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【精】數據中心冷卻大全

原創
2020-03-24  明哲工作室

      數據中心有多種冷卻方式,這里對這些方式進行羅列,通過動圖方式進行簡單介紹: 

一、風冷機房空調

        這是最傳統的冷卻方法,空調由內機和外機通過氟管路連接而成,內機由壓縮機、膨脹閥和蒸發器等組成,可以實現制冷和氣流輸送等功能,外機則用來散熱,如圖1。常規采用定速渦旋壓縮機制冷,少量采用數碼渦旋或者變頻渦旋壓縮機;風冷室外機安裝在室外或樓頂,內外機距離有限制:常規不高于室內機20米,不低于室內機5米,室內外管路長度推薦小于60米,超出需要延長組件和措施。

  圖1 風冷機房空調典型結構  

1.2 送風方式:常規分為上送風方式(圖2),風管送風方式(圖3)和地板下送風(圖4):  

圖2  上送風方式

圖3 風管上送風

圖4 地板下送風

1.3 典型布置:為了優化氣流和進一步提升冷卻,采用下送風并進行冷池約束是比較通用的一種方式,如圖5

圖5  房間級空調典型氣流

1.4 適合場景:風冷空調相互間獨立,無單點故障,特別適合中小型數據中心,當輸送氣流距離較短時,可以單側布置,當輸送距離較遠時,采用雙側布置,如圖6

圖6 數據中心風冷空調布置

1.5 內機方式:除房間級空調外,還有風冷行間空調和柜級空調,這種方式,可以降低氣流的輸配距離,減少風機耗電,行間空調配合冷熱池封閉可以取得較好的冷卻效果,圖7,如果不封閉如圖8。

圖7 行間空調+熱池封閉

圖8  風冷行間空調

為了進一步降低氣流輸配距離,部分數據機房也會采用柜級冷卻方式,如熱管背板,圖9

圖9 柜級空調

       1.6 風冷機房空調優缺點

        優點:系統簡單、完全獨立,投資低,分期建設方便,無單點故障,可靠性高。缺點:外機數量多;渦旋壓縮能效低于離心機;外機風冷散熱,大規模布置不宜,夏天容易高壓;整體能效不高。適合:中小型數據中心。

二、集中水冷冷凍水型空調

        水冷冷凍水系統包含兩個水系統,冷卻水系統和冷凍水系統,系統主要由水冷冷水機組、冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵、水處理設備、定壓補水系統、冷凍水空調末端及管路閥門等組成,如圖11

  圖11 水冷冷凍水空調

2.1 壓縮機,水冷冷凍水系統一般采用大型冷凍機組,冷量較大的選用離心機組以獲得較好的能效比,圖12,部分中型數據中心也會選用螺桿機組,圖12

圖12 離心機組工作原理

圖13 螺桿機工作原理

2.2板換:為了進一步提升能效,降低能耗,也會選配板換系統,圖14,當環境溫度較低時,開啟板換自然換熱。

圖14 板換工作原理

2.3 末端方式:冷凍水空調末端也分為房間級(圖15)、行間級(圖16)和柜級空調。

  圖15  冷凍水房間級架構

  圖16  冷凍水行間架構

 部分數據中心也會采用頂置空調,采用熱通道封閉方法,進一步縮短氣流循環距離,安裝頂置空調的放置方式,可以分為臥式(圖17)和立式(圖18)

圖17   頂置空調

圖18   頂置柜級空調

2.4 冷卻塔:冷卻塔有開塔、閉塔,有橫流和逆流之分,數據中心冷卻塔一般選用鋼塔,圖19 為橫流開式鋼塔。

圖19 冷卻塔

2.5 循環水泵:水泵是一種把機械能轉換為液體能量、讓水在水系統中循環起來的裝置,冷凍水和冷卻水的循環都是通過水泵來進行的,常見循環水泵有端吸泵和雙吸泵,如圖20。,

