详解数据中心冷却方式及其工作原理
浅谈数据中心冷却技术
目录0102在此背景下，应用液冷技术和液冷服务器等设备的液冷数据中心应运而生，为数据中心的冷却提供了新的解决思路。
数据中心概念图-图源网络液冷是指使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热，带走热量的技术。
液冷技术的高效制冷效果有效提升了服务器的使用效率和稳定性，同时使数据中心在单位空间布置更多的服务器，提高数据中心运算效率，兼具能降噪的优势，余热利用也可以创造更多经济价值。
本文将从液冷技术分类、液体冷却剂（冷却液）及室外冷源三方面为大家做科普。
当前液冷技术主要包括浸没式、喷淋式、冷板式及热管技术等类型，本节主要介绍上述4种液冷技术的系统组成和运行过程。
01 浸没式液冷技术浸没式液冷技术通过浸没发热器件，使得器件与液体直接接触，进行热交换。
根据介质是否存在相态转变又可分为浸没式单相液冷和浸没式相变液冷。
在单相浸没式液冷中，介电冷却液保持液体状态。
电子部件直接浸没在液体中，液体置于密封但易于触及的容器中，热量从电子部件传递到液体中。
通常使用循环泵将经过加热的冷却液流到热交换器，在热交换器中冷却并循环回到容器中。
冷却液在循环散热过程中始终维持液态，不发生相变。
低温冷却液带走热量后，温度升高，升高的冷却液流动到其它区域后重新冷却完成循环。
单相液冷要求冷却液的沸点较高，这样冷却液挥发流失控制相对简单，与IT设备的元器件兼容性比较好，不需要频繁补充冷却液，还可以更轻松地卸载或更换服务器组件，提高了系统的可维护性，但相对于相变液冷其散热效率要低一些。
热管冷却是利用工质的相变来强化换热，实现高效散热的目的。
热管冷却系统一般由密闭容器、毛细结构、冷却介质构成，其热量传递过程可以分为蒸发段、绝热段和冷凝段，三个部分。
工作原理为处于饱和状态的冷却介质储存于储液器中，储液器与电子设备接触，冷却介质吸收电子设备的热量蒸发汽化后在微小的压差下流向温度较低的冷凝段，释放热量之后又凝结成液体，该液体在毛细力作用下重新回流到储液器内，形成循环。
数据中心典型水冷制冷系统介绍
冷水机组 冷却塔
EVAP COND
冷冻水泵 18℃冷冻水
….
12℃冷冻水
蓄冷罐 板式换热器
精密空调 4
⑤
④
③
②
①ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冷 却 塔
冷水 机组 冷凝 器
冷水 机组 蒸发 器
精 密 空 调
IT 设 备
冷水机组
①机房模块间的空气循环：机房模块间IT设备散热后的热空气（约30℃）经过与精密空调低温的冷冻水进行热量交换，变成冷 空气（约22-24℃），再经过精密空调的风机输送至机房模块间冷通道的机柜正面。
8
制冷设备故障 冷冻水泄漏故障
9
机房制冷设备部署形式
1. 机房级
3. 机柜排级
2. 机柜冷池级
4. 机柜级
1010
不同制冷形式对应的PUE范围 1111
数据中心典型水冷制冷系统介绍
2
风冷
水冷
制冷系 统的形
式
液冷制冷
间接蒸发 制冷
3
冷却水 循环
CLT
自来水补水 32℃冷却水
A路
38℃冷却水
冷却水泵
EVAP COND
冷冻水 循环
冷冻水泵
12℃冷冻水
18℃冷冻水
….
