷劑,直接進入風冷冷凝器與室外冷源進行換熱,冷卻成液態(tài)后的制冷劑在氟泵的作用下克服管阻回到蒸發(fā)器繼續(xù)換熱,達到節(jié)能效果,正常工作模式有壓縮機模式、氟泵模式和聯(lián)合供冷模式,浙江地區(qū)采用氟泵技術后典型PUE值在1.43左右。
　　

二  集中水冷冷凍水型空調(diào)

1水冷冷凍水系統(tǒng)原理
　　水冷冷凍水型系統(tǒng)主要由水冷主機、板換、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、末端設備、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)等組成,如圖5。
　　　　水冷主機通過壓縮機將制冷劑壓縮成液態(tài)后送到蒸發(fā)器蒸發(fā)，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)通過冷凍水泵將常溫水送入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進行熱交換，常溫水降溫變成低溫冷凍水，冷凍水被送到末端冷卻盤管中吸收機房熱量，從而達到降低機房溫度的目的。
2水冷冷水機組特點
　　采用水冷卻和離心機組,效率高、容量大,水冷卻避免了風冷卻夏季容易冷卻不良的缺點,有利于系統(tǒng)運行安全,能效更優(yōu),適合數(shù)據(jù)中心熱負荷大這種場景,如圖6。
　　　　
3自然冷卻
　　水冷冷凍水系統(tǒng)采用水冷卻，不受室外干球溫度制約，在夏季時工作時，效率不受影響。冬季可以使用板換獲得自然冷卻，全年能效比高。水冷冷凍機組一般使用大功率離心機組，能效在6.0以上，明顯高于風冷機房空調(diào)的壓縮機能效。缺點是水冷冷凍機組構(gòu)成復雜，所需設施眾為,需要冷凍機房、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、集水器、分水器等設施。水系統(tǒng)復雜，需要專業(yè)人員維護和值守。另外冷卻水系統(tǒng)需要消耗大量的冷卻水資源。水系統(tǒng)運行中,會產(chǎn)生污垢,需要進行水處理。
4系統(tǒng)特點
　　優(yōu)點:采用冷卻塔散熱,占地面積小且散熱效果好;離心壓縮能效高;冬季情況下使用板換可以實現(xiàn)免費供冷。缺點:系統(tǒng)構(gòu)成復雜,投資大,有冷卻和冷凍兩個水系統(tǒng),建設實施和運行維護復雜;水系統(tǒng)可靠性低,存在水浸機房可能;存在單點故障,需采用設備備份、環(huán)網(wǎng)或者雙系統(tǒng)來解決可靠性問題。常見布置:冷機能效高,終期負荷配備板換自然冷卻可以取得較好的能效,是目前大型數(shù)據(jù)機房中心普遍采用的方案。浙江地區(qū)某數(shù)據(jù)中心典型PUE值在1.43。
三   集中風冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)
　　冷凍水側(cè)構(gòu)成比較復雜,如水泵設計可以選用單級泵,也可以選用兩級泵;水泵、冷機對應方式也有多種形式,可以多機對多泵設計,也可以是一機一泵形式;到末端管路可以單管路、雙管路和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),蓄冷方式可以考慮串聯(lián),也可以考慮并聯(lián),下列設計方式是目前數(shù)據(jù)中心典型的設置方式。
1風冷冷凍水原理
　　風冷冷凍水系統(tǒng),采用風冷水機,風冷水機是利用殼管蒸發(fā)器使水與冷媒進行熱交換,冷媒系統(tǒng)吸收水中的熱負荷,制取冷水,風冷水機采用風冷翅片式冷凝器換熱,熱量由散熱風扇向外界的大氣排放,如圖7。相比水冷冷凍水系統(tǒng),風冷冷凍水省掉了冷卻水系統(tǒng),結(jié)構(gòu)緊湊,不需要專門的冷凍機房,運維簡單方便。不足之處是風冷冷凍水系統(tǒng)容量較小,風冷卻夏季容易高壓,適合室外環(huán)境溫度不是太高,機房熱負荷適中的場景。
