几种机房空调系统在数据中心的应用浅析
发布时间 : 2023-06-13
数据中心内的IT设施一旦运行，往往需要24*365*N常年不停，持续发热，支持数据中心运行的空调系统一旦发生中断或供冷不足就有可能导致宕机。因此数据中心的空调系统需要满足电子信息设备的散热要求，需要保证供冷系统的可靠性。此外，数据中心能耗较大，能源成本对整个项目的运行维护影响重大，需要采取必要的方式、方法，尽可能降低能耗。特别是近年来，随着双碳战略的落实，国家层面对节能的要求越来越严苛，数据中心对节能的重视程度也越来越高。
总之，数据中心的空调系统既要保证可靠性，同时还要兼顾节能。具体采用的空调形式应与建设地点的气象参数、空气质量、资源情况、初投资和运行费用、以及需要遵循的法律法规等因素综合分析。
本文将对数据中心通常采用的几种制冷方案进行多维度对比和分析，为数据中心建设之初，制冷和空调方案选择提供思路。
一、数据中心制冷形式
常用的数据中心空调系统主要有：风侧间接蒸发冷却系统，DX系统、水冷冷冻水系统、风冷冷冻水系统，此外还有一些使用规模较少的空调系统，在数据中心也有局部应用。各种制冷系统介绍如下。
1.间接蒸发冷却系统
间接蒸发冷却机组（简称AHU）是将新风蒸发冷却后得到的空气的冷量，通过非直接接触式换热器传递给机房热回风，再辅以必要的过滤、补冷等措施为机房提供满足要求的冷却送风。整个过程只有冷量的传递，没有物质的交换，不会影响机房的空气质量和湿度。该种方式实现冷源与负荷中心近距离接触，可利用风侧自然冷却，系统存在干模式、喷淋模式和混合模式运行模式(见表1)，可显著减少数据中心调系统能耗。
由于间接蒸发冷却系统的绿色节能、安装便捷、运维简单等特点，近几年该种制冷形式在国内数据中心的建设中得到广泛应用，如华为、万国数据、秦淮数据、世纪互联、百度等新建的数据中心都大量采用间接蒸发冷却机组，示例如图1。
2.风冷直膨氟泵空调系统
风冷直膨精密空调机组本身就是一个小型的制冷循环机组，原理与传统的空调相似，主要包括压缩机、蒸发器、膨胀阀和冷凝器以及送风风机和控制系统等组成，分为室内机和室外机，通过铜管进行连接，连接管道为制冷剂氟利昂）应用场景。
为了提高制冷能效和利用自然冷源，很多厂家研发了氟泵空调，在原有的直膨式制冷循环系统中增加了氟泵，在冬季温度较低时，氟泵开启压缩机关闭，利用氟泵实现制冷剂在铜管内的循环。
3.风冷冷冻水系统
风冷冷冻水系统是冷冻水制备的一种方式，主要由风冷机组及配套设施组成。风冷机组的液态制冷剂在其蒸发器盘管内直接蒸发（膨胀）实现对盘管外的冷冻水吸热而制冷，机组的气态制冷剂通过室外风冷的方式冷却为液态，从而实现制冷循环。为适应数据中心利用自然冷源的设计方案，机组厂家已研发出带自然冷却的风冷冷水机组。
4.水冷冷冻水系统
水冷冷冻水系统的原理与风冷冷水原理相似，系统上的区别主要在于水冷冷冻水系统采用的是水冷机组，冷凝器的冷却方式为水冷，利用含有冷却塔的冷却水实现对冷凝器的冷却，由于水冷散热更优，使得冷水机组的能效较高。水冷冷水机组为室内放置，且多采用大型螺杆机或离心机，单台机组制冷量可比风冷机组大。
5.其他制冷系统
很多大型互联网公司例如Google、Facebook等，通过改变服务器电源架构，改变CPU布局，改变散热方式，提升服务器耐高温性能，采用分布式电池，采用液冷服务器等方法，取得了较好的节能效果。但其技术措施需要对IT设备进行深度定制，没有大规模采购是无法维系的，一般企业因此无法采纳。特别是液冷，造价相对比较高，主要应用于高热量的高性能计算领域，规模都不大，整体生态还需待完善，主要是阿里巴巴、华为、浪潮、中科曙光等头部IT企业在该技术上的探索和布局。
