常见数据中心冷却系统
数据中心常见的制冷方式__概述及解释说明
数据中心常见的制冷方式概述及解释说明1. 引言1.1 概述数据中心是现代社会不可或缺的基础设施，用于存储、处理和传输大量的数据。
然而，随着计算机和服务器的不断发展，它们所产生的热量也越来越多，对数据中心进行有效的制冷成为了一项迫切需要解决的问题。
各种制冷方式因此应运而生，以确保数据中心能够正常运行并保持理想的工作温度。
1.2 文章结构本文将首先对常见的数据中心制冷方式进行概述及解释说明。
然后在接下来的章节中详细介绍每种制冷方式的原理、应用以及优缺点，并进行比较与分析。
最后，文章将展望未来发展趋势并给出结论。
1.3 目的本文旨在提供关于数据中心常见制冷方式的全面介绍，并对每种方式进行详细解释说明。
读者可以通过本文了解到不同制冷方式之间的差异和适用场景，帮助其选择合适的方案来满足自己数据中心制冷需求。
同时，本文也为进一步研究和改进数据中心制冷技术提供了一定程度的参考。
2. 常见的制冷方式2.1 空调制冷方法空调制冷是目前使用最广泛的一种数据中心制冷方式。
它采用了压缩循环制冷系统，利用制冷剂进行热量的吸收和释放。
该方法通过将新鲜空气进入数据中心并经过过滤、降温后供应给设备以保持其正常工作温度。
在此过程中，空调系统将热量排出建筑物外部或转移到其他区域。
2.2 液冷制冷方法液冷制冷方法是另一种常见的数据中心制冷技术。
与空调制冷不同，液冷系统通过将液体直接引入数据中心设备或机架内部来实现散热。
这些液体可以是水或者具有良好热传导性能的液态金属（如液态铜）等。
利用此方法，数据中心可以更高效地移除设备产生的热量。
相较于空调制冷方式，液态散热具有更高的换热效率和更少的能量消耗。
2.3 相变材料制冷方法相变材料制冷是一种新兴而有潜力的数据中心制冷技术。
相变材料是一种可以在特定温度范围内完成相变（如固态到液态）的物质。
当相变材料吸收热量时，它会发生相变并储存大量的热能。
而当环境温度下降时，相变材料会释放储存的热量从而保持设备的正常工作温度。
数据中心空调冷却及余热回收系统技术分析
第38卷,总第222期2020年7月,第4期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol.38,Sum.No.222Jul.2020,No.4 数据中心空调冷却及余热回收系统技术分析崔 科1,赵进良2,付晓飞3(1.百度在线网络技术(北京)有限公司,北京 100000;2.广西建设职业技术学院,广西 南宁 530000;3.河南省锅炉压力容器安全检测研究院,河南 郑州 450000)摘 要:为解决数据中心冷却和余热利用问题,提出把数据中心贴建在自来水厂旁边,利用自来水厂处理的中间过程的源水对数据中心空调系统冷却和回收IT设备余热的系统,该系统不仅能全年不断的把余热回收至居民生活热水中,还能减少冷却塔补水水耗,并以某数据中心举例计算,结果表明采用本技术方案后,每年可节省616.5万kWh电能和37.4万t水,减少0.95万t标煤和2.48万t碳排放,每年还为居民节省生活热水然气加热费1767万元,极大的提高了数据中心能源和水资源利用效率,降低运行成本。
关键词:数据中心余热回收;冷却塔自然冷却;自来水源水自然冷却;数据中心PUE和WUE;居民生活热水加热中图分类号:TK019 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2020)04-0379-06Technical Analysis of Data Center Air Conditioning Cooling andWaste Heat Recovery SystemCUI Ke1,ZHAO Jin-liang2,FU Xiao-fei3(1.Baidu Online Network Technology(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing100000,China;2.Guangxi Polytechnic of Construction,Nanning530000,China;3.The Boiler&PressureVessel Safety Inspection Institute of Henan Province,Zhengzhou450000,China)Abstract:In order to solve the problem of data center cooling and waste heat utilization,this paper puts forward to build the data