数据中心有多种冷却方式,其中风冷直膨空调系统、风冷冷冻水系统、水冷冷冻水系统和集中冷却水系统等架构为最常规冷却方式,选择合适的冷却方式和合理的节能技术,可以在保证数据中心安全的前提下实现高效节能运行,从而达到降低数据中心能耗、减少数据中心碳排放、实现数据中心碳中和的目的。
　　
　　1 风冷直膨系统
　　
　　在小型或者缺水地区,风冷直膨空调是不二选择,它由内机和外机通过氟管路连接而成,内机由压缩机、膨胀阀和蒸发器等组成,可以实现制冷和气流输送等功能,外机则用来散热,风冷空调架构非常简单,通常一个空调内机对应一个外机或者两个外机,如图1所示。空调由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,制冷剂在压缩机的作用下在系统中循环流动,经历了液体——气体——液体的两相相变,完成一个制冷循环。制冷剂在蒸发器中吸收机房热量后沸腾汽化成蒸汽,与之相对应的压力称为蒸发压力,温度称为蒸发温度;压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽并将其压缩到冷凝压力,然后送往室外冷凝器,制冷剂在冷凝压力下冷凝成液体,并将放出的热量传给了室外空气。
　　
　　风冷直膨节能:
　　
　　风冷直膨系统结构简单,布置灵活方便,由于每台空调之间相互独立,无单点故障,可靠性高,只需要采用N+X方式进行设计和布置,就可以满足A级机房制冷的要求。采用风冷直膨空调机组时,空调室内机和室外机布置水平距离和垂直距离应尽可能短,防止空调冷量衰减;外机布置要利于散热,可根据室外现场安装要求,适当放大冷凝器散热量,改善散热并降低空调能耗,浙江地区典型PUE值在1.71左右。其中采用变频技术和自然冷却是关键节能技术。
　　
　　①压缩机变频
　　
　　压缩机是机房空调能耗的最关键因素，减少空调系统的耗能是关键点，采用变频压缩机，可以让压缩机在部分负荷情况下运行，从而大幅度使用冷凝器和蒸发器面积，浙江电信采用维谛PEX4.0空调，该空调配置变频压缩机、EC风机、电子膨胀阀和VCC室外机等节能技术，空调能耗下降了35%。
　　
　　②氟泵节能
　　
　　氟泵节能技术,就是在环境温度较低情况下,停止压缩机工作,让制冷剂通过氟泵进行循环,从而达到节能目的,如图2。氟泵节能主要由贮液器、氟泵、管路阀门等组成,当室外环境温度高于室内环境温度时,压缩机系统正常运行,氟泵系统停止工作;当室外环境温度在5℃以下,远小于室内环境温度,达到系统控制的设定点时,压缩机停止工作,氟泵启动。蒸发器中与室内空气换热后的制冷剂,直接进入风冷冷凝器与室外冷源进行换热,冷却成液态后的制冷剂在氟泵的作用下克服管阻回到蒸发器继续换热,达到节能效果。正常工作模式有压缩机模式、氟泵模式和联合供冷模式,浙江地区采用氟泵技术后典型PUE值在1.43左右。
　　
　　③室内风机节能
　　
　　由于室外风机一直处于工作状态,工作时间非常长,所以使用EC风机,可以降低机房空调输配系统能耗,减少风机的不必要消耗。
　　
　　④使用电子膨胀阀
　　
　　采用电子膨胀阀,可以避免热力膨胀阀冬季运行情况下,热力膨胀阀受到制冷过冷导致膨胀阀过度关闭的问题,避免冬季机房空调低压问题,可以让系统在低环境温度下正常运行,大大提升了机房空调制冷效率。
　　
　　⑤改善室外机换热
　　
　　增大室外机的换热能力,可以改善机房空调散热能力,降低机房空调高压压力,减少运行电流,维谛VCC室外机的冷量配置和压缩机冷量配置达到了1.8:1,大大改善了系统的散热效果,达到节能的目的。