上半部分为冷却水循环 下半部分为冷冻水循环
B路
38℃冷却水
冷却水泵
CLT
自来水补水 32℃冷却水
55
水冷变频离心式冷水机组 在制冷系统中发挥着核心作用
冷 水 机 组
精
压缩机
控
密
制
空 调
面 板
冷 却
冷凝器
蒸发器
塔
6
冷冻水型精密空调 直接为IT设备提供恒温恒湿环境的空调设备
数据中心设备散热水冷机风冷和液冷冷却方式介绍
数据中心设备散热水冷机风冷和液冷冷却方式介绍随着数据中心的进展建设中，其能耗要求在不绝降低，数据中心设备散热水冷机的液冷冷却方式是使用液体作为冷媒为发热部件散热的一种技术，接下来为您介绍风冷和液冷的冷却方式。
一、数据中心风冷冷却方式介绍以前数据中心设备散热水冷机以风冷为主，风冷是将空气作为冷媒，把服务器主板、CPU等散发出的热量传递给散热器模块，再利用风扇或空调制冷等方式将热量吹走，这也是散热系统消耗数据中心近半电力的重要原因。
风冷包含直接空气自然冷技术和间接空气自然冷技术。
直接空气自然冷可以依据室外温度结合机械制冷给数据中心内部设备散热，这种技术能效高，但空气质量的不确定性会带来较大风险，特别是室外空气湿度过高或者有害气体过多会对IT设备造成损坏。
为了躲避这种情况发生，近些年的数据中心开始采纳间接空气自然冷技术，将室外冷空气通过空气热换器对室内热空气进行冷却，躲避室外空气进入数据中心内部，受环境影响较直接冷较小。
这两种风冷技术效率都比较高，但对环境和安装要求较高，会对IT设备造成损耗降低牢靠性。
随着数据中心规模加添及单机柜功率密度加添，对制冷也提出了更高要求，面对下一代IT系统的液冷技术应运而生。
二、数据中心液冷冷却方式介绍液冷作为当前数据中心设备散热水冷机的散热方式，通过外部冷却水或冷冻水系统实现系统换热，实在是使用高比热容的液体作为传热工作介质来充足IT设备（如服务器）的冷却需求。
目前，基于液冷技术的主流方案包含冷板式液冷和浸没式液冷两种。
冷板式液冷也称间接式液冷，也就是冷媒和被冷却对象分别，不会直接接触。
通过液冷等热传导部件，将被冷却对象的热量传递到冷媒中。
一般冷板式液冷只用于冷却CPU、内存等关键器件，只占总发热量的一半左右，因此还需要搭配风冷散热，可以削减IT设备自带风扇的数量和电耗，实现很大程度的。
浸没式液冷也叫直接式液冷，是将IT设备包含服务器主板、CPU、内存等发热量大的元器件全部浸入冷却液中，用冷却液体替代空气给IT设备降温，让被冷却对象与冷媒直接接触，因发热元器件冷却均匀度更好，可以选择肯定温度下相变的液体。
数据中心冷却技术
数据中心冷却[1]：热回收数据中心热回收是对数据中心空调系统的余热进行收集并回收利用，进而达到能源高效利用，提升热经济性。
由于数据中心全年处在运行状态，产生的余热量大且品质稳定，但温度水平较低，使得热利用面临效益低下问题，故数据中心余热回收利用是一个值得探讨的挑战性问题。
目前，数据中心热回收技术主要是通过收集冷凝器产生的余热满足周围建筑的供暖和生活热水需求。
图1数据中心典型的冷却系统数据中心热回收过程可分成三个组成部分。
首先是在数据中心侧，对其进行冷却，收集产生的余热。
接着将数据中心收集到的余热与热回收循环水换热，循环水温度通过热泵提升达到供暖设计温度后进入蓄热水箱进行统一的热管理，最后经水箱调节后进入民用供暖管网。
图2热回收过程示意图以冷板式液冷数据中心的热回收过程为例。
其散热包括两部分——冷板芯片散热及其他电气元器件的风冷散热。
由于液冷可以达到承受较高的水温，因此室外可采用干冷器直接散热，在液冷高温回水返回干冷器前进入串联的液冷散热热回收换热器，与管网回水换热，再送至用户端完成整个热回收过程。
同时冷板式液冷数据中心还有20%-30%左右的热量需通过风冷散热。
风冷散热可采用传统冷冻水精密空调末端制冷，利用全热回收冷水机组在制冷同时进行热回收，并配置闭式冷却塔平衡散热及热回收量。
此外，在闭式冷却塔与冷冻水系统之间可设置自然冷却换热器，供低温季节进行自然冷却。