center next to the water plant,and use the source water of the intermediate process from the water plant to cool the data center air-conditioning system and recover the IT equipment waste heat.This system can recycle waste heat into domestic hot water and reduce cooling tower water consumption,which calculates from a data center as an example.The results show that after adopting this technical solution,the data center can save61.65million kWh annually and374,000tons of water,re⁃duce9,500tons of standard coal and reduce24,800tons of carbon emissions.It also saves17.67million yuan in domestic hot water and natural gas heating costs each year.Key words:data center waste heat recovery;natural cooling tower;natural cooling source of tap water; data center PUE and WUE;resident hot water收稿日期 2019-08-20 修订稿日期 2019-09-19作者简介:崔 科(1982~),男,本科,高级工程师,研究方向为数据中心暖通系统架构、节能技术、余热回收技术。
数据中心液冷系统介绍
数据中心液冷系统介绍(1)数据通信设备冷却系统(DatacomEquipmentCoolingSystem-DECS)：此系统并不延伸到IT机架之外。
这是一个机架内的回路，用于将来自产热部件(中央处理器、存储器、电源等)的热量传给IT机架内的液冷换热器。
有些配置也许无此回路，让来日冷液分配装置(CoolantDistributionUnit一CDU)的流体百接流向负荷。
此回路也许以单相或两相换热形式进行工作，用热管、热虹吸管、泵送流体与/或蒸气压缩循环促进换热。
数据通信设备中采用的典型液体有：水、乙二醇或丙烯二醇与水的化合物、制冷剂或非导电介质。
数据通信设备冷却系统至少应有集热换热器、排热换热器，另外，也会有一些能进一步强化功能的活动部件，如压缩机/水泵、控制阀、电子控制器等。
(2)工艺冷却系统(TechnologyCoolingSystem-TCS)：该系统一般不延伸到IT房间之外，除非在系统配置时将CDU置于数据中心外。
它作为一个专用回路，是要将数据中心内设备冷却系统的热量传递给冷水系统。
此系统尤其受到惟荐，因为它需要处理数据通信设备冷却系统内换热器要求的流体的特殊质量问题--温度、纯度与压力等。
用于工艺冷却回路的典型流体有水、乙二醇或丙烯二醇与水的化合物、制冷剂或非导电介质。
此回路也以单相或两相换热形式进行工作，用热管、热虹吸管、泵送流体与/或蒸气压缩循环促进换热。
工艺冷却系统至少应有集热换热器(多半是数据通信设备冷却系统的集成件)、排热换热器与连接管路。
该系统也会有一些能进一步强化功能的活动部件，如压缩机/水泵、控制阀、电子控制器、过滤器和水力循环附件等。
(3)冷水系统(Chilled-WaterSytem-CWS)：此系统是典型的设施级系统，也可能含一个用于IT房间的专用系统。
它主要由数据中心冷水机组与CDU之间的系统组成。
冷水系统包括了冷水机组站房、水泵、水力循环附件和设施级所需的分布管路。
数据中心常见冷却方式介绍(4)：双冷源精密空调机组
数据中心常见冷却方式介绍（4）：双冷源型精密空调系统数据中心机房内部温湿度环境的控制要依靠室内空调末端得以实现，机房空调具有高效率、高显热比、高可靠性和灵活性的特点，能满足数据中心机房日益增加的服务器散热、湿度恒定控制、空气过滤及其他方面的要求。
随着不同地域PUE的严苛要求以及高密度服务器的广泛应用，数据中心新型的冷却方式被越来越开发及使用。
下面分别介绍几种数据中心传统与新型的冷却方式。
1. 双冷源精密空调系统组成
双冷源精密空调配置两套不同/独立的制冷盘管组成，本文主要介绍风冷直接蒸发式/冷冻水型双冷源精密空调机组，机组组成如下图所示。