圖20 循環水泵

2.6 蓄冷罐:考慮市電中斷后,冷凍機組從開機到正常運作需要一定的時間,故必須進行一定數量的冷凍水量儲備,如建立蓄冷罐或者蓄冷池,確保機房設備安全運行。蓄冷罐有開式和閉式之分,閉罐又分為立式和臥式,如圖21

圖21 臥式蓄冷罐

2.7系統特點: 優點: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免費供冷。缺點:系統構成復雜,投資大,有冷卻和冷凍兩個水系統,建設實施和運行維護復雜;水系統可靠性低,存在水浸機房可能;存在單點故障,需采用設備備份、環網或者雙系統來解決可靠性問題。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,是目前大型數據機房中心普遍采用的方案。

三、集中風冷冷凍水空調系統

        只有一個冷凍水系統,在殼管蒸發器內,冷凍水與冷媒進行熱交換,冷媒系統吸收水中的熱負荷,使水降溫產生冷凍水﹐通過壓縮機的作用使熱量帶到翅片式冷凝器,再由散熱風扇散失到外界的空氣中,也就是風冷卻,如圖31。

圖21  風冷冷凍水空調原理

3.1系統組成:系統主要由風冷冷水機組、循環水泵、定壓系統、冷凍水空調末端及管路閥門等組成,如圖22。

  圖22  風冷冷凍水空調系統架構

3.2系統特點:優點:只有一個冷凍水系統,系統簡單,運維方便;在冷凍水系統中加入防凍液,可以解決低溫情況下的防凍問題。缺點:風冷機組滿負荷能效低于水冷機組,外機采用風冷,夏季易高壓。場景:在冷凍水系統加入防凍液可以防凍,故適合夏季氣溫不高,冬季氣溫低的東北、西北等極寒區域的數據中心。

四、 水冷氟系統(集中冷卻水空調系統)

        只有一個冷卻水系統,主要由冷卻塔(推薦閉式)、冷卻水泵、定壓系統、殼管換熱器、機房空調內機及管路閥門等組成,圖23。

 圖23  集中冷卻水空調系統原理

4.1系統特點:優點是系統簡單,只有一個冷卻水系統,建設維護方便;采用殼管換熱,水管不進機房;采用冷卻塔散熱,解決普通風冷空調外機無法布置和夏季散熱不良問題;部分負荷和滿負荷情況下能效均較高。缺點:存在單點故障,需采用設備備份、環網或者雙系統來解決可靠性問題。場景:適合大中型數據中心

五、雙冷源空調

        為了安全,部分數據中心有時還會選用雙冷源空調,雙冷源也有多種形式,有風冷/冷凍水/冷卻水等方式,其中最常見的是風冷/水冷冷凍水型(圖24)和風冷/風冷冷凍水(圖25)等方式

圖24 風冷/冷凍水雙冷源空調

圖25 風冷/風冷冷凍水雙冷源空調

五、液體冷卻技術


        液冷技術,就是通過液體直接冷卻設備,液體將設備發熱元件產生熱量直接帶走;按照液體與發熱器件的接觸方式,大致分為冷板式、噴淋式和全浸沒式

1、冷板式:就是將液冷冷板固定在服務器的主要發熱器件上,依靠流經冷板的液體將熱量帶走達到散熱的目的,如圖24。

圖24 冷板式液冷

2、噴淋式:就是在機箱頂部儲液和開孔,根據發熱體位置和發熱量大小不同,讓冷卻液對發熱體進行噴淋,達到設備冷卻的目的,圖25

圖25 噴淋式液冷

3、浸沒式液冷:將發熱元件直接浸沒在冷卻液中,依靠液體的流動循環帶走服務器等設備運行產生的熱量。室外散熱可以采用干冷器(圖26)和冷卻塔等(圖27)形式;

圖26 全浸沒液冷一

圖27 全浸沒液冷二

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