Тъй като центровете за данни имат плътно опаковано оборудване и са в непрекъсната работа, те генерират много топлина (всеки сървър може да има мощност от няколко киловата до десетки киловатки). Ако топлината не може да се разсее навреме, това ще доведе до прегряване на оборудването, влошаване на производителността и дори повреда. Следователно дизайнът на охладителната система пряко влияе върху енергийната ефективност, надеждността и експлоатационните разходи на центъра за данни. Следва подробно въвеждане от аспектите на състава на системата, методите за охлаждане, ключовите технологии и тенденциите за развитие.
1.Кор компоненти на охлаждащата система Център за данни
Системата за охлаждане на центъра за данни обикновено се състои от следните части, които работят заедно за постигане на ефективен топлопренос и изпускане:
● Странично оборудване за източник на топлина
Компоненти, генериращи топлина като сървъри, устройства за съхранение, оборудване за захранване (като UPS) и т.н., първоначално се охлаждат от вентилатори или пасивни радиатори.
● Средна топлопредаване
Въздух: Средството на традиционната система за охлаждане на въздуха, ниска цена, но ниска ефективност на топлинната проводимост (топлинната проводимост на въздуха е около 0. 026 w\/m ・ k).
Течност: Средството на течната охлаждаща система, като вода или охлаждащи тела, като минерално масло и флуорирана течност, има значително по -висока топлопроводимост от въздуха (топлинната проводимост на водата е около {{0}}. 6 W\/M ・ K, флуорираната течност е около 0,05 W\/M ・ K, но латентната топлина на изпарянето е висока).
● Оборудване за хладилни и топлинни разсейване
Прецизно климатик (CRAC\/CRAH): Осигурява постоянна температура и влажност на студен въздух за контрол на средата на центъра за данни (типична температура 20-24 градус, влажност 40%-60%).
Chiller: Премахва топлината чрез циркулация на водата, често използвана в големи центрове за данни или течни охлаждащи системи.
Охлаждаща кула\/сух охладител: Изхвърля топлина до атмосферата на открито, разделена на охлаждане на вода (изисква вода) и сухо охлаждане (охлаждане на въздуха, пестене на вода, но по-малко ефективно).
Топлообменник: като топлообменник на плочата и топлообменник на топлинната тръба, използван за топлообмен между различни среди.
● Компоненти за управление на въздушния поток\/течен поток
Канали и канали: Направете въздушния поток за постигане на студена и гореща изолация.
Тръбопровод за течно охлаждане: включително помпи, клапани, измервателни уреди и др. За да се гарантира циркулацията на охлаждащата течност.
Компоненти на ниво шкаф: като вентилатори на задните плоскости, студени плочи и устройства за пръскане (потапящо течно охлаждане).
● Система за управление
Сензори (температура, влажност, налягане) и интелигентни контролери динамично регулират работата на хладилното оборудване, за да оптимизират енергийната ефективност.
2. Класификация на методите за охлаждане на центъра за данни
Въз основа на средата за пренос на топлина и техническия път, методите за охлаждане могат да бъдат разделени на три категории: охлаждане на въздуха, течно охлаждане и естествено охлаждане. Всеки метод има различни приложими сценарии и предимства и недостатъци.
● въздушно охлаждане (охлаждане на въздуха)
Принцип: Топлината на оборудването се отстранява от въздушния поток, а горещият въздух се охлажда от климатичната система и след това се рециклира или изхвърля отвън.
Типични технологии:
Компютърно охлаждане на въздушно охлаждане на ниво стая:
Прецизният климатик директно доставя въздух към компютърната стая, а горещият въздух се връща през тавана или под пода. Цената е ниска, но енергийната ефективност е средна (PUE е висока, около 1. 5-2. 0).
Мерки за подобряване: Изолиране на горещи и студени канали (заградете горещи канали или студени канали, за да се избегне смесване на въздушния поток), подаване на въздух под етаж (използвайки повишени подове за транспортиране на студен въздух, често срещан в традиционните центрове за данни).
Въздушно охлаждане на ниво шкаф:
Кабинетът има вградени вентилатори или вентилатори за задна равнина, за да подобри разсейването на топлината на един шкаф (подходящ за шкафове със средна плътност, мощност по-малка или равна на 15 kW).
В комбинация с междуредовия климатик (климатикът се разгръща между редове на шкафа, за да се съкрати пътя на въздушния поток и да се подобри ефективността).
Предимства: зряла технология, ниска цена на внедряване, лесна поддръжка.
Недостатъци: капацитет на нисък въздух, недостатъчна ефективност при сценарии на висока плътност на мощността (надграждане до течно охлаждане, когато единична мощност на шкафа> 20 kW).
● Течно охлаждане (течно охлаждане)
Принцип: Използвайте течна среда, за да се свържете директно или косвено да се свържете с компонентите, генериращи топлина, да отнемете топлината чрез циркулация и след това прехвърлете топлината в системата за охлаждане на открито през топлообменника.