　　
　　風冷水機的壓縮機采用螺桿機或者磁懸浮離心機設計,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,運維簡單,但系統(tǒng)容量不如水冷水機;設計時風冷水機宜選擇磁懸浮壓縮機,也可以選擇螺桿壓縮機。
2自然冷卻
　　風冷冷凍水系統(tǒng)可以采用自然冷卻,當室外溫度較低時,可以利用冷空氣直接冷卻冷凍水,從而不開或者減少壓縮機制冷工作時間,這種方法即為自然冷卻方法,有此功能的機組叫自然冷卻機組,也可以外置配獨立自然冷卻模塊。自然冷卻模塊工作方式如圖8,冬季實現(xiàn)無壓縮機運行制冷,節(jié)省壓縮機的電耗。
　　
3風冷冷凍水系統(tǒng)特點
　　風冷冷凍水系統(tǒng)所需的附屬設施比較簡單,一般為冷凍水泵、集水器、分水器和管網(wǎng)等,相比水冷冷凍水系統(tǒng)來說,更為簡單,投資更省?！　?/span>
　　優(yōu)點:①風冷機組可以直接布置在室外,不需要占用專用的冷凍機房,并且無需安裝冷卻塔及泵房,維修簡單,運行方便,無需專業(yè)人員維護;②無冷卻水系統(tǒng),所以不存在冷卻水系統(tǒng)的動力消耗和冷卻水的蒸發(fā)損耗?！　?/span>
　　缺點:①風冷冷凍水機組體型較大,占地面積大,同時室外機噪聲較高,風冷卻和外機集中布置,存在熱島效應,使得外界局部空間環(huán)境條件惡化;②風冷冷凍水運行容易受室外環(huán)境制約,在遇到夏季高溫時,效率大大降低,而且制冷量隨室外溫度升高而降低,這與數(shù)據(jù)中心總熱負荷需求趨勢正好相反。　　
　　另外,為了解決冬季情況下管路里水凍結(jié)問題,冷凍水系統(tǒng)可以加乙二醇溶液進行防凍,加了乙二醇溶液的系統(tǒng),冬季可以較好的解決凍結(jié)的問題,東北某數(shù)據(jù)中心風冷冷凍水配合自然冷卻模塊,典型PUE值在1.48。
四  水冷氟系統(tǒng)（集中冷卻水空調(diào)系統(tǒng)）

1集中冷卻水系統(tǒng)原理
　　集中冷卻水主要是為了解決風冷冷凝器無法布置和夏季高壓的問題,系統(tǒng)原理如圖9,機房空調(diào)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成,用管道連接成一封閉系統(tǒng),制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動,經(jīng)歷了液體——氣體——液體的兩相相變,完成一個制冷循環(huán)。不同的是壓縮機排出的高壓高溫氣體是進入殼管式冷凝器和冷水交換熱量完成冷凝效果，冷卻塔出來的冷水在水泵作用下進入到殼管冷凝器后變成熱水，回到冷卻塔，重新冷卻降溫。
　　
2集中冷卻水組成和架構(gòu)
　　集中冷卻水系統(tǒng)構(gòu)成比較簡單,主要由閉式冷卻塔、水泵、殼管式冷凝器和定壓系統(tǒng)組成,典型架構(gòu)圖,為了系統(tǒng)安全,也需要考慮系統(tǒng)冗余和備份。
　　
3集中冷卻水系統(tǒng)特點
　　優(yōu)點:①集中冷卻水系統(tǒng)只有冷卻水系統(tǒng),系統(tǒng)比較簡單,建設投資較省;②采用閉式冷卻塔,解決了復雜的冷卻水維護問題;③使用殼管冷凝器,解決了水進機房的問題?！　?/span>
　　缺點:①水系統(tǒng)的特點,確定了存在單點故障,需要通過系統(tǒng)備份解決;②集中冷卻水系統(tǒng)效率介于風冷空調(diào)和水冷冷凍水之間。場景:適合大中型數(shù)據(jù)中心集中冷卻水系統(tǒng),浙江地區(qū)典型PUE值在1.63,采用動態(tài)雙冷源技術的YQ數(shù)據(jù)中心,PUE值在1.45左右。
五  雙冷源空調(diào)