　　
　　⑥运维管理
　　
　　定期进行空调工况调试,加强机房空调巡检的频次,确保制冷系统高效运行,如确保合适的制冷剂充填数量,合适的膨胀阀开度,冷凝器和蒸发器良好的换热效果,以及合适的气流组织,从而保证制冷系统和机电设备安全且高效。
　　
　　2 集中水冷冷冻水型空调
　　
　　在水源丰富的大型数据中心,首选水冷冷冻水系统,它采用水冷却和离心机组,效率高、容量大,水冷却避免了风冷却夏季容易冷却不良的缺点,有利于系统运行安全,能效更优,适合数据中心热负荷大这种场景。水冷冷冻水型系统主要由水冷主机、板换、冷冻水循环系统、末端设备、冷却水循环系统、冷却塔风机系统等组成,如图3所示。水冷主机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送到蒸发器蒸发,冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水送入蒸发器盘管中与冷媒进行热交换,常温水降温变成低温冷冻水,冷冻水被送到末端冷却盘管中吸收机房热量,从而达到降低机房温度的目的。
　　
　　水冷冷冻水系统采用冷却塔散热,占地面积小且散热效果好;离心压缩能效高;冬季情况下使用板换可以实现免费供冷。缺点是系统构成复杂,投资大,有冷却和冷冻两个水系统,建设实施和运行维护复杂;水系统可靠性低,存在水浸机房可能;存在单点故障,需采用设备备份、环网或者双系统来解决可靠性问题。常见布置:冷机能效高,终期负荷配备板换自然冷却可以取得较好的能效,是目前大型数据机房中心普遍采用的方案。浙江地区某数据中心典型PUE值在1.43。
　　
　　冷冻水空调系统节能
　　
　　冷冻水空调系统有多种工作模式,在压缩机模式下,压缩机是机房空调能耗的最关键因素,减少压缩机耗能是关键点;使用自然冷却模式,并尽可能延长自然冷却时间,减少压缩机的工作时间;另外降低输配系统能耗也是系统节能的关键;具体实施方式如下:
　　
　　①变频技术
　　
　　现有数据中心空调系统设计中存在一定裕量,在部分负荷运行情况下,系统存在“大马拉小车”的现象,故存在较大的节能空间。冷水机组采用变频电机并作相应的特殊设计,可以让压缩机在部分负荷情况下运行,从而大幅度使用冷凝器和蒸发器面积,节能效果非常明显;冷冻水泵、冷却水泵使用变频技术,可以大幅降低水系统的输配能耗;末端设备使用变频技术,也可以降低末端设备部分负荷时输送空气的能耗;冷却塔风机采用变频电机可以在部分负荷和满负荷的不同气象条件下实现节能效果。
　　
　　②改善压缩机压缩比
　　
　　冷机制冷时,可以提升冷冻水温度从而提升制冷系统的蒸发压力,降低空调的压缩比,传统的冷冻水空调系统供/回水温度为7/12℃,根据数据中心的特点,可将冷冻水空调系统供/回水温度提高2～5℃,降低冷水机组功耗并增加自然冷却运行时间;也可以降低冷却水温从而降低制冷系统的冷凝压力,冷却水温应在符合冷水主机特性及室外气温、湿球温度的限制下下降低,从而改善制冷系统的压缩比,达到提升冷机制冷效率的目的;需要注意到是冷冻水水温提升后,整个空调系统的输配系统能耗会增加,需要根据数据中心的具体条件来找出整个空调系统的最佳运行工作点,从而确定冷冻水的供回水水温。
　　
　　③良好的水质管理和优秀的运维手段
　　
　　水系统运行中,会产生污垢,需要进行水质处理,确保冷却塔换热良好,定期控制冷凝器和蒸发器换热小温差,及时清除水垢和油膜,保证两器良好的换热效果。运维过程中,制冷系统工况会发生偏移，系统效率会下降，通过优秀的运维手段，可以确保制冷系统安全的情况下达到高效运行的目的。