Класификация и технология:
Индиректно течно охлаждане (тип студена плоча):
Компонентите, генериращи топлина (като CPU, GPU), се контактуват през металната студена плоча, а охлаждащата течност (вода или непроводима течност) тече в студената плоча, за да абсорбира топлината, без директно да се контактува с електронните компоненти.
Предимства: Високата безопасност (непроводима течност не е задължителна), съвместима със съществуващата сървърна архитектура и ниска трудност при трансформацията.
Приложение: Компютърни сценарии с висока плътност (като AI сървъри, HPC клъстери), силата на един шкаф може да достигне 20-50 kW.
Директно течно охлаждане (потапяне):
Сървърният хардуер е изцяло потопен в непроводимо флуорирано течно или минерално масло. Течността абсорбира топлината и се изпарява, а параходът се втечнява и протича обратно през кондензатора (охлаждане на фазата на промяна, по -висока ефективност).
Предимства: Изключително висока ефективност на разсейване на топлината (единичната мощност на шкафа може да достигне повече от 100 kW), не се изисква вентилатор, нисък шум, PUE може да бъде само 1,05 или по -малко.
Приложения: Ултра високи изчисления на производителността, блокчейн минни ферми, мащабни AI тренировъчни клъстери.
Спрей течно охлаждане:
Охлаждащата течност се напръсква върху повърхността на нагревателния елемент през дюзата, комбинирана с изпаряване за абсорбиране на топлина, която е между типа на студената плоча и типа потапяне.
Предимства: висока ефективност на разсейване на топлина, значително намалена PUE и подкрепа за ултра висока плътност на мощността.
Недостатъци: Необходима е висока първоначална инвестиция (необходима модификация на кабинета и тръбопровода), необходимата висока сложност на поддръжката и професионално управление на охлаждащата течност.
● Естествено охлаждане (безплатно охлаждане)
Принцип: Използвайте източници на естествени студени източници (като нискотемпературен въздух, подземни води, охлаждащи кули), за да замените механичното хладилник, за да намалите консумацията на енергия.
Типични технологии:
Естествено охлаждане на въздуха:
Охлаждане на чист въздух: Въздушният въздух с ниска температура се въвежда директно в центъра за данни след филтрация (влажността и прахът трябва да бъдат строго контролирани), а горещият въздух се изхвърля на открито.
Топлинна тръба\/топлообменник: Топлината на закрито се прехвърля навън през топлинни тръби или топлообменници на плочата, за да се избегне директно смесване на въздух (подходящ за зони с висока влажност).
Натурално охлаждане от страна на водата:
Използвайте охлаждащи кули или сухи охладители, за да използвате директно охладители, за да осигурите нискотемпературна охлаждаща вода, когато температурата на открито е ниска, намалявайки времето на работа на компресора.
В комбинация със затворена система за циркулация на водата, замърсяването на водата се възпрепятства да повлияе на разсейването на топлина.
Охлаждане на източник\/водоизточник\/водоизточник:
Използвайте подземните води, езерни води или почвени топлообменници, за да извличате естествени източници на студ чрез системи за термопомпи, които са екологични, но ограничени от географското местоположение.
Предимства: значително намаляване на консумацията на енергия на охлаждане, PUE може да бъде само 1,1 или по-долу, зелено и енергийно пестене.
Недостатъци: Зависи от климатичните условия на открито (очевидни предимства в студените райони) и изисква допълнително оборудване за обмен на топлообмен.
3. Основни технологии за охлаждане и иновации
В допълнение към горните основни методи, технологията за охлаждане на центъра за данни се развива за висока ефективност, интелигентност и ниска карбонизация. Следват текущите основни и авангардни технологии:
● Технология за охлаждане с висока ефективност
Магнитният левитационен чилър: Използването на магнитен компресор на левитация, без загуба на смазване на масло, коефициент на енергийна ефективност (COP) не може да достигне повече от 10, което е повече от 30% енергийно пестене от традиционните центробежни охладители.
Изпарително охлаждане: Понижаване на температурата на въздуха чрез абсорбиране на топлината чрез изпаряване на водата (като влажен филмов овлажнител + вентилатор), подходящ за сухи площи, може значително да намали търсенето на механично охлаждане.
Двуфазно охлаждане на потока: Използване на промяна на течната фаза (кондензация на изпаряване) за ефективен топлопренос, като топлинна тръба на контура (LHP) и пулсираща топлинна тръба (PHP), за разсейване на топлината на ниво чип.
● Оптимизация на интелигентност и енергийна ефективност
AI и машинно обучение:
Анализирайте исторически данни чрез AI алгоритми, прогнозирайте промени в натоварването, динамично регулирайте работните параметри на климатиците, вентилаторите, водните помпи и друго оборудване и постигнете оптимизация на енергийната ефективност (като технологията DeepMind на Google може да намали консумацията на хладилна енергия с 40%).
