大型數據中心制冷系統綠色節能技術研究

侯嘉HOU Jia；朱振華ZHU Zhen-hua

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610000）

0 引言

隨著全球進入數字經濟時代，數據呈現爆炸式增長，我國已將數據中心建設作為新基建戰略七大領域之一，是國家未來信息化建設與發展的重要方向。大型數據中心是耗能大戶，在“碳達峰、碳中和”，“東數西算”等政策背景下，綠色節能成為大型數據中心建設的主旋律，近年來國家相關部委頒布多項政策文件，推動大型數據中心建設不斷提升能源利用效率、降低PUE。

制冷系統能耗通常占大型數據中心總能耗的30%左右，是數據中心基礎設施最主要的耗能系統。因此，數據中心制冷系統節能降耗技術應用空間最大、成效最快且節約運營成本最多，應用大型數據中心制冷系統綠色節能技術可以有效降低數據中心的能耗，優化PUE 值，提升節能技術水平。本文主要針對大型數據中心制冷系統節能，從制冷系統間接蒸發冷卻技術、液冷技術以及AI 節能技術三個方面進行研究和分析。

1 間接蒸發冷卻技術

1.1 技術原理 蒸發冷卻技術是利用空氣與水的直接接觸，通過兩者間的水蒸氣分壓力差以及溫差，利用水的蒸發吸熱進行制冷，其本身以水作為制冷劑，按照被處理空氣與水的接觸方式不同，一般可分為直接蒸發冷卻與間接蒸發冷卻兩種方式。

間接蒸發冷卻是指通過非直接接觸式換熱器，將直接蒸發冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給機房循環空氣，實現空氣等濕降溫的過程。在此過程中，二次空氣經處理后其干球溫度和濕球溫度都下降，而含濕量不變，對送風氣流實現減焓等濕降溫過程。

1.2 系統構成 間接蒸發冷卻系統由噴淋裝置、換熱芯體、室內風機、室外風機、機械制冷補充裝置、控制系統等組成。（圖1）

圖1 間接蒸發冷卻系統構成圖

數據中心內部的待處理空氣通過板式換熱裝置，首先利用室外空氣對待處理空氣進行冷卻，同時噴淋系統噴淋水利用室外空氣的熱量，在板式換熱裝置中蒸發，利用蒸發吸熱，來降低待處理空氣溫度，使其最大程度地冷卻機房內部循環空氣。整個處理過程，室內空氣是一個閉式循環系統，而室外空氣是一個開系統。室外空氣并不進入數據中心內部，從而避免室外空氣中水分、污染物進入數據中心。由于處理空氣不與水直接接觸，其含濕量不變，實現空氣的等濕降溫。

1.3 運行模式

根據室外新風溫濕度和負載情況，系統分別運行在三種工作模式，實現按需制冷，最大程度利用自然冷源。（圖2）

圖2 間接蒸發冷卻系統運行模式示意圖

①干模式，采用自然冷卻。在冬季室外溫度低的情況下，室外空氣溫度低足夠在換熱器內冷卻服務器機房回風。經過換熱器后，吸收熱量的室外空氣由風機墻排放到室外。冷卻后的機房回風，經過室內側風機墻被送入服務器機房。

②噴淋模式，采用蒸發冷卻。春秋季室外溫度較低的情況下，因為室外空氣溫度不夠低，需要開啟水泵通過高壓微霧噴淋進行絕熱蒸發制冷的來補充制冷量。

③混合制冷模式，采用機械補冷。夏季室外溫度較高，僅依靠自然冷卻無法滿足制冷需求的情況下，通過循環噴水帶走部分熱量，不足部分開啟變頻壓縮制冷系統補充冷量。

1.4 節能效果及適用環境區域分析

間接蒸發冷卻系統與傳統水冷冷凍水系統主要對比如表1。

表1 間接蒸發冷卻系統與傳統水冷系統對比表

間接蒸發冷卻通過水的蒸發吸熱來制冷，只有當所使用的空氣具有較大的干濕球溫度差的情況下，才可能有良好的制冷效果。因此，間接蒸發冷卻系統十分適合新疆、甘肅、內蒙古等夏季室外干濕球溫度相差較大的地區，與一般常規機械制冷方式相比，采用間接蒸發冷卻在西北寒冷干燥地區可更加節能約75%～85%，在華南炎熱潮濕地區通常可節能20%～30%，在西南、華中、華東等中等濕度地區可達到40%左右，總體來說能夠大幅降低大型數據中心空調制冷系統能耗。

2 液冷技術

2.1 技術原理 隨著數據中心高密度設備的快速發展，服務器級的冷卻開始出現并被使用。液冷技術使用液體取代空氣作為冷媒，與IT 設備發熱元器件進行熱交換并帶走熱量。由于液體比空氣的比熱容高，散熱速度也遠遠快過空氣，因此液冷的制冷效率遠高于風冷，相對于傳統的風冷制冷方具有以下明顯優勢：①液體冷媒導熱量是同體積空氣的近3000 倍。②液體冷媒導熱效率更快，超過空氣的25 倍。③同等散熱水平時，采用液冷相比風冷方式噪音降低20-35 分貝。④相比風冷系統節省電量約30%~40%，采用液冷服務器配套基礎設施解決方案的數據中心年均PUE 值可降低至1.2 以下。

2.2 液冷技術實現方式 按照液體與發熱器件的接觸方式，液冷技術實現方式主要分為冷板式（間接接觸）、噴淋式和全浸沒式（直接接觸）。

①冷板式液冷。將液冷冷板固定在服務器電源模塊、CPU 等主要發熱元器件上，依靠流經冷板的冷卻液進行散熱，冷板的液體不接觸被冷卻器件，中間采用導熱板傳熱，安全性高。冷板液冷解決了IT 設施主要發熱元器件的散熱問題，其他發熱量小的器件還得依靠風冷，所以采用冷板式液冷的服務器也稱為氣液雙通道服務器。