某些数据中心，在合适的区域采用了全新风系统，也能有很好的节能效果，但全新风系统，难以阻挡不满足要求的空气进入机房，给IT设施的运行带来风险，大多数客户也是不能接受的。
此外，还有“冰川”制冷等新型技术方案，是近年来研发并在数据中心领域开始使用的新产品，全球的应用案例较少，且没有其他领域的应用案例。其运维管理经验、产业链成熟度、实际运维效果、产品迭代速度等还有待经历市场考验。
二、制冷系统形式的比较
数据中心的制冷架构的搭建，应从多方面进行综合评比，应考虑制冷能效、建设周期、施工难度、Capex、PUE等内容，结合北京地区气象参数，本文对现在数据中心建设中传统的制冷形式进行了对比分析，对比结果如表2。
从上述比较中可以看出：
（1)从可靠性来看，风冷空调(带氟泵)和间接蒸发组合式空调箱方案可用性更高。
理论上，各种空调方式都能满足国标ABC级相关要求，也能实现Uptime Institute TIER Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ规规定的可靠性功能，能够实现不间断供冷。但相较冷冻水系统，风冷空调（带氟泵）和间接蒸发组合式空调方案更简单，可能的故障种类少，故障影响范围小，维护的用时也会更短，因此拥有更高的可靠性。冷冻水系统，一旦出现冷冻站着火或主管路故障，就有可能发生整个系统崩塌的大范围故障，这类故障影响范围大，修复也需要更多的时间。
（2)从节电维度看，间接蒸发方案用电更少，更符合绿色数据中心的建设要求。
间接蒸发冷却系统即使在最炎热的夏天，也能有一半以上的负荷可以通过自然冷却（蒸发冷却）带走，自然冷却的利用更充分，可以大幅降低数据中心制冷系统能耗，在全国绝大多数地区的PUE基本介于1.15-1.3之间。间接蒸发冷却全年只有部分时间需要用水，用水量远低于水冷冷冻水系统，同时设备可以选择节水或节电模式运行，可基于IT负载和资源情况，实现制冷量与资源情况匹配。传统冷冻水方案无法全年利用自然冷却，存在完全机械制冷工况，在绝大多数地区，机械制冷的应用时间都比较长，PUE没有优势。
（3)从施工运维看，风冷空调（带氟泵）和间接蒸发方案更加灵活，便于项目分期建设。
风冷空调（带氟泵）和间接蒸发机组单个设备就是一个制冷单元，设备的集成度高，可以根据项目建设需求进行部署，整体建设周期短，后期运维也较简单。系统的架构简单，设备种类单一，没有复杂的管路，需要现场安装的工程量少，安装调试也相对简单，交付周期短。并且可以根据业务需要分期灵活扩容，扩容时也不会对已经运行的设施造成不利影响。这些优点是冷冻水系统无法比拟的。
（4)从建筑适用度看，风冷空调（带氟泵）和间接蒸发制冷方案有其存在的限制。
风冷系统（带氟泵）由于其本身整机架构系统小，且能效相对较低，内外机的距离和高差受到较大限制，一般只用于小型数据中心或配合其他系统使用。AHU方案也与建筑整体构造有很强的相关性，建筑设计需满足设备的安装使用要求，对于结构主体已经建设好的数据中心而言采用该系统的可能性小，需要在建筑设计时前期提前规划，按照该系统建设要求设计。
三、结论
目前数据中心行业最主流的制冷方案是冷冻水和间接蒸发冷却方案，其中冷冻水已经规模应用了十年以上，但近两三年内新建或待建的数据中心特别是黄河以北的项目，则更多采用了间接蒸发冷却的方案，包括腾讯（清远、怀来等多地）、快手（乌兰察布)、万国（廊坊）、秦淮（怀来、大同)、中联（大同）、江天（天津）、中行（内蒙）农行（内蒙）等，涉及互联网、COLO、金融、政府等多个行业。海外众多数据中心运营商在最近几年的建设中，也在减少了冷冻水方案的应用，取而代之的则是间接蒸发冷却方案。总之，冷冻水系统属于传统系统，在存量或高层楼宇数据中心应用较多，间接蒸发冷却方案是新建数据中心的首选方案，其他制冷方式属于非主流方案，只有一些零星试点，几乎没有大规模应用案例。
