水冷卻系統在現代數據中心的應用研究

曾祥昱，張俊雷，李 崢，傅 彬

（中國石油天然氣股份有限公司吉林石化數據中心分公司，吉林 吉林市 132000）

0 引言

隨著社會科技的進步，互聯網、物聯網、云計算逐漸投入使用，尤其是5G 移動網絡的應用，使得信息交換頻繁，整個社會對數據中心的計算、存儲能力的依賴性逐漸增強。信息行業高速發展，數據業務膨脹，行業內大型數據中心的規模優勢逐漸凸顯出來，可以說，人類在現代社會的正常活動很大程度建立在數據中心正常運行的基礎上［1］。

1 現代數據中心運行情況概述

隨著數據中心規模擴大，數據中心制冷能力、能耗問題也成為業內關注的焦點問題，早期廣泛應用的風冷系統在能源問題日益嚴重的當下，因高能耗運行的弊端逐漸被行業摒棄，目前國內一些小規模的傳統數據中心的電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）可能高達3。在各種制冷模式中，目前大量的數據中心采用冷凍水制冷系統，近5 年建設的水冷數據中心的PUE 值實測在1.5 左右，尤其在北方采用冷凍水制冷系統，可以利用北方冬季自然冷量，實現完全自由冷卻模式，為機房空調提供低溫冷凍水，自由冷卻時間長，可以大幅降低數據中心運行能耗［2］。

2 水冷卻系統的設計與結構

冷凍水系統主要由冷水機組、板式換熱器、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵以及機房專用冷凍水空調組成。系統采用集中式冷源，在北方地區更有利于降低運行成本。

2.1 制冷設計原理

水冷卻系統的制冷劑循環系統是一個密封系統，主要由壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器等組成。制冷劑在該系統中循環運轉并與外界發生熱量交換，可達到對現代數據中心的制冷效果。

（1）壓縮機。壓縮機的作用是吸入蒸發器中輸出的低壓制冷劑蒸汽并壓縮到冷凝壓力，隨后將其輸出至冷凝器。

（2）冷凝器。冷凝器的作用是將壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽通過冷凝轉化為液體。冷凝過程中釋放的熱量通過水或空氣排出。

（3）節流裝置。節流裝置是指一種充滿管道的流束在節流處形成局部收縮的流裝置，在節流處形成收縮，使流速提高進而降低靜壓力，進而在節流處產生靜壓力差。在制冷系統中使用節流裝置，可以在節流處將制冷劑液體的壓力從冷凝壓力下降到蒸發壓力。

（4）蒸發器。蒸發器的作用是將節流裝置中流出的制冷劑液體轉化為蒸汽，在這一過程中會向外部釋放大量的冷量。

水冷卻系統的工作原理是，首先壓縮機吸入低溫、低壓的制冷劑蒸汽，經壓縮后轉變為高溫、高壓的蒸汽；隨后排入冷凝器中遇水、空氣等冷卻物質而釋放大量熱量并冷凝為高壓液體；高壓液體經節流裝置進行節流后轉化為低溫、低壓的制冷劑，隨后送入蒸發器中吸收熱量，被汽化為低溫、低壓的蒸汽并被送入壓縮機制作成高溫、高壓的蒸汽，以實現循環制冷［3］。

為了保障制冷系統有效運行，還應再配置干燥過濾器、油分離器、分液器、溫度控制器、過載保護器和起動繼電器等。這些輔助設備能有效提高制冷系統的安全性和可靠性。

2.2 板式換熱器

板式換熱器是由一系列具有一定波形的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器，各板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換，與常規換熱器相比較，在相同流動阻力和管道動力下，其換熱效率高出15%～30%。

2.3 冷凍水、冷卻水泵

數據中心多采用離心式水泵作為管道動力的機械裝置，在實際運行中，變頻水泵在運行穩定性、節能降耗等方面具有較大的優勢。

2.4 冷卻塔

根據工作原理不同，冷卻塔可以分為開式冷卻塔和閉式冷卻塔兩種。

（1）開式冷卻塔。開式冷卻塔中將冷卻水轉化為噴霧并噴淋到玻璃纖維的填料上，以水和空氣的接觸實現熱量的交換，再通過風機運轉實現塔內的氣流循環，并將交換熱量后的熱氣流排出，以實現冷卻的目標。此種冷卻方式首期的投入比較少，但是運營成本較高，主要體現在水耗、電耗上。

（2）閉式冷卻塔。閉式冷卻塔源于蒸發冷卻器，其是結合常規冷卻塔和水冷式冷卻器的優點而設計的熱交換器。其工作原理主要包括內循環和外循環，主核心部分為紫銅管表冷器。內循環是指冷卻水在紫銅管內的封閉空間中流動，通過翅片增加與空氣、噴淋水的接觸面積，降低水溫。外循環是指冷卻塔自身為了降溫，不接觸內循環的冷卻水，而僅借助冷卻塔內的紫銅管表冷器實現散熱。