Мониторинг в реално време на горещи точки, автоматично регулиране на разпределението на въздушния поток или течността, за да се избегне локалното прегряване.
Digital Twin: Изградете виртуален модел на центъра за данни, симулирайте ефектите на различни решения за охлаждане и оптимизирайте стратегиите за оформление и работа и поддръжка.
● Възстановяване на отпадъчната топлина и неутралитет на въглерод
Повторна употреба на отпадъчната топлина: Рециклирайте топлината, изхвърлена от охлаждащата система за отопление, топла вода или промишлени процеси (като Северният център за данни, комбиниран с регионалната отоплителна система), за да се подобри цялостното използване на енергията.
Синергия на зелена енергия: Комбинирайте възобновяема енергия като фотоволтаици и вятърна енергия за захранване на охлаждащата система и намаляване на въглеродните емисии; Някои центрове за данни използват горивни клетки, чиято отпадъчна топлина може да се използва директно за отопление или производство на енергия.
Хладилни агенти за естествена работна течност: Използвайте хладилни агенти с нисък GWP (глобален потенциал за затопляне) като амоняк (NH3) и въглероден диоксид (CO₂), за да замените традиционния фреон, в съответствие с екологичните разпоредби (като разпоредбите на ЕС F-GAS).
● Популяризация на технологията за потапяне на течно охлаждане
С експлозията на AI и високоефективните изчисления сървърите с висока плътност (като GPU клъстери) насърчават потапянето на течно охлаждане, за да се превърне в гореща точка:
Характеристики на флуорирана течност: изолация, ниска точка на кипене (около 50-60 градус), подходяща за охлаждане на фазата, няма нужда да променяте сървърния хардуер.
Тенденция за намаляване на разходите: При мащабно приложение цената на флуорирана течност постепенно намалява и може да се използва повторно (продължителност на живота над 10 години) и предимствата на дългосрочните разходи са очевидни.
4. Сценарии за избор и приложения на технологията за охлаждане
Изборът на охладителни решения за центровете за данни трябва да обмисли цялостно плътност на мощността, географско местоположение, бюджет и цел за енергийна ефективност:
| Сценарий | Препоръчителен метод за охлаждане | Типичен PUE | Единична мощност на шкафа |
| Ниска плътност на мощността (<5 kW) | Компютърно охлаждане на въздушно охлаждане на нивото + Изолация на студ и хот канал | 1.5-1.8 | По -малко или равни на 5 kW |
| Средна плътност на мощността (5-20 kW) | КАБИНТ НА ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА ВЪЗДУШЕН КОНТИРАНЕ НА ВЪЗДУШЕНИЕ НА КОМПЛЕНТА НА РОД | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| Висока плътност на мощността (20-50 kW) | Течно охлаждане на студена плоча + естествено охлаждане | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Потопено течно охлаждане + възстановяване на отпадъчна топлина | 1.05-1.1 | 50-100 kw+ |
| Студени райони | Естествено охлаждане (въздух\/вода) + спомагателно охлаждане | 1.08-1.2 | Гъвкав |
| Сухи райони | Изпарително охлаждане + естествено охлаждане | 1.1-1.3 | Гъвкав |
5. Бъдещи тенденции за развитие
●Центрове за данни с ниско съдържание на въглерод и нула:Водени от политики (като „двойни въглеродни“ цели на Китай), естественото охлаждане, възстановяването на топлината на отпадъците и възобновяемата енергия ще станат основни, а целта на PUE ще се насочи към 1. 0.
● Мащабиране на технологията за течно охлаждане:AI и Edge Computing задвижват търсенето с висока плътност, потапянето на течно охлаждане прониква от сценарии от висок клас до общи центрове за данни, а индустриалните стандарти (като спецификации за течно охлаждане на OCP) постепенно се обединяват.
● Прецизно разсейване на топлината на ниво чип:Микроканалното охлаждане, охлаждането на спрей и други технологии директно действат върху чипа, за да намалят загубата на топлопреминаване на пътя.
● Интелигентност с пълна верига:От мониторинг на оборудването до глобална оптимизация, AI и Интернет на нещата (IoT) са дълбоко интегрирани за постигане на „прогнозна поддръжка“ и адаптивно охлаждане.
●Модулализация и сглобяване:Сглобяемите шкафове за течно охлаждане и центровете за данни от тип контейнери се ускоряват за разгръщане, съкращаване на строителния цикъл и намаляване на разходите за работа и поддръжка
Системата за охлаждане на центъра за данни е ключова връзка за балансиране на производителността, разходите и енергийната ефективност. Изборът на технологии трябва да бъде адаптиран към местните условия и нужди. С експлозията на изчислителното търсене на енергия и развитието на зелената трансформация, ефективното течно охлаждане, естественото охлаждане и интелигентното управление ще се превърнат в основната посока на бъдещото развитие, което ще доведе до развитието на центровете за данни към „нисковъглеродни, ефективни и устойчиви“.