总之，数据中心的空调系统既要保证可靠性，同时还要兼顾节能。具体采用的空调形式应与建设地点的气象参数、空气质量、资源情况、初投资和运行费用、以及需要遵循的法律法规等因素综合分析。
本文将对数据中心通常采用的几种制冷方案进行多维度对比和分析，为数据中心建设之初，制冷和空调方案选择提供思路。
一、数据中心制冷形式
常用的数据中心空调系统主要有：风侧间接蒸发冷却系统，DX系统、水冷冷冻水系统、风冷冷冻水系统，此外还有一些使用规模较少的空调系统，在数据中心也有局部应用。各种制冷系统介绍如下。
1.间接蒸发冷却系统
间接蒸发冷却机组（简称AHU）是将新风蒸发冷却后得到的空气的冷量，通过非直接接触式换热器传递给机房热回风，再辅以必要的过滤、补冷等措施为机房提供满足要求的冷却送风。整个过程只有冷量的传递，没有物质的交换，不会影响机房的空气质量和湿度。该种方式实现冷源与负荷中心近距离接触，可利用风侧自然冷却，系统存在干模式、喷淋模式和混合模式运行模式(见表1)，可显著减少数据中心调系统能耗。
由于间接蒸发冷却系统的绿色节能、安装便捷、运维简单等特点，近几年该种制冷形式在国内数据中心的建设中得到广泛应用，如华为、万国数据、秦淮数据、世纪互联、百度等新建的数据中心都大量采用间接蒸发冷却机组，示例如图1。
2.风冷直膨氟泵空调系统
风冷直膨精密空调机组本身就是一个小型的制冷循环机组，原理与传统的空调相似，主要包括压缩机、蒸发器、膨胀阀和冷凝器以及送风风机和控制系统等组成，分为室内机和室外机，通过铜管进行连接，连接管道为制冷剂氟利昂）应用场景。
为了提高制冷能效和利用自然冷源，很多厂家研发了氟泵空调，在原有的直膨式制冷循环系统中增加了氟泵，在冬季温度较低时，氟泵开启压缩机关闭，利用氟泵实现制冷剂在铜管内的循环。
3.风冷冷冻水系统
风冷冷冻水系统是冷冻水制备的一种方式，主要由风冷机组及配套设施组成。风冷机组的液态制冷剂在其蒸发器盘管内直接蒸发（膨胀）实现对盘管外的冷冻水吸热而制冷，机组的气态制冷剂通过室外风冷的方式冷却为液态，从而实现制冷循环。为适应数据中心利用自然冷源的设计方案，机组厂家已研发出带自然冷却的风冷冷水机组。
4.水冷冷冻水系统
水冷冷冻水系统的原理与风冷冷水原理相似，系统上的区别主要在于水冷冷冻水系统采用的是水冷机组，冷凝器的冷却方式为水冷，利用含有冷却塔的冷却水实现对冷凝器的冷却，由于水冷散热更优，使得冷水机组的能效较高。水冷冷水机组为室内放置，且多采用大型螺杆机或离心机，单台机组制冷量可比风冷机组大。
5.其他制冷系统
很多大型互联网公司例如Google、Facebook等，通过改变服务器电源架构，改变CPU布局，改变散热方式，提升服务器耐高温性能，采用分布式电池，采用液冷服务器等方法，取得了较好的节能效果。但其技术措施需要对IT设备进行深度定制，没有大规模采购是无法维系的，一般企业因此无法采纳。特别是液冷，造价相对比较高，主要应用于高热量的高性能计算领域，规模都不大，整体生态还需待完善，主要是阿里巴巴、华为、浪潮、中科曙光等头部IT企业在该技术上的探索和布局。
某些数据中心，在合适的区域采用了全新风系统，也能有很好的节能效果，但全新风系统，难以阻挡不满足要求的空气进入机房，给IT设施的运行带来风险，大多数客户也是不能接受的。
此外，还有“冰川”制冷等新型技术方案，是近年来研发并在数据中心领域开始使用的新产品，全球的应用案例较少，且没有其他领域的应用案例。其运维管理经验、产业链成熟度、实际运维效果、产品迭代速度等还有待经历市场考验。