②噴淋式液冷。噴淋式液冷技術主要根據發熱體位置和發熱量大小不同在服務器機箱頂部儲液并開孔，通過冷卻液對發熱器件進行噴淋，通過直接接觸實現極高的冷卻效率。冷卻液在噴淋過程中會有少量飄逸和蒸發現象，霧滴和氣體沿機箱孔洞縫隙散發到機箱外面對機房環境清潔度下降或對其他IT 設備造成影響。

③浸沒式液冷。將IT 設備發熱元器件直接浸沒在冷卻液中，依靠液體的流動循環帶走設備運行產生的熱量。由于發熱元器件與冷卻液直接接觸，浸沒式液冷散熱效率更高，相對于冷板式液冷，噪音更低，適用于更高熱密度應用場景。

目前國內外設備廠商主要以冷板式液冷服務器產品為主，噴淋式和浸沒式液冷服務器產品較少，以少量驗證性應用為主。但是另一方面，采用液冷服務器在有效降低PUE 的同時也將大幅增加IT 設施投資成本。

2.3 冷卻液研究 液冷常用的冷卻液有水、礦物油和氟化液。其中水是一種優秀的散熱媒介，價格低廉無污染，有良好的比熱容，但由于水并非絕緣體，只能應用于非直接接觸的冷板式液冷技術。礦物油是冷卻液通常選擇之一，具有絕緣性強、無味無毒不易揮發且價格相對低廉的特點，但是礦物油粘性較高比較容易殘留，特定條件下有燃燒的風險。氟化液由于具有絕緣且不燃的惰性特點，是目前應用中最理想最廣泛的浸沒式冷卻液，但價格較為昂貴。

3 AI 節能技術

3.1 技術概述 傳統大型數據中心制冷系統通常采用群控系統實現冷水機組及末端空調的運行控制，在節能運行方面往往存在冷水系統與負載系統缺少精確聯動調節，無法基于環境參數和負載率實時調優的問題。針對數據中心制冷系統，在傳統群控系統基礎上構建AI 節能控制平臺，部署AI 深度學習算法，通過軟硬件深度耦合，實時采集制冷系統運行參數，基于AI 節能技術進行綜合分析，進而生成和下發最優節能運行策略，通過對制冷機組和末端精密空調的AI 智能控制，確保大型數據中心低能耗高性能運行。

3.2 技術實現 AI 節能技術主要通過數據采集、數據治理、模型訓練、推理運算和控制策略下發五個步驟實現制冷系統AI 能效優化。（圖3）

圖3 AI 節能技術架構示意圖

①數據采集：大型數據中心AI 控制系統將制冷系統各項基礎設施進行統一管理，周期性將采集到的大量制冷系統數據上傳到AI 數據采集和推理平臺，提供運算基礎。AI 算法通過大型數據中心提供的海量數據進行訓練，不斷迭代優化升級。

②數據治理：訓練平臺對采集到的大量數據進行特征參數自動識別，并根據各項參數的業務特性進行聚合分析，提取出影響能效指標的主要特征值參數（如室外溫濕度、冷機數量、冷凍水供回水溫度等）。

③模型訓練：首先針對數據中心PUE 模型進行訓練，通過建立PUE 值與室外環境、IT 負荷、制冷系統控制參數之間的因果關系，利用神經網絡算法對PUE 值進行擬合，將提取到的特征參數輸入到深度神經網絡中進行自適應學習。然后進行數據中心控制策略優化模型訓練，構建基于強化學習的能耗最小化策略模型，根據歷史數據生成潛在控制策略，并結合控制策略約束條件利用數字孿生技術對策略進行評價，最終完成對控制策略優化模型的訓練。

④推理運算：以PUE 模型為約束條件，利用實時采集數據高效識別出能效最優的制冷控制參數組合（如提高水溫、增加冷水機組運行數量等）。

⑤控制策略下發：將控制參數下發到群控系統，通過數據中心運維專業工程師確認控制參數的合理性，并進一步通過制冷系統群控系統執行控制動作。控制參數經過AI 系統、運維工程師、群控系統三重優化及確認，確保數據中心安全穩定運行。

3.3 應用效果分析 近年來國內部分頭部IDC 企業已逐步采用AI 節能技術對大型數據中心制冷空調系統進行優化控制升級，節能降耗應用效果明顯。華為等業界廠商也推出了較為的成熟的iCooling AI 能效優化技術整體解決方案。通過AI 節能技術，可以在不改變數據中心制冷系統模式和產品配置基礎上，對制冷全鏈路進行智能管理。

根據行業數據，數據中心采用AI 節能技術通常在水冷冷凍水系統基礎上能夠降低PUE 值8%~15%；在風冷冷凍水系統基礎上能夠降低PUE 值5%~10%；在間接蒸發冷卻系統基礎上能夠有效降低PUE 值3%~5%，實現數據中心從“制冷”到“智冷”的進化。

4 結語

綜上所述，大型數據中心基礎設施是數字化和信息化建設的重要基礎支撐，對數據中心的建設和運營水平起到決定性作用。本文主要針對大型數據中心制冷系統相關節能技術，從間接蒸發冷卻技術、液冷技術以及AI 節能技術三個方面進行研究分析，各項技術在節能減排、綠色運營、降本增效等方面具有顯著優勢，有利于實現大型數據中心安全、可靠和高效的運行，推動大型數據中心基礎設施技術水平的提升。