图3冷板式液冷数据中心热回收示意图在目前的数据中心中使用冷凝热回收，满足周围建筑供暖和生活热水已经有许多成功的案例，例如瑞典的斯德哥尔摩数据中心，其产生的热量可满足2万套现代住宅公寓的供暖；国内腾讯在天津滨海的数据中心，其产生的余热可满足5100多户居民的用热需求。
热回收技术在数据中心中的应用，能够有效解决因数据中心散热导致的热岛效应，同时提高能源利用效率。
相信随着热回收技术的发展，还会有更多不同的余热利用形式在数据中心得以成功应用。
数据中心冷却[2]：冰蓄冷冰蓄冷技术是一种利用夜间用电低谷时段，把冷量以冰的形式储存起来，在白天用电高峰时段将储存的冷量释放出来，通过“削峰填谷”的运作方式，提高能源利用效率，优化资源配置的制冷技术。
数据中心冷却系统
间接接触式冷却通常采用空气或其他气体作 为冷却介质，将服务器等设备的热量通过热 交换器传递给冷却介质，然后通过空气或气 体循环将热量排出数据中心。同时，间接接 触式冷却也可以采用水冷或氟利昂等液体作 为冷却介质，通过热交换器将设备热量传递 给液体冷却介质，然后通过水泵或制冷剂循
环将热量排出数据中心。
提高设备性能
良好的冷却系统可以保证数据中心内的设备在适宜的温度下运行，这有 助于提高设备的性能和稳定性，从而提升整个数据中心的运行效率。
03
降低能耗
高效的冷却系统能够有效地降低数据中心的能耗，这对于节能减排、降
低运营成本具有重要意义。
数据中心冷却系统的历史与发展
历史
数据中心冷却系统的发展可以追溯到上世纪90年代，当时的 数据中心主要以大型机为主，需要大量的冷却散热。随着计 算机技术的发展，数据中心的规模不断扩大，对冷却系统的 需求也不断增加。
数据中心冷却系统
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目录
• 数据中心冷却系统概述 • 数据中心冷却系统的种类与技术 • 数据中心冷却系统的设计与优化 • 数据中心冷却系统的挑战与解决方案 • 数据中心冷却系统的发展趋势与未来展望
01
数据中心冷却系统概述
Chapter
定义与特点
定义
数据中心冷却系统是指用于降低数据中心内部设备 温度的专门系统，它通常由一系列冷却设备和部件 组成，如制冷设备、冷却塔、水泵、管道等。
智能化与自动化在冷却系统中的应用
智能传感器与控制器
在冷却系统中集成智能传感器和控制器，实现对数据中心温度、湿度的实时监 测和控制。
自动化调度与优化
通过自动化技术实现对冷却系统的实时调度和优化，以适应数据中心不同负载 和环境条件。
数据中心间接蒸发自然冷却技术原理、结构、分类和应用
数据中心间接蒸发自然冷却技术原理、结构、分类和应用数据中心制冷技术历经风冷直膨式系统、水冷系统、水侧自然冷却系统及风侧自然冷却系统等时期，节能技术逐步发展。
目前大型数据中心应用的间接蒸发自然冷却方式，与传统新风自然冷却及冷冻水冷却系统相比，具有室内空气不受室外环境空气质量的影响、喷淋加湿空气不会影响室内湿度、过滤器维护成本低、耗水量少、节能水平高等特点和优势。
（仅为示意图，不对应文中任何产品）一：蒸发冷却技术分类数据中心常用节能方式：蒸发冷却技术分类：二：间接蒸发自然冷却技术原理和结构1、间接蒸发冷却技术原理间接蒸发冷却作为蒸发冷却的一种独特等湿降温方式，其基本原理是：利用直接蒸发冷却后的空气(称为二次空气)和水，通过换热器与室外空气进行热交换，实现新风(称为一次空气)冷却。
由于空气不与水直接接触，其含湿量保持不变，一次空气变化过程是一个等湿降温过程。
间接蒸发冷却原理示意图2、间接蒸发冷却机组结构间接蒸发系统由喷淋装置、换热芯体、室内风机、室外风机、机械制冷补充装置、控制系统等组成。
三：间接蒸发自然冷却系统运行模式蒸发冷却基于干湿球温差制冷，注重环境干球温度和湿球温度，主要存在三种工作模式：1. 间接风风换热自然冷却模式（室外＜18℃）在冬季室外温度低的情况下，上部室外侧气流进入机组。
首先进行空气过滤。
因为室外空气温度低，无需绝热蒸发所产生的制冷量足够在换热器内冷却服务器机房回风。