　　
　　④AI节能
　　
　　采用AI技术,通过多台主机匹配,实现能效寻优,确保冷机工作在最佳负荷点,实现最佳制冷效果;AI也可以对多台水泵能效寻优,并对相关设备进行联动,实现管理节能;AI可以对多台末端设备控制,找到最佳工作点。
　　
　　⑤自然冷却模式
　　
　　水冷冷冻水系统采用水冷却,不受室外干球温度制约,在夏季时工作时,效率不受影响。冬季可以使用板换获得自然冷却,并尽量延长自然冷却时间,从而提升全年能效比高,如图4。另外在自然冷却模式下,系统的耗能主要是冷却塔、输配系统和末端设备,所以这种情况下,降低冷冻水水温对整个系统节能是有利的。
　　
　　3 集中风冷冷冻水空调系统
　　
　　(1)风冷冷冻水原理
　　
　　在中小型数据中心,或者水资源较为匮乏区域,也会选用系统较为简单的风冷冷冻水系统,它采用风冷水机,风冷水机是利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换,冷媒系统吸收水中的热负荷,制取冷水,风冷水机采用风冷翅片式冷凝器换热,热量由散热风扇向外界的大气排放;相比水冷冷冻水系统,风冷冷冻水省掉了冷却水系统,结构紧凑,不需要专门的冷冻机房,运维简单方便。不足之处是风冷冷冻水系统容量较小,风冷却夏季容易高压,适合室外环境温度不是太高,机房热负荷适中的场景。如图5所示。
　　
　　(2)风冷冷冻水节能①自然冷却
　　
　　风冷冷冻水系统可以采用自
　　
　　然冷却,当室外温度较低时,可以利用冷空气直接冷却冷冻水,从而不开或者减少压缩机制冷工作时间,这种方法即为自然冷却方法,有此功能的机组叫自然冷却机组,也可以外置配独立自然冷却模块。自然冷却模块工作方式如图6,冬季实现无压缩机运行制冷,节省压缩机的电耗,具体方法如下。
　　
　　②压缩机节能
　　
　　风冷冷冻水系统可以使用变频技术,降低压缩机能耗。也可以使用磁悬浮压缩机技术,取消制冷系统的冷冻油,降低换热热阻,增强两器的换热效果,进一步降低冷凝压力,提升系统效率。
　　
　　③改善室外散热条件
　　
　　风冷冷冻水运行容易受室外环境制约,在遇到夏季高温时,效率大大降低,而且制冷量随室外温度升高而降低,改善室外通风散热条件,可以降低压缩机电流,常规方法有遮阴和水喷雾等方式。
　　
　　④输配系统节能
　　
　　对输配系统的水泵使用变频技术,对末端设备使用EC风机或者变频技术,可以降低输配系统和末端的能耗。
　　
　　4 集中冷却水空调系统
　　
　　在部分数据中心或者枢纽楼,为了解决风冷冷凝器无法布置和夏季高压的问题,采用集中冷却水系统,原理如图7,机房空调由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,用管道连接成一封闭系统,制冷剂在系统中循环流动,经历了液体——气体——液体的两相相变,完成一个制冷循环。不同的是压缩机排出的高压高温气体是进入壳管式冷凝器和冷水交换热量完成冷凝效果,冷却塔出来的冷水在水泵作用下进入到壳管冷凝器后变成热水,回到冷却塔,重新冷却降温。集中冷却水系统构成比较简单,主要由闭式冷却塔、水泵、壳管式冷凝器和定压系统组成。
　　
　　集中冷却水节能
　　
　　集中冷却水系统节能常见的措施有:变频技术、末端AI节能和使用自然冷却技术。
　　
　　①变频技术
　　
　　水系统的水泵可以使用变频技术,降低输配系统的能耗;冷却塔的风机,也可以使用变频技术,当冷塔的下水温度低于8℃时,可以降低频率运行减少能耗;室内末端空调的压缩机也可以采用变频技术,充分利用换热器的面积,简单压缩机运行压缩比,从而降低系统的能耗情况;