机组主要由框架、室内EC风机、控制系统、进出风温湿度传感器、冷冻水盘管、电磁两通调节阀（电动球阀）、冷冻水管路；氟利昂蒸发器盘管、冷凝器盘管、压缩机、节流阀、干燥过滤器、氟利昂管路等组成。
图1 双冷源精密空调机组结构图
2.系统运行控制原理图
该机组由风冷直接蒸发制冷系统和冷冻水盘管组成。
机组正常运行时优先使用冷冻水系统，当冷冻水系统无法满足制冷需求（回风温度、出风温度持续偏高）或冷冻水系统故障（冷冻水中断、冷冻水供水温度持续偏高）时，机组控制器自动启动风冷直接蒸发制冷系统。
水冷双冷源系统与风冷双冷源系统结构类似，只是冷凝器的冷却方式不同，具体差异可查看前几篇文章。
3.产品特点及应用
（1）一般核心IT设备机房会配置双冷源精密空调，提高制冷的连续性。
（2）设备投资成本较高，提高了制冷安全系数。
（3）由于在同一框架内安装两套盘管，体积较大，设备重量较大，对空间及荷载有较高要求。
数据中心自然冷却分析
数据中心自然冷却分析随着信息技术的迅速发展和大数据的兴起，数据中心的需求也日益增加。
然而，传统的数据中心冷却技术往往存在能源消耗高和运行成本昂贵的问题。
因此，研究和应用自然冷却技术成为了数据中心行业的热点。
一、自然冷却技术的概念自然冷却技术是指利用自然界的低温资源和自然对流现象来降低数据中心的温度，实现数据中心的有效冷却。
相比传统的机械冷却技术，自然冷却技术具有能耗低、可持续发展等优势。
二、自然冷却技术的原理1. 外部空气冷却自然冷却技术的一种常见方式是利用外部空气的低温对数据中心进行冷却。
通过设计合理的空气进出口，使外部空气能够有效地流过数据中心的设备，带走设备散热产生的热量，从而降低温度。
2. 直接空气冷却直接空气冷却是指将外部冷凉空气直接引入数据中心，与设备直接接触来提供冷却效果。
这种方式可以减少能源消耗，提高数据中心的能效比。
3. 冷水循环系统冷水循环系统利用低温水对数据中心进行冷却。
通过在数据中心设备周围布置冷水供应系统，将冷水循环进入设备，带走设备散热产生的热量。
三、自然冷却技术的优势1. 节约能源相比传统的机械冷却技术，自然冷却技术能够充分应用自然界的冷却能源，将数据中心的耗能降到最低，实现能源的高效利用。
2. 降低运行成本自然冷却技术不需要额外的能源消耗，因此可以大大降低数据中心的运行成本。
在长期运营中，对于数据中心运营商来说具有显著的经济效益。
3. 环保可持续自然冷却技术减少了对化石燃料的依赖，减少了温室气体的排放。
在推动可持续发展和环保社会建设方面具有重要意义。
四、自然冷却技术的应用案例1. Google数据中心Google是自然冷却技术的广泛应用者之一。
他们在全球各个数据中心都采用了自然冷却技术，通过合理设计风道和散热系统，利用自然界的冷却能源进行数据中心的高效冷却。
2. 某云计算公司某云计算公司的数据中心采用地下水自然冷却技术，通过将地下水引入数据中心进行冷却，降低了能源消耗和运行成本。
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。
常见数据中心冷却系统(两篇)
引言概述：随着大数据和云计算等科技的快速发展，数据中心的规模不断扩大，对冷却系统的需求也越来越高。
本文将对常见的数据中心冷却系统进行深入探讨，包括传统冷却系统、水冷系统、气冷系统、混合冷却系统以及新型冷却技术等方面。
正文内容：一、传统冷却系统1.1空气冷却系统1.2直接蒸发式冷却系统1.3水冷管冷却系统1.4传统冷却系统的优点与缺点1.5传统冷却系统的适用范围和局限性二、水冷系统2.1水冷系统的工作原理2.2水冷系统的构成和组成部件2.3水冷系统的优点与特点2.4水冷系统的应用场景2.5水冷系统的发展趋势和前景三、气冷系统3.1气冷系统的原理和技术3.2气冷系统的构架和工作过程3.3气冷系统的优点与特点3.4气冷系统的应用场景3.5气冷系统的挑战和未来发展方向四、混合冷却系统4.1混合冷却系统的结构和原理4.2混合冷却系统的优点与特点4.3混合冷却系统在数据中心中的应用4.4混合冷却系统的性能和效果评估4.5混合冷却系统的研究进展和前景展望五、新型冷却技术5.1相变材料在数据中心冷却中的应用5.2纳米流体在数据中心冷却中的应用5.3相变风扇在数据中心冷却中的应用5.4新型冷却技术的优点与挑战5.5新型冷却技术的发展方向和前景展望总结：本文对常见的数据中心冷却系统进行了全面的介绍和分析，包括传统冷却系统、水冷系统、气冷系统、混合冷却系统以及新型冷却技术等方面。
每个大点都细分了各个小点，从工作原理、构造、优点、应用场景以及发展趋势等多个角度进行了阐述。