经过换热器后，吸收热量的室外空气回到上部，由室外侧EC 风机墙排放到室外。
在机组下部分，机房内部的热回风首先经过过滤，在热交换器中和室外空气进行热交换。
冷却后的机房回风，经过室内侧EC 风机墙被送入服务器机房。
干模式运行示意图2. 间接蒸发自然冷却模式（干球温度＞18℃，湿球温度＜18℃）在春秋季室外温度较低的情况下，上部室外侧气流进入机组。
首先进行空气过滤。
因为室外空气温度不够低，需要通过高压微雾喷淋进行绝热蒸发制冷的来补充制冷量。
详解数据中心冷却方式及其工作原理
新型高效散热技术发展趋势
液体冷却技术
随着服务器功率密度的提高，传 统的风冷方式已无法满足高热流 密度芯片的散热需求，液体冷却 技术如浸没式冷却和冷板式冷却
等逐渐受到关注。
热管技术
热管利用工质的相变原理进行热 量传递，具有高效、可靠、无需 外部动力等优点，适用于高热流 密度和小型化数据中心的散热。
热电制冷技术
液体冷却优缺点分析
01
系统复杂性
液体冷却系统相比空气冷却系统更为复杂，需要更多的设备和管道来支
持冷却液的循环流动。
02
维护成本较高
液体冷却系统的维护成本相对较高，需要定期检查和更换冷却液，清洗
管道和设备等。
03
潜在泄漏风险
虽然现代液体冷却系统采用了高密封性的设计和高质量的材料，但仍存
在潜在的泄漏风险。一旦发生泄漏，可能会对数据中心设备造成损坏或
01
03
通过综合运用高效散热技术、智能化监控和运维管理 以及绿色环保理念，可以构建高效、可靠、绿色的数
据中心，为数字经济的可持续发展做出贡献。
04
绿色环保理念是数据中心发展的重要趋势，需要关注 可再生能源利用和废热回收技术等环保技术的应用。
THANKS 感谢观看
VS
评估方法
通过实验测试和数值模拟等手段，对双工 质冷却系统的性能进行评估和优化。
双工质冷却优缺点分析
优点
散热效率高，适用于高热流密度场景；节能 环保，符合绿色数据中心发展趋势。
缺点
系统复杂度高，维护成本较高；对工作环境 温度和湿度有一定要求。
05 冷却方式选择与设计考虑因素
数据中心规模与布局
工作流程
高温热源加热蒸发器中的低沸点工质，使其蒸发并吸收热量；蒸发的低沸点工质进入冷凝器，被冷却水或 空气冷却后凝结成液体，释放热量；同时，高沸点工质在冷凝器中吸收低沸点工质释放的热量并蒸发；高 沸点工质蒸汽进入压缩机，被压缩升温后回到蒸发器，完成一个循环。
数据中心机柜冷却技术
数据中心机柜冷却技术随着数字化和网络化时代的发展，数据中心的需求日益增多，而数据中心机柜的冷却技术则成为了一个重要的问题。
良好的冷却技术可以确保服务器和设备的正常运行，同时降低耗电量，提高能效。
因此，本文将介绍几种数据中心机柜冷却技术以及它们的特点和应用。
一、热交换器冷却技术热交换器冷却技术是目前应用较为广泛的一种技术。
它通过利用冷却液与热量产生源进行热交换，达到冷却的效果。
这种技术可以有效地控制温度，保持数据中心的稳定运行。
同时，它可以减少能源的消耗，并提高能源的利用效率。
热交换器冷却技术具有可靠性高、维护成本低的特点，在数据中心中得到了广泛的应用。
二、风冷却技术风冷却技术是一种传统且常见的冷却方式。
它通过利用空气进行传热，将热量带走，实现冷却的效果。
风冷却技术具有成本低、易于实施的优势。
然而，它也存在一些问题，比如过热点的问题。
在数据中心中，由于机柜的密集布置，某些区域可能形成热量聚集的过热点，从而影响冷却效果。
因此，在应用风冷却技术时，需要合理规划机柜的布局，以提高冷却效果。
三、液冷却技术液冷却技术是一种高效的冷却方式。
它将液体引入机柜内部，通过直接接触加热元件的方式进行冷却。
相比于风冷却技术，液冷却技术可以实现更高效的散热，同时还可以减少噪音和能源消耗。
然而，液冷却技术在实施过程中也存在一些挑战，比如技术要求高、维护成本高等问题。
因此，在应用液冷却技术时，需要根据实际情况进行评估和选择。
四、热回收技术热回收技术是一种能源利用的方式。
