中國儲能網(wǎng)訊：本文介紹數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)換熱方式，以及當(dāng)前常用的三種液冷方式，并描述了三種液冷的組成形式，比較三種液冷方式各自的優(yōu)缺點，并分別從節(jié)能、噪聲、占地、布置方式、環(huán)境需求、服務(wù)器可靠性、維護(hù)支出和客戶接受程度等方面進(jìn)行有針對性的介紹，為今后液冷技術(shù)在特定場景下的應(yīng)用提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；液冷；冷板；噴淋；浸沒
１ 液冷系統(tǒng)的介紹
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的散熱方式為風(fēng)冷，即使用空氣作為冷媒，對服務(wù)器的發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量的技術(shù)。而IDC液冷系統(tǒng)是指使用液體取代空氣作為冷媒，為發(fā)熱部件進(jìn)行換熱，帶走熱量的技術(shù)。采用液冷方式時必須要使用液冷服務(wù)器。該服務(wù)器是指將液體注入服務(wù)器，通過冷熱交換帶走服務(wù)器的散熱的一種服務(wù)器。
液冷系統(tǒng)的組成主要包含一次側(cè)換熱部分和二次側(cè)換熱部分，一次側(cè)是指從服務(wù)器帶走熱量并二次側(cè)進(jìn)行環(huán)路介質(zhì)進(jìn)行散熱的環(huán)路，二次側(cè)是指將一次側(cè)的熱量排至室外環(huán)境或其他熱回收單元的環(huán)路。
２ 液冷方式的主要形式
液冷形式主要分為噴淋式、冷板式和浸沒式，三種的主要區(qū)別體現(xiàn)在對服務(wù)器的散熱方式不同。噴淋式液冷是將冷卻液通過噴淋的方式淋在服務(wù)器的散熱元件上帶走服務(wù)器產(chǎn)生的熱量；冷板式液冷是在服務(wù)器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱，其他少量發(fā)熱器件（如硬盤、接口卡等） 仍采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)；浸沒式液冷是指將服務(wù)器的發(fā)熱元器件完全浸沒在冷卻液中，通過冷卻液的對流或相變將服務(wù)器的熱量帶走的散熱系統(tǒng)。其次，噴淋式浸沒式的服務(wù)器沒有風(fēng)扇，而冷板式服務(wù)器存在風(fēng)扇。具體介紹如下：
2.1 噴淋式液冷系統(tǒng)
噴淋式直接液冷是面向電子設(shè)備器件精準(zhǔn)噴淋、直接接觸式的液冷技術(shù)，冷卻液可通過重力或系統(tǒng)壓力直接噴淋至IT設(shè)備的發(fā)熱器件或與之相連接的固體導(dǎo)熱材料上，并與之進(jìn)行熱交換實現(xiàn)對IT設(shè)備的熱管理。在熱交換的工作過程中，IT設(shè)備內(nèi)冷卻液的自由液面低于被冷卻的發(fā)熱器件或與之連接的固體導(dǎo)熱材料，系統(tǒng)可通過IT設(shè)備外部的換熱單元對冷卻液換熱，滿足循環(huán)使用要求。
2.2 冷板式液冷系統(tǒng)
冷板式液冷機(jī)柜的基本工作原理描述如下：采用冷板組件與高熱流密度元件接觸，發(fā)熱量經(jīng)由冷板組件中的冷卻介質(zhì)導(dǎo)出，再經(jīng)由一個或多個冷卻回路熱交換傳遞，最終將設(shè)備熱量散發(fā)到外環(huán)境或進(jìn)行回收利用的一種液冷實現(xiàn)方式。
2.3 浸沒式液冷系統(tǒng)
浸沒式液冷機(jī)柜的基本工作原理描述如下：通過把電子信息設(shè)備浸沒在冷卻液中，由冷卻液帶走熱量的一種散熱形式。根據(jù)冷卻液散熱過程中的形態(tài)不同，分為相變與與單相液冷。