3 數據中心水冷卻系統應用方式及節能降耗效果

3.1 使用變頻電機節約能源

空調系統的制冷能力和環境密切相關，一般情況下，數據中心的空調系統大部分時間均處于不飽和的運行狀態。數據中心的熱量與網絡訪問量、運行狀態有關。因此，數據中心的能耗是隨時變化的。變頻系統能夠使水冷空調系統在工作運行中減少較大的能耗，相比之下，使用2年左右的時間，其節省的電費便能抵消增加的投資金額。需要明確的是，在選用變頻器時，要選擇諧波系數在5%以內的，當系統部分負荷運行時，變速裝置的節能效果能夠充分地凸顯。

3.1.1 變頻冷水機組

采用變頻電機并針對冷水機組作相應的特殊設計，能夠達到較好的節能效果。例如，一臺制冷量1 000 冷噸的變頻冷水機組相對常規定頻機組而言，在負荷越低的情況下，節能效果愈發凸顯。常年運行的數據中心的冷水機組要應對室外的氣溫以及冷卻塔不斷變化供水溫度，若采用變頻驅動的離心機組，則能夠靈活地應對壓頭的變化，調節轉速，有效地降低能耗。

3.1.2 變頻冷卻塔

變頻冷卻塔是指采用變頻技術的冷卻塔，變頻電機能在數據中心滿負荷或部分負荷的不同情況下實現節能目標。變頻電機的工作原理是基于冷卻水的溫差實現節能控制。溫差一般控制在4.5℃～5.5℃內。當溫差超過5.5℃時，則降低頻率來減少冷量排放，以實現降低溫差的目標。若溫差低于4.5℃，則通過提高頻率來增加風量，以實現提高溫差的目標。此外，冷卻水的溫度對冷水機組的效率有較大的影響，溫度越高，其效率就越低。

3.1.3 變頻水泵

水泵需要一直保持在運行狀態，具有較大的能耗。采用變頻水泵可以在負荷不滿時降低頻率以實現節能的目標。變頻水泵的變頻電機是根據冷卻水和冷凍水之間的溫差來調節。溫差一般控制在4.5℃～5.5℃內。當溫差超過5.5℃時，則降低頻率來降低水泵的運行效率，以實現降低溫差的目標。若溫差低于4.5℃，則通過提高頻率來提高水泵的運行效率，以實現提高溫差的目標。同時，出于降低水泵的能耗和揚程的目的，一般冷卻塔、冷凍機房和其他機房的直線距離越小越好。

3.1.4 采用調速風機的水冷精密空調

調速風機能夠基于回風的溫度有效調節風機的運行速度，實現節能的目標。

3.2 提高冷凍水的溫度，實現節能

一般情況下，冷水機組和水冷空調的標準冷凍水溫度為12℃～18℃。冷凍水的溫度與冷水機組的工作效率呈正比關系，即冷凍水溫度越高，冷水機組的效率越高。根據行業實測數據，冷凍水溫每上升1℃，冷水機組的效率大約可以提高3%［4］。目前，冷凍水溫度一般被控制在12℃～18℃，該溫度下無須除濕，也無須加濕，加上采用電子換向（Electrical Commutation，EC）調速風機，電機產生的熱量減少，節能效果突出。

3.3 北方地區利用冬季自然冷量節能降耗

在冬季北方地區室外溫度處于較低水平時，可以將制冷機組關閉，運用水冷自然冷卻的方式，使用板式換熱器換熱。帶板換-冷水機組的制冷方式如下。①當濕球溫度在10℃以上時，運用閥門控制板式換熱器，使其停止工作。機組采用冷凍機制冷。②當濕球溫度在6℃以下且完全自然冷卻時，則通過閥門控制冷凍水且冷卻水只通過板式換熱器，并關閉冷凍機。③若濕球溫度在6℃～10℃且部分自然冷卻時，冷卻水和冷凍水要首先經過板式換熱器，再經過冷凍機組。

當濕球溫度低于6℃時，僅通過自然冷卻就能夠實現目標。當濕球溫度處于6℃～10℃時，可以實現部分自然冷卻。在我國北方地區，一年大約有5 個月可以實現完全自然冷卻，大約有2 個月可以實現部分自然冷卻，說明冷卻系統有較好的節能效果。

天氣是處于不斷變化中的，因此以上3 種工作方式應根據環境的變化進行調節。為降低人工操作的不良影響，可以在全部的閥門上安裝電動閥。對大型數據中心來說，由于制冷量特別大，其要同時考慮N+1備機。為了進一步提高冷卻系統的穩定性和可靠性，建議可以將冷卻塔、水泵和冷凍機組進行一對一配置。

4 結語

目前，隨著移動互聯網的普及和5G 的正式商用化，各類數據層出不窮。大數據中蘊含著大量的信息和資訊，是現代信息社會的重要資源。為了有效保存和利用大數據，現代數據中心的建設應得到重視。要保障數據中心有效運行，減少或避免各類不良事件，冷卻技術的應用具有重要的作用。本文對水冷卻系統在數據中心的應用進行研究，以期為數據中心的良好運行提供有益的參考。