几种数据中心典型的制冷技术

原文标题：《好热好热，谁来给我升级一下空调啊！！！》

夏日炎炎，吃着西瓜吹着空调上着网是一件非常惬意的事。你有没有想过，就在网络的那一边，大量服务器正在马不停蹄地为我们服务。它们 24 小时不停歇的工作，更是一刻离不开空调。

今天文档君带大家一起了解几种数据中心典型的制冷技术。

1.机械风冷式制冷

2005 年前，属于网络业务发展初期，数据中心的算力规模还比较小，数据中心主要采用机械风冷式空调制冷。这种空调的基本运行原理与家用空调原理相同，主要通过压缩机机械做功改变制冷剂的状态来制冷，制冷原理如下图所示。

1、压缩机将气态制冷剂压缩为高温高压状态。

2、高温高压的气态制冷剂经过冷凝器时，由于环境温度低于制冷剂的沸点温度，冷凝成为液态，同时向环境放热。

3、冷凝器出来的液态制冷剂经过膨胀阀节流降压，进入蒸发器。

4、进入蒸发器后，由于环境温度高于制冷剂沸点温度，液态制冷剂蒸发成为气态，同时从环境吸热，到制冷目的。

以上过程循环往复，利用了制冷剂的气态和液态转换过程中，冷凝放热和蒸发吸热的原理。

机械风冷式空调实际安装部署时，通常将冷凝器部署在室外进行散热，蒸发器、膨胀阀和压缩机部署在室内为设备制冷。如下图所示。

机械风冷式空调每台机组相对独立控制和运行，安装和维护比较简单，同时制冷效率比较低，室外机也会占用较大场地。

2.冷冻水制冷

2005-2015 年间，随着互联网和移动互联网业务爆发，数据中心的算力规模增大，冷冻水系统开始逐渐应用。冷冻水系统在机械风冷式制冷循环基础上，叠加了冷却水循环和冷冻水循环实现制冷，原理如下图所示。

1、制冷剂循环：与机械风冷式制冷相同，蒸发器处制冷产生冷量，冷凝器处制热产生热量。

2、冷冻水循环：水泵驱动管路中的水与蒸发器换热，得到冷冻水，冷冻水载送冷量到空气处理机组。

3、空气循环：空气处理机组与冷冻水换热，得到冷风，向室内送风，达到制冷目的。

4、冷却水循环：水泵驱动管路中的水与冷凝器换热，得到冷却水，冷却水载送热量到冷却塔，热量通过冷却塔释放出去。

冷冻水空调系统实际安装部署时，通常压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等集成部署在建筑内制冷，冷却塔部署在楼顶散热。如下图所示。

冷冻水系统制冷容量更大，能效和稳定性更高，集中为多个末端供冷，同时由于水管管路较多，安装部署时需要大量焊接操作。

3.间接蒸发制冷

2005-2015 年间，随着互联网和移动互联网业务爆发，数据中心的算力规模进一步增加，间接蒸发制冷系统开始逐渐应用。间接蒸发制冷通过非直接接触式换热器，实现外部自然冷风与数据中心热回风进行热交换。原理如下图所示。

1、外部自然空气（二次空气）从底部进风，经过换热器，从顶部出风。

2、数据中心空气（一次空气）从水平进风，经过换热器与二次空气换热，达到制冷目的。

间接蒸发制冷空调集成有多种工作模式，提供不同的制冷级别。

干模式

当二次空气温度较低时，可以直接与一次空气换热实现制冷。

湿模式

当二次空气温度较高时，通过喷淋水加湿二次空气，使二次空气蒸发后降温，再与一次空气换热实现制冷。

混合模式

在干模式和湿模式的基础上，再增加传统机械风冷系统作为辅助制冷手段。

间接蒸发制冷空调实际安装部署时，通常部署在数据中心的侧面或者顶端。如下图所示。

间接蒸发制冷结合了自然冷源制冷与蒸发制冷技术，增加自然冷却时间，进一步提高了制冷效率。同时基于间接蒸发制冷实现的产品也逐渐预制化、模块化，安装部署更便捷。

4.液冷制冷

提到液冷，大家是否联想到谷歌微软等公司直接将数据中心放在海里面或者放在山区洞穴里的实践，或者 DIY 的酷炫液冷机箱。2020 年后，数据中心内算力的不断增长，导致传统风冷方式散热已经接近瓶颈，具有更高散热效率的液冷技术开始逐渐兴起。原理如下图所示。

液冷制冷通常有三种方式：

冷板式液冷

通过液冷板将发热器件的热量间接传递给循环管路中的冷却液，并将热量带走。

浸没式液冷

直接以冷却液作为传热介质，发热器件完全“泡”在冷却液中并通过直接接触热交换。

喷淋式液冷

通过喷淋冷却液方式为发热器件散热。

液冷制冷系统实际安装部署时，通常冷却塔部署在室外，CDU（Cooling Distribution Unit，冷量分配单元）和机柜内液冷器件部署在室内，并通过风冷空调补充冷量。原理如下图所示。

液冷技术得益于液体比气体的比热容高，具有更高的散热效率。液冷制冷是用液体代替传统空气散热，直接对 CPU 等高发热器件高效制冷。液冷系统仅需要水泵等少量耗能元件，节能效果显著。

总结

今天的内容就是这些。文档君和大家一起来简单总结一下四种制冷技术。

制冷技术

应用场景

制冷效率

部署和运维

机械风冷式制冷

小型数据中心

较低

比较简单

冷冻水制冷

中大型数据中心

高

比较复杂

间接蒸发制冷

微模块 / 集装箱数据中心

较高

比较简单

液冷制冷

大型数据中心

极高

比较复杂

数据中心节能降耗的基本需求没有变，制冷技术也一直在向着更加绿色的方向不断前进。未来的制冷技术，会是什么样子，感兴趣的粉丝可以给文档君留言，聊聊你眼中的制冷技术发展方向。

本文来自微信公众号：中兴文档 （ID：ztedoc）

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