它通过将机柜产生的热量进行回收再利用，用于供暖、热水或其他用途。
热回收技术可以提高能源的利用效率，减少能源的浪费。
在数据中心中，机柜产生的大量热量如果能够得到合理的回收利用，将有效降低数据中心的能源消耗，实现可持续发展。
综上所述，数据中心机柜冷却技术是确保数据中心正常运行的关键因素之一。
热交换器冷却技术、风冷却技术、液冷却技术和热回收技术都是常见的冷却技术。
根据实际情况和需求，选择适合的冷却技术对于提高数据中心的能效、降低能源消耗具有重要意义。
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详解数据中心冷却方式及其工作原理
数据中心是大规模的计算设备和存储设备的集合体，是现代信息技术的基础设施之一。
由于数据中心设备长时间运行会产生大量的热量，如果不加以冷却处理，会严重影响设备的稳定运行和寿命，因此数据中心冷却系统是非常重要的一部分。
目前数据中心冷却系统主要采用的方式有空调冷却和液冷冷却，本文将详细介绍这两种冷却方式及其工作原理。
一、空调冷却
空调冷却是目前数据中心主要采用的冷却方式之一。
空调冷却系统通常包括制冷设备、冷却水系统、空调机组、冷却塔、配电系统和控制系统等部分。
1.制冷设备
制冷设备通常采用制冷剂对数据中心设备进行冷却。
常见的制冷设备包括制冷机、制冷冷却塔、蒸发器和冷媒等。
通过这些设备，可以将热量从数据中心设备中吸收，并将其释放到外界环境中去。
2.冷却水系统
冷却水系统通常包括冷却水泵、冷却水箱、水管和冷却水阀等设备。
制冷设备通过冷却水系统将热量带走，并经过冷却处理后再循环使用。
3.空调机组
空调机组是空调冷却系统中的核心部件，它能够通过冷却水系统将热量带走，并将冷却后的空气送到数据中心设备的周围，从而将设备的温度保持在一个适宜的范围内。
4.冷却塔
冷却塔通常用于将空调机组升温后的冷却水进行冷却处理，然后再通过冷却水系统送到制冷设备中去，形成一个循环工作的过程。
5.配电系统和控制系统
配电系统和控制系统用于监控和控制整个空调冷却系统的运行，保证其能够稳定地工作，并及时发现和排除故障。
空调冷却系统的工作原理主要是通过制冷设备的作用，将数据中心设备产生的热量吸收并带走，然后通过冷却水系统将热量经过冷却
处理后再次循环使用，最终通过空调机组将冷却后的空气送到数据中心设备的周围，从而实现冷却的目的。
二、液冷冷却
液冷冷却是一种较为新颖且高效的数据中心冷却方式，它主要通过将液体直接送到数据中心设备的表面来进行冷却。
液冷冷却系统通常包括冷却液、冷却设备、循环泵、热交换器和管道等部分。
1.冷却液
液冷冷却系统通常采用高导热系数的油类液体或者蒸发冷却液来进行冷却。
这些液体经过冷却处理后能够有效地将数据中心设备产生的热量带走，保证设备的温度保持在一个合适的范围内。
2.冷却设备
冷却设备通常是一种专门设计的冷却装置，能够将冷却液送到数据中心设备的表面进行全面冷却，从而有效地提高冷却效果。
3.循环泵和热交换器
循环泵通过管道将冷却液送到冷却设备和数据中心设备的表面进行冷却。
而热交换器则能够将冷却后的液体重新加热，并将热量释放到外界环境中去，形成一个循环工作的过程。
液冷冷却系统的工作原理主要是通过冷却液和冷却设备的作用，将数据中心设备产生的热量直接带走，从而实现冷却的目的。
与空调冷却系统相比，液冷冷却系统具有更高效的冷却效果，能够更有效地保证数据中心设备的稳定运行。
在实际应用中，数据中心通常会根据自身的情况和需求选择合适的冷却方式，在一些密集型和高性能的数据中心中，液冷冷却系统通常能够取得更好的冷却效果，而在一些传统型数据中心中，空调冷却系统则更为普遍，两种冷却方式往往也会相互结合使用，以达到更好的冷却效果。
总的来说，数据中心冷却系统在保证设备正常运行的同时，也对能源的消耗和环境保护提出了更高的要求。
因此，在未来的发展中，数据中心冷却技术将更加注重能源效率和环保性能，同时也将更加注重对新型冷却材料和技术的研究和应用。