高效能云计算中心制冷技术节能研究王红卫

王红卫

摘要：随着IT产业中云计算、大数据的高速发展，数据中心数量增长迅速，我国云计算数据中心存在两个急需解决的突出问题：1）能耗大，资源利用率低，大多数数据中心的PUE（数据中心总设备能耗／IT设备能耗）大于2.0；2）电网配电能力无法满足我国云计算战略需求，数据中心配套配电站建设或改造成本高昂。基于解决以上两点问题的考虑，数据中心PUE值要求尽可能降低。近日，北京市政府公布《北京市新增产业的禁止和限制目录》（2018年版）中明确云计算数据中心PUE值在1.4以下。因此，对于可以显著降低PUE值的液冷技术（液冷服务器）有望成为今后云计算数据中心制冷系统应用的趋式

关键词：液冷技术；云计算中心；节能

引言：文章主要围绕某某云计算数据中心为例，简要说明液冷服务器对降低PUE值的显著功效，不久的将来液冷技术有望成为数据中心的制冷趋势。

1.液冷技术的工作原理

液冷就是被处理过的液体送到机架／机柜／服务器的入口，对机架内的电子设备所产生的热量进行热力冷却。可以理解为，在机架内，来自机架自身内部真正热源部件的热量传输，可基于液体或空气（或用任何其他机理），但将热量排到机架外建筑物的冷却装置的排热介质为液体。在海平面大气压工况下，水的体积携热量远远高于空气上千倍，随着风冷系统正趋于极限，液冷系统将越来越受到云计算数据中心的青睐。

2.液冷服务器的分类及优势

2.1液冷服务器的分类

按冷却模式分，液冷服务器分为直接冷却和间接冷却；根据工作介质不同，分为水冷和其他制冷介质的载冷剂；按照是否发生相变分为温差换热（通过制冷剂的温度升高的变化来带走热量）和相变换热（利用载冷剂的气化潜热带走热量）。间接液冷服务器也叫冷板液冷服务器，载冷剂与被冷却对象不直接接触，而是通过液冷板热传导将被冷却对象的热量传递到制冷介质中。即将原风冷散热片替换为液冷散热片，再通过载冷剂管路将热量带走。在间接冷却系统，制冷剂管并不与机柜内部的电子元件直接接触，防止载冷剂管路泄漏，需要严格检查管路的密封性。间接冷却方式显然没有直接冷却方式制冷效率高，并且需要额外安装分液换热器对机房的其他电子设备进行散热。直接液冷也叫浸没式液冷，其原理是制冷介质与发热元件直接接触，即将服务器主板、CPU（中央处理器）、内存等发热量大的元件浸没在制冷介质中。这样冷却介质与被冷却元件直接接触换热，换热效果最好，不需要额外再增加换热设备。直接冷却系统对冷却介质有一定的要求，载冷剂需要绝缘性好（不导电）、无毒无害、无腐蚀性。

2.2液冷技术优势

1)液冷系统制冷效率高。由于液体的比热容大，能吸收大量热量的同时，自身温度不会明显变化，使得CPU在突发情况时不会引起内部温度忽然升高，CPU可以超频工作，提高了服务器的使用寿命。2）液冷系统取消了空调机房的设置，节省了空调机房的占地面积，同时加大了机柜布置面积，加大了房间的利用率，而且还能避免空调设备运行时所产生的噪声问题。3）液冷系统与常规水冷系统相比，省去了冷机及冷冻泵等冷冻水系统，只有冷却水循环系统，只需设置水泵间，节省了制冷机房面积，不用考虑地板下送风和冷热通道封闭，节省初投资费用。节省下来的空间可容纳更多的服务器，从而提高数据机房房间利用率。

3.案例分析

采用直接冷却方式可以有效地解决高密机房及局部热点问题。但需要对载冷剂有很高的要求，并且对服务器元件有很高的要求，目前国内外采用间接冷却方式较直接冷却方式更为普遍。本文以北京某云计算数据中心项目为例，通过采用冷板式液冷服务器，充分利用室外空气，减少制冷系统用电能耗，确保PUE值低于1.2。下面对该项目制冷系统进行全面介绍，液冷机柜原理及内部结构见图１。

此外，液冷机柜中的分液换热器发热量为160kw（约占液冷负荷的30%），经计算得出，机房外围护结构热负荷为3.75kw。

由于单机柜功率密度大，主机房采用冷通道封闭模块化机房气流组织，提高制冷效率。该项目配电室、UPS间、电池室由于总负荷量较小，因此采用风冷直膨空调系统。主机房制冷系统简图如图３所示（以下设备均包含备用）。云计算数据中心案例制冷系统简述：共由５个系统组成：1）液冷机柜：冷源全年由冷却塔直接通过CDU（耦合分配单元）换热后供给机柜芯片冷板。夏季极端情况：CDU冷源侧供回水温度34／39℃，热源侧最高承受的极限供回水温度60／45℃。2）分液换热器：由于液冷机柜的构成原理，分液换热器需要单独消耗液冷机柜30%的热负荷，利用冷却塔的一次侧28.5／33.5℃的冷水换成35／30℃的供回水用来承担分液换热器所产生的热量。由于分液换热器对温度的限制，当夏季极端天气时室外冷却塔无法满足系统所需要的供、回水温度。当冷源侧供水温度高于28.5℃时需启动另一套风冷冷水机组（供、回水温度：15／20℃）与冷塔混合后进入板式换热器[1]，从而满足液换热器对温度的需求。使系统正常运行，此系统中冷却塔、风冷冷水机组、板式换热器、冷却水循环泵均采用1用1备的形式，为了控制灵活，CDU采用集成设备（内置水处理及循环水泵）为2用1备。3）主机房内的核心交换机、液冷机柜的5%辐射热负荷及房间外围护结构的热负荷均由风冷直膨空调系统供冷，为提高制冷效率，末端空调采用行级空调（３用１备）。4）（配电室＋UPS＋电池）空调系统：均采用风冷直膨空调系统供冷，末端空调采用房间级空调（1用1备）。5）主机房新风系统：由于此部分负荷量较小，从灵活性考虑冷源采用风冷直膨式制冷系统。

根据以上制冷系统设备的用电量统计以及电气电量统计，该项目PUE值经计算低于1.2。使机房总的年耗电量大幅度减小。

结论：

简而言之，自然冷源是大自然的对人们的“馈赠”，对于数据中心来说，这些既环保又用之不尽的资源是最显著的节能技术。目前我国冷板式的液冷技术已经比较成熟，大部分使用液冷技术多采用纯水作为制冷剂。选用水作为制冷剂，是利用水的温升带走发热元件的热量，只利用了水的显热，并没有发挥其全部功效，还有很大的潜能可以发挥。因此更具革命性的浸没式液冷技术，仍然处于发展初期，早在2016年美国IDC公司调查显示，有高达42%的受访者表示，其公司最大的数据中心已采用了液冷技术。笔者相信液冷技术对于云计算数据中心而言指日可待[2]。

参考文献：

[1]［美］ASHRAETC9.9楼据通讯设备中心液体冷却指南４[M].杨国荣，胡仰耆，沈添鸿，译，中国建筑工业出版社，2019：39．

[2]孙阳．数据中心呈现节能趋势科技巨头抢滩百亿液冷市场［EB／OL］．2018－08－10．