３ 液冷方式特點
3.1 充分利用自然冷源，節(jié)能效果明顯
液冷機(jī)柜可以充分利用室外的冷源。液冷機(jī)柜除冷板液冷之外，一般噴淋和浸沒式液冷的服務(wù)器側(cè)進(jìn)出冷卻液的溫度在40℃～45℃左右，而室外側(cè)的環(huán)境溫度一般都能夠滿足對冷卻液的散熱要求，噴淋和浸沒液冷均能全部采用室外冷源進(jìn)行服務(wù)器的散熱，總體PUE效果提升明顯，并且可以充分利用自然冷源，節(jié)能效果極其明顯。
三種液冷方式的PUE均能達(dá)到1.2以下，尤其是噴淋式和浸沒式液冷系統(tǒng)節(jié)能效果更加明顯，相對于風(fēng)冷而言約節(jié)約20%的空調(diào)電能，再加上因取消服務(wù)器內(nèi)部風(fēng)機(jī)，IT部分電能可節(jié)省13％～25％，總體的節(jié)能效果在40％以上。
對當(dāng)前的碳排放而言，浸沒式和噴淋式液冷其輸出的水側(cè)溫度比較高，具有廢熱回收利用價值，如結(jié)合部分余熱利用，節(jié)能效果會有顯著提升的空間之外，也能降低整體數(shù)據(jù)中心的碳排放強(qiáng)度。
3.2 機(jī)房可實現(xiàn)低噪聲
機(jī)房的噪聲主要來自服務(wù)器的風(fēng)扇，根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)定，有人值守的主機(jī)房和輔助區(qū)，在電子信息設(shè)備停機(jī)時，位于主操作員 位 置 測 量 的 噪 聲 值 應(yīng) 小 于65dB（A）。隨著大型數(shù)據(jù)中心的不斷出現(xiàn)，主機(jī)房包含上百臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備規(guī)模的數(shù)據(jù)中心現(xiàn)象變得普遍。當(dāng)這些設(shè)備同時工作時，大部分的噪聲接近或超過65dB，該數(shù)值均在設(shè)備正常運行和負(fù)載50％～60％ 的情況下測試出的噪聲值，如果全速工作，風(fēng)扇可調(diào)速，則噪聲值只能更高。當(dāng)環(huán)境噪聲超過80dB 時，人員已經(jīng)無法在該環(huán)境里長時間工作，歐美的法律也規(guī)定，如果工作場所的噪聲達(dá)到80dB～85dB時，須提供相應(yīng)的職業(yè)保護(hù)。
而采用噴淋和浸沒形式的液冷，服務(wù)器內(nèi)部的風(fēng)扇均不存在，直接去除主要噪聲源，因此噪聲值可以降到低于30dB以下，即使采用冷板式液冷，一般風(fēng)扇在較低的轉(zhuǎn)速下工作，噪聲較之于常規(guī)風(fēng)冷形式更低，噪聲值也有極大改善。
另外由于液冷系統(tǒng)的自身特點，減少了常規(guī)冷源部分（如冷水機(jī)組、空調(diào)室外機(jī)等），也能很大程度上降低對環(huán)境的噪聲影響，對于數(shù)據(jù)中心的布置及周圍環(huán)境而言，相對容易且友好。
3.3 占地面積小
由于液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且可以充分利用自然冷源，減少了常規(guī)數(shù)據(jù)中心的冷源及附屬設(shè)備及管道等布局，系統(tǒng)簡單，占地面積小，加上一般液冷機(jī)柜可以達(dá)到高功率密度，能實現(xiàn)10～50kW功率，較之于常規(guī)可節(jié)省較大面積。
3.4 系統(tǒng)布置改造靈活
由于液冷系統(tǒng)的占地面積小，系統(tǒng)簡便，可利用自然冷源的優(yōu)點，加上可以做到高功率密度，對于改造或者改擴(kuò)建的數(shù)據(jù)中心而言，便利性可以大大提高。