数据中心冷却系统在未来的科技发展中将扮演越来越重要的角色，新型冷却技术的不断创新与应用将进一步提升数据中心的运行效率和可靠性。
引言概述:数据中心是一个用来存放和管理大量电子设备的场所，这些电子设备在长时间工作后会产生大量的热量。
冷却系统是数据中心中至关重要的组成部分，其主要功能是将这些产生的热量有效地排除出去，保持设备的正常工作温度。
本文将详细介绍常见的数据中心冷却系统，包括空调系统、水冷系统和热交换系统。
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。
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常见数据中心冷却系统
由于数据中心的发热量很大且要求基本恒温恒湿永远连续运行，因此能适合其使用的空调系统要求可靠性高(一般设计都有冗余备机)、制冷量大、温差小和风量大。
下面，我们简要介绍下适合数据中心部署的空调冷却系统。
1、风冷精密空调
这是数据中心最传统的制冷解决方案，单机制冷能力一般都在50到200KW之间，一个数据机房一般都是安装多台才能满足需要。
下面是风冷精密空调的工作原理图。
风冷精密空调工作原理图
风冷精密空调一般采用涡旋压缩机制冷(一般安装在精密空调内)，能效比相对比较低，在北京地区一般在1.5到3之间(夏天低，冬天高)。
风冷精密空调在大型数据中心中使用存在以下不足：
●安装困难
●在夏天室外温度很高时，制冷能力严重下降甚至保护停机
●对于传统多层电信机房，容易形成严重的热岛效应
●需要开启加湿除湿功能，消耗大量能源
2、离心式水冷空调系统
这是目前新一代大型数据中心的首选方案，其特点是制冷量大并且整个系统的能效比高(一般能效比在3到6之间)。
离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。
但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的区别，它不是利用汽缸容积减小的方式来提高气体的压力，而是依靠动能的变化来提高气体压力。
离心式水冷空调系统
水冷冷冻机组的工作原理
离心式冷冻机组在小负荷时(一般为满负荷的20%以下)容易发生喘振，不能正常运转。
因此，在数据中心水冷空调系统的设计中一般先安装一台小型的螺杆式水冷机组或风冷水冷机组作为过渡。
大型数据中心的水冷空调系统一般由以下五部分组成，示意图如下。
水冷空调系统示意图
免费冷却技术指全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷从而减少压缩机或冷冻机消耗的能量。
目前常用的免费冷源主要是冬季或春秋季的室外空气。
因此，如果可能的话，数据中心的选址应该在天气比较寒冷或低温时间比较长的地区。
在中国，北方地区都是非常适合采用免费制冷技术。
数据中心在环境温度较低的季节，将室外空气经过过滤后直接送入机房作为冷源，也能节省大量能源，称为风冷自然冷却。
这种自然冷却方式原理比较简单，成本也比较低，但存在以下不足之处：
●空气洁净度不易控制
●空气湿度不易控制
●温度过低易结露
●无法实现全年自然冷却
因此，在大型数据中心中对自然环境要求较高，因此不推荐使用风冷自然冷却方式。
采用水冷空调系统，当室外环境温度较低时，可以关闭制冷机组，采用板式换热器进行换热，称为水冷自然冷却。
这样减少了开启冷机的时间，减少大量能源消耗。
有专家建议，湿球温度在4℃以下时可以满足完全自然冷却，在湿球温度4到10℃之间可是实现部分自然冷却。
大型数据中心水冷系统参考示意图
另外，近年来也有采用封闭冷通道进行冷却进而节省能源的做法。
地板下送风，天花板上回风，精密空调设置单独安装在设备间，机柜面对面摆放冷热通道隔离并实现冷通道封闭(防止冷气短路)，示意图如下。
示意图
冷通道封闭要求做到以下四点：
●地板安装必须不漏风。
●冷通道前后和上面要求完全封闭，不能漏风。
●机柜前部的冷通道必须封闭，没有安装设备的地方必须安装盲板，建议使用免工具盲板。
●地板下电缆、各种管道和墙的开口处要求严格封闭，不能漏风。
地板下方除了消防管道外，尽可能不要安装任何电缆、线槽或管道，因为这些干扰物会干扰地板下空间的送风气流分布，增加风阻，使不同机柜中设备的冷却性能不均匀。
每个机柜的功率密度低于3KW时建议地板的高度为600mm，功率密度在3到5KW之间地板高度建议800mm，功率密度大于5KW时建议地板高度为1000mm。
冷热通道和机柜布局
冷热通道和机柜布局
由于防静电地板的尺寸为600mmX600mm，因此对于单个机柜功率密度小于5KW时的最佳布局是7块地板摆两排机柜。
而对于高密度机柜，可以根据功率密度和通风地板的通风率决定8块或9块地板摆放两排机柜。