二、制冷系统形式的比较
数据中心的制冷架构的搭建，应从多方面进行综合评比，应考虑制冷能效、建设周期、施工难度、Capex、PUE等内容，结合北京地区气象参数，本文对现在数据中心建设中传统的制冷形式进行了对比分析，对比结果如表2。
从上述比较中可以看出：
（1)从可靠性来看，风冷空调(带氟泵)和间接蒸发组合式空调箱方案可用性更高。
理论上，各种空调方式都能满足国标ABC级相关要求，也能实现Uptime Institute TIER Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ规规定的可靠性功能，能够实现不间断供冷。但相较冷冻水系统，风冷空调（带氟泵）和间接蒸发组合式空调方案更简单，可能的故障种类少，故障影响范围小，维护的用时也会更短，因此拥有更高的可靠性。冷冻水系统，一旦出现冷冻站着火或主管路故障，就有可能发生整个系统崩塌的大范围故障，这类故障影响范围大，修复也需要更多的时间。
（2)从节电维度看，间接蒸发方案用电更少，更符合绿色数据中心的建设要求。
间接蒸发冷却系统即使在最炎热的夏天，也能有一半以上的负荷可以通过自然冷却（蒸发冷却）带走，自然冷却的利用更充分，可以大幅降低数据中心制冷系统能耗，在全国绝大多数地区的PUE基本介于1.15-1.3之间。间接蒸发冷却全年只有部分时间需要用水，用水量远低于水冷冷冻水系统，同时设备可以选择节水或节电模式运行，可基于IT负载和资源情况，实现制冷量与资源情况匹配。传统冷冻水方案无法全年利用自然冷却，存在完全机械制冷工况，在绝大多数地区，机械制冷的应用时间都比较长，PUE没有优势。
（3)从施工运维看，风冷空调（带氟泵）和间接蒸发方案更加灵活，便于项目分期建设。
风冷空调（带氟泵）和间接蒸发机组单个设备就是一个制冷单元，设备的集成度高，可以根据项目建设需求进行部署，整体建设周期短，后期运维也较简单。系统的架构简单，设备种类单一，没有复杂的管路，需要现场安装的工程量少，安装调试也相对简单，交付周期短。并且可以根据业务需要分期灵活扩容，扩容时也不会对已经运行的设施造成不利影响。这些优点是冷冻水系统无法比拟的。
（4)从建筑适用度看，风冷空调（带氟泵）和间接蒸发制冷方案有其存在的限制。
风冷系统（带氟泵）由于其本身整机架构系统小，且能效相对较低，内外机的距离和高差受到较大限制，一般只用于小型数据中心或配合其他系统使用。AHU方案也与建筑整体构造有很强的相关性，建筑设计需满足设备的安装使用要求，对于结构主体已经建设好的数据中心而言采用该系统的可能性小，需要在建筑设计时前期提前规划，按照该系统建设要求设计。
三、结论
目前数据中心行业最主流的制冷方案是冷冻水和间接蒸发冷却方案，其中冷冻水已经规模应用了十年以上，但近两三年内新建或待建的数据中心特别是黄河以北的项目，则更多采用了间接蒸发冷却的方案，包括腾讯（清远、怀来等多地）、快手（乌兰察布)、万国（廊坊）、秦淮（怀来、大同)、中联（大同）、江天（天津）、中行（内蒙）农行（内蒙）等，涉及互联网、COLO、金融、政府等多个行业。海外众多数据中心运营商在最近几年的建设中，也在减少了冷冻水方案的应用，取而代之的则是间接蒸发冷却方案。总之，冷冻水系统属于传统系统，在存量或高层楼宇数据中心应用较多，间接蒸发冷却方案是新建数据中心的首选方案，其他制冷方式属于非主流方案，只有一些零星试点，几乎没有大规模应用案例。
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