　　為了安全,部分數(shù)據(jù)中心有時還會選用雙冷源空調(diào),雙冷源空調(diào)就是空調(diào)系統(tǒng)具備兩種不同方式的制冷系統(tǒng),由于系統(tǒng)存在兩種不同方式的冷源,不存在單點故障,系統(tǒng)運行可靠性高。雙冷源可以采用冷凍水/冷凍水、冷凍水/氟制冷等多種方式,圖11為氟系統(tǒng)和冷凍水雙冷源空調(diào)機,由于機組既可以采用直接蒸發(fā)制冷,也可以采用冷凍水供冷,系統(tǒng)可靠性高,無單點故障。
　　

六  液體冷卻技術
　　隨著數(shù)據(jù)中心高密度設備的快速發(fā)展,服務器級的冷卻開始出現(xiàn)并被使用,其中最典型的就是液冷技術。液冷技術,就是通過液體直接冷卻設備,液體將設備發(fā)熱元件產(chǎn)生熱量直接帶走;采用液冷,可以實現(xiàn)服務器等設備的自然散熱,相對于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng),更為高效節(jié)能?！　?/span>
　　液冷常用的冷卻液有水、礦物油和氟化液。其中水是一種優(yōu)秀的散熱媒介,價格低廉無污染,有良好的比熱容,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(fā),是一種環(huán)境友好型介質(zhì),但是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,是目前應用中最理想最廣泛的浸沒式冷卻液,但價格較為昂貴?！　?/span>
　　按照液體與發(fā)熱器件的接觸方式,大致分為冷板式(間接接觸)、噴淋式和全浸沒式(直接接觸)。
1冷板式
　　就是將液冷冷板固定在服務器的主要發(fā)熱器件上,依靠流經(jīng)冷板的液體將熱量帶走達到散熱的目的;冷板液冷解決了服務器里發(fā)熱量大的器件的散熱,其他發(fā)熱量小的器件還得依靠風冷,所以采用冷板式液冷的服務器也稱為氣液雙通道服務器;冷板的液體不接觸被冷卻器件,中間采用導熱板傳熱,安全性高,如圖12;不利的是采用冷板液冷后,機房還繼續(xù)需要安裝房間級空調(diào)保證機房溫度。
　　
2噴淋式液冷
　　就是在機箱頂部儲液和開孔,根據(jù)發(fā)熱體位置和發(fā)熱量大小不同,讓冷卻液對發(fā)熱體進行噴淋,達到設備冷卻的目的,如圖13;噴淋的液體和被冷器件直接接觸,冷卻效率高;不利的是液體在噴淋過程中遇到高溫物體,會有少量飄逸和蒸發(fā)現(xiàn)象,霧滴和氣體沿機箱孔洞縫隙散發(fā)到機箱外面,造成機房環(huán)境清潔度下降或?qū)ζ渌O備造成影響。
　　
3浸沒式液冷
將發(fā)熱元件直接浸沒在冷卻液中,依靠液體的流動循環(huán)帶走服務器等設備運行產(chǎn)生的熱量。浸沒式液冷由于發(fā)熱元件與冷卻液直接接觸,散熱效率更高,相對于冷板式液冷,噪音更低,可以解決更高熱密度,是典型的直接接觸型液冷。浸沒式分為兩相液冷和單相液冷,常用的為單相液冷,散熱方式可以采用干冷器和冷卻塔等形式;兩相液冷,冷卻液在循環(huán)散熱過程中發(fā)生了相變。兩相液冷傳熱效率更高,但是控制相對復雜,相變過程中壓力會發(fā)生變化,對容器要求很高,使用過程中冷卻液易受污染,實際應用較少。　　
　　單相液冷,冷卻液在循環(huán)散熱過程中始終維持液態(tài),不發(fā)生相變,故單相液冷要求冷卻液的沸點較高,這樣冷卻液揮發(fā)流失控制相對簡單,與IT設備的元器件兼容性比較好,根據(jù)應用場景規(guī)范,可以采用氟化液配合干冷器或者配合冷卻塔+板換散熱。
　　

七 常見節(jié)能技術
　　數(shù)據(jù)中心一年四季都需要制冷,冬季及過渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時,自然界存在著豐富的冷源。合理開發(fā)利用自然冷源是降低數(shù)據(jù)中心能耗,降低機房PUE關鍵性措施。在數(shù)據(jù)中心選址、確定技術方案時應當因地制宜地利用開發(fā)自然冷源。根據(jù)自然冷源的載體自然冷源技術方案大致分為冷風自然冷卻,蒸發(fā)冷卻和冷水自然冷卻。根據(jù)熱量傳遞路徑又分為直接自然冷卻和間接自然冷卻兩種方式。
1新風系統(tǒng)