　　
　　②AI节能
　　
　　就是让算法模型学习制冷系统的制冷量与环境参数、可调参数的关系,采用机器学习和深度学习算法,精准拟合优化目标PUE值并进行控制,系统实时追踪参数变化和节能输出效果,促进模型学习效果的反馈,进行自学习升级,实现闭环控制。目前末端AI节能已经实现,采用AI优化末端设备的工作方式,通过多台末端匹配,实现能效寻优,确保末端设备工作在最佳负荷点。
　　
　　③动态双冷源技术
　　
　　为了降低能耗,可以选用双冷源空调,双冷源空调就是空调系统具备两种不同方式的制冷系统,双冷源可以采用冷却水/冷冻水、冷却水/氟制冷等多种方式,图8为氟系统和冷却水双冷源空调机,由于机组既可以采用直接蒸发制冷,也可以采用冷却水供冷,其中最典型的就是动态双冷源技术,通过三通阀控制流通水盘管和板换的水流量,从而实现自然冷却和机械制冷的切换。浙江地区使用集中冷却水系统典型PUE值在1.63,采用动态双冷源技术的YQ数据中心,PUE值降低到1.45。
　　
　　5 新型冷却方式
　　
　　除了上述四种常规冷却方式，目前数据中心采用最热门的技术就是间接蒸发冷却技术和液冷技术。
　　
　　①间接蒸发节能技术
　　
　　间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器,将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给机房循环空气,实现空气等湿降温的过程,在这个过程中,二次空气经处理后其干球温度和湿球温度都下降了,而含湿量不变,对送风气流实现减焓等湿降温过程,送风降温的极限温度为进风的露球温度。通过蒸发换热器隔绝室外空气,室外空气无法直接进入机房,蒸发过程不影响机房湿度,如图9所示,间接蒸发的核心器件是蒸发模块,其气流组织包含两部分,分别为机房内气流和室外气流。
　　
　　使用间接蒸发冷却技术,要保证换热蒸发模块的换热效果,所以对换热蒸发模块要定期进行维护,及时清除水垢,确保换热良好。
　　
　　②全浸没液冷技术
　　
　　随着数据中心高密度设备的快速发展,服务器级的冷却开始出现并被使用,其中最典型的就是液冷技术。液冷技术,就是通过液体直接冷却设备,液体将设备发热元件产生热量直接带走;采用液冷,可以实现服务器等设备的自然散热,相对于传统的制冷系统,更为高效节能。全浸没式分为两相液冷和单相液冷,常用的为单相液冷,冷却液在循环散热过程中始终维持液态,不发生相变,故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,可以采用氟化液配合配合冷却塔+板换散热,实现全年的自然冷却,如图10所示。
　　
　　使用全浸没液冷技术,要保证冷却的良好换热效果,需要采用闭式冷却塔,并保证冷塔盘管和填料的清洁,定期进行维护,及时清除水垢,确保换热良好。
　　
　　6 结束语
　　
　　数据中心应该根据建设规模、地理位置、气象条件等特点,选择适合自己的制冷方式和自然冷却方式;并在运维和管理过程中,充分利用节能技术,降低数据中心的冷却成本,提升经济效益。
　　
　　作者简介
　　
　　王烨,45岁,中国电信股份有限公司高级专家、中国电信股份有限公司B级专家人才。
　　
　　叶明哲,49岁,中国电信股份有限公司集团维护骨干,中国电信股份有限公司B级专家人才,国资委《央企技术能手》。
　　
　　编辑：Harris