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【精】数据中心冷却大全

发布日期:2021-10-14 17:18    点击次数:151
数据中心有多种冷却方式,这里对这些方式进行罗列,通过动图方式进行简单介绍:一、风冷机房空调这是最传统的冷却方法,空调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,如图1。常规采用定速涡旋压缩机制冷,少量采用数码涡旋或者变频涡旋压缩机;风冷室外机安装在室外或楼顶,内外机距离有限制:常规不高于室内机20米,不低于室内机5米,室内外管路长度推荐小于60米,超出需要延长组件和措施。

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图1 风冷机房空调典型结构1.2 送风方式:常规分为上送风方式(图2),风管送风方式(图3)和地板下送风(图4):

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图2  上送风方式

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图3 风管上送风

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图4 地板下送风1.3 典型布置:为了优化气流和进一步提升冷却,采用下送风并进行冷池约束是比较通用的一种方式,如图5

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图5  房间级空调典型气流1.4 适合场景:风冷空调相互间独立,无单点故障,特别适合中小型数据中心,当输送气流距离较短时,可以单侧布置,当输送距离较远时,采用双侧布置,如图6

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图6 数据中心风冷空调布置1.5 内机方式:除房间级空调外,还有风冷行间空调和柜级空调,这种方式,可以降低气流的输配距离,减少风机耗电,行间空调配合冷热池封闭可以取得较好的冷却效果,图7,如果不封闭如图8。

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图7 行间空调+热池封闭

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图8  风冷行间空调为了进一步降低气流输配距离,部分数据机房也会采用柜级冷却方式,如热管背板,图9

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图9 柜级空调1.6 风冷机房空调优缺点优点:系统简单、完全独立,投资低,分期建设方便,无单点故障,可靠性高。缺点:外机数量多;涡旋压缩能效低于离心机;外机风冷散热,大规模布置不宜,夏天容易高压;整体能效不高。适合:中小型数据中心。二、集中水冷冷冻水型空调水冷冷冻水系统包含两个水系统,冷却水系统和冷冻水系统,系统主要由水冷冷水机组、冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵、水处理设备、定压补水系统、冷冻水空调末端及管路阀门等组成,如图11

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图11 水冷冷冻水空调2.1 压缩机,水冷冷冻水系统一般采用大型冷冻机组,冷量较大的选用离心机组以获得较好的能效比,图12,部分中型数据中心也会选用螺杆机组,图12

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图12 离心机组工作原理

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图13 螺杆机工作原理2.2板换:为了进一步提升能效,降低能耗,也会选配板换系统,图14,当环境温度较低时,开启板换自然换热。

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图14 板换工作原理2.3 末端方式:冷冻水空调末端也分为房间级(图15)、行间级(图16)和柜级空调。

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图15  冷冻水房间级架构

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图16  冷冻水行间架构部分数据中心也会采用顶置空调,采用热通道封闭方法,进一步缩短气流循环距离,安装顶置空调的放置方式,可以分为卧式(图17)和立式(图18)

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图17   顶置空调

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图18   顶置柜级空调2.4 冷却塔:冷却塔有开塔、闭塔,有横流和逆流之分,数据中心冷却塔一般选用钢塔,图19 为横流开式钢塔。

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图19 冷却塔2.5 循环水泵:水泵是一种把机械能转换为液体能量、让水在水系统中循环起来的装置,冷冻水和冷却水的循环都是通过水泵来进行的,常见循环水泵有端吸泵和双吸泵,如图20。,

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图20 循环水泵2.6 蓄冷罐:考虑市电中断后,冷冻机组从开机到正常运作需要一定的时间,故必须进行一定数量的冷冻水量储备,如建立蓄冷罐或者蓄冷池,确保机房设备安全运行。蓄冷罐有开式和闭式之分,闭罐又分为立式和卧式,如图21

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图21 卧式蓄冷罐2.7系统特点: 优点: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: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。三、集中风冷冷冻水空调系统只有一个冷冻水系统,在壳管蒸发器内,冷冻水与冷媒进行热交换,冷媒系统吸收水中的热负荷,使水降温产生冷冻水﹐通过压缩机的作用使热量带到翅片式冷凝器,再由散热风扇散失到外界的空气中,也就是风冷却,如图31。

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图21  风冷冷冻水空调原理3.1系统组成:系统主要由风冷冷水机组、循环水泵、定压系统、冷冻水空调末端及管路阀门等组成,如图22。

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图22  风冷冷冻水空调系统架构3.2系统特点:优点:只有一个冷冻水系统,系统简单,运维方便;在冷冻水系统中加入防冻液,可以解决低温情况下的防冻问题。缺点:风冷机组满负荷能效低于水冷机组,外机采用风冷,夏季易高压。场景:在冷冻水系统加入防冻液可以防冻,故适合夏季气温不高,冬季气温低的东北、西北等极寒区域的数据中心。四、 水冷氟系统(集中冷却水空调系统)只有一个冷却水系统,主要由冷却塔(推荐闭式)、冷却水泵、定压系统、壳管换热器、机房空调内机及管路阀门等组成,图23。

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 图23  集中冷却水空调系统原理4.1系统特点:优点是系统简单,只有一个冷却水系统,建设维护方便;采用壳管换热,水管不进机房;采用冷却塔散热,解决普通风冷空调外机无法布置和夏季散热不良问题;部分负荷和满负荷情况下能效均较高。缺点: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。场景:适合大中型数据中心五、双冷源空调为了安全,部分数据中心有时还会选用双冷源空调,双冷源也有多种形式,有风冷/冷冻水/冷却水等方式,其中最常见的是风冷/水冷冷冻水型(图24)和风冷/风冷冷冻水(图25)等方式

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图24 风冷/冷冻水双冷源空调

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图25 风冷/风冷冷冻水双冷源空调五、液体冷却技术液冷技术,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;按照液体与发热器件的接触方式,大致分为冷板式、喷淋式和全浸没式1、冷板式:就是将液冷冷板固定在服务器的主要发热器件上,依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热的目的,如图24。

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图24 冷板式液冷2、喷淋式:就是在机箱顶部储液和开孔,根据发热体位置和发热量大小不同,让冷却液对发热体进行喷淋,达到设备冷却的目的,图25

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图25 喷淋式液冷3、浸没式液冷:将发热元件直接浸没在冷却液中,依靠液体的流动循环带走服务器等设备运行产生的热量。室外散热可以采用干冷器(图26)和冷却塔等(图27)形式;

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图26 全浸没液冷一

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图27 全浸没液冷二

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