　　直接利用室外冷空氣冷量,通過風機將室外冷空氣過濾后直接引入到機房里,避免開啟壓縮機,節(jié)省能耗,這種冷卻效率最高,適合在空氣質(zhì)量較好的情況下使用。
　　　　
      應用直接新風系統(tǒng)時,需要重點評估所在地區(qū)的全年空氣質(zhì)量,因為室外空氣中包含有灰塵、二氧化硫、硫化氫、臭氧等有害成分,采用直接新風時存在污染機房、腐蝕機柜的風險,應用中需要考慮一定物理過濾、化學過濾、濕度控制等空氣處理手段,以滿足機房環(huán)境要求。
　
2板換系統(tǒng)
　　通過板換隔絕室外空氣進行換熱,讓冷卻后的空氣送入機房。由于室外空氣無法直接進入機房,空氣板換適合在空氣污染的環(huán)境下使用,冷卻效率要低于新風系統(tǒng),適合在有空氣污染,不適合安裝新風系統(tǒng)的環(huán)境;當室外氣溫較高時,需要機械制冷。
　　
3轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)
　　這是一種全熱交換技術,早期在日本東京都使用,所以也叫京都轉(zhuǎn)輪。它不僅可以交換熱量,還可以交換濕度,作用和板換換熱相似,通過轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn),讓室外空氣和室內(nèi)空氣在轉(zhuǎn)輪處進行熱濕交換。這種方式冷卻效率較高,適合在有空氣污染、不適合安裝新風系統(tǒng)的環(huán)境，由于使用中有輕度的交叉污染，轉(zhuǎn)輪全熱交換和板換相比并沒有明顯優(yōu)勢。
　　
4蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)
　　在氣候干燥的地區(qū),可以采用蒸發(fā)冷卻技術,進一步延長自然冷卻運行的時間,從而實現(xiàn)最大限度的降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗,按照水和空氣是否直接接觸,蒸發(fā)冷卻技術分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻兩種方式。
　　
　?、僦苯诱舭l(fā)節(jié)能技術
　　
　　直接蒸發(fā)冷卻是使空氣和水直接接觸,通過水的蒸發(fā)后,空氣的溫度會下降,其特點是對空氣實現(xiàn)等焓加濕降溫過程,送風降溫的極限溫度為進風的濕球溫度,如圖19。
　　
　　使用加濕后冷卻的空氣可以對機房進行降溫。實際使用中,可以和新風系統(tǒng)配合使用,當室外溫度較低時,直接利用新風降溫;當室外溫度升高時,開啟加濕系統(tǒng),水蒸發(fā)后空氣溫度降低后,再進入機房冷卻,這樣可以延長自然冷卻的時間和效率,適合在空氣質(zhì)量較好的情況下使用,如圖20;要注意的是蒸發(fā)過程會影響機房濕度。
　　
　　②間接蒸發(fā)節(jié)能技術
　　
　　間接蒸發(fā)冷卻是指通過非直接接觸式換熱器,將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給機房循環(huán)空氣,實現(xiàn)空氣等濕降溫的過程,如圖21,在這個過程中,二次空氣經(jīng)處理后其干球溫度和濕球溫度都下降了,而含濕量不變,對送風氣流實現(xiàn)減焓等濕降溫過程,送風降溫的極限溫度為進風的露球溫度。
　　
　　通過蒸發(fā)換熱器隔絕室外空氣,室外空氣無法直接進入機房,適合在空氣污染的環(huán)境下使用,冷卻效率雖然低于直接蒸發(fā)技術,但是室外的污染物無法進入機房,另外蒸發(fā)過程不影響機房濕度,制冷原理如圖22,間接蒸發(fā)的核心器件是蒸發(fā)模塊,其氣流組織包含兩部分,分別為機房內(nèi)氣流和室外氣流。
　　
結(jié)束語
　　數(shù)據(jù)中心應該根據(jù)建設規(guī)模、地理位置、氣象條件等特點,選擇適合自己的制冷方式和自然冷卻方式,充分降低數(shù)據(jù)中心的冷卻成本,提升經(jīng)濟效益。