3.5 機(jī)房環(huán)境需求低
對于浸沒式及冷板式液冷系統(tǒng)機(jī)房，無機(jī)房正壓要求，另外對于機(jī)房的整潔度無額外要求，對于機(jī)房的裝修如墻面、地板等要求較低。而且，由于機(jī)房的環(huán)境主要是滿足人員維護(hù)的需求。減少精密空調(diào)的數(shù)量及空調(diào)間的布置，可采用常規(guī)風(fēng)冷末端，機(jī)房的總體冷源的可靠性需求有所降低。
3.6 服務(wù)器可靠性提高，壽命延長
3.6.1 芯片工作溫度低，降低能耗
由于液體能效轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空氣，且液冷系統(tǒng)可直接對服務(wù)器的芯片等關(guān)鍵部件實現(xiàn)散熱，散熱精準(zhǔn)高效，因此服務(wù)器的關(guān)鍵部件的運行溫度明顯低于常規(guī)風(fēng)冷散熱溫度，且溫度恒定，其系統(tǒng)可持續(xù)高負(fù)載運行，效能翻倍；又由于噴淋式液冷和浸沒式液冷移除了服務(wù)器系統(tǒng)風(fēng)扇，可以直接降低服務(wù)器的能耗，約降低15％～25％，而冷板式則約降低5％～10％。
3.6.2 服務(wù)器壽命提高
服務(wù)器的壽命提高主要體現(xiàn)在兩個方面：
①由于芯片工作主要是在較低溫度且溫度恒定下，當(dāng)減少風(fēng)機(jī)工作時的震動（噴淋式和浸沒式液冷），可以顯著提高芯片的壽命；
②噴淋和浸沒液冷機(jī)房由于服務(wù)器浸沒在冷卻液內(nèi)，服務(wù)器不需要與室內(nèi)的空氣進(jìn)行接觸，避免了空氣中的灰塵等顆粒物在服務(wù)器內(nèi)的累計而導(dǎo)致設(shè)備故障。另外也直接減少了環(huán)境中的水分及塵埃等對于服務(wù)器的腐蝕，提高了設(shè)備的可靠性，延長了設(shè)備的使用壽命。
3.7 設(shè)備維護(hù)支出低
相對于噴淋式和浸沒式液冷，冷板式液冷系統(tǒng)運行維護(hù)成本高昂，甚至超過風(fēng)冷系統(tǒng)，主要是其使用的純凈水設(shè)備運行維護(hù)支出比較高，且隨著使用年限的增長成本幾乎翻倍。
噴淋式和浸沒式液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備的部件數(shù)量少，如省去了制冷主機(jī)、風(fēng)冷空調(diào)的設(shè)備數(shù)量，設(shè)備的故障發(fā)生概率會減少。從設(shè)備的全生命周期而言，一方面減少了設(shè)備的備件，另一方面也能減少后期的維護(hù)部分的人力支出。
冷板式相對于風(fēng)冷系統(tǒng)是額外增加一套液冷管道，系統(tǒng)較復(fù)雜。但部分浸沒式液冷系統(tǒng)的冷卻液使用氟化液相變方式，在維護(hù)時，需要整體停機(jī)維護(hù)，存在維護(hù)的難度，且液冷冷卻液的填充量最大。
從三種形式來看，噴淋式液冷系統(tǒng)除具備系統(tǒng)簡單之外，能做到在線維護(hù)，在三者中維護(hù)成本為最低，總體在后期設(shè)備全生命周期管理中，總體的維護(hù)費用支出最簡單，是三者中最好的一種方式。
3.8 設(shè)備前期投資較大
由于液冷設(shè)備還處于起步階段，當(dāng)前液冷形式相對于傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)房而言體量極小，加之部分關(guān)鍵材料如冷卻液等暫時受部分公司的壟斷，相對于常規(guī)機(jī)房而言，設(shè)備前期投資較大，并且由于部分設(shè)備需要定制，如服務(wù)器等，當(dāng)所需數(shù)量較小的情況下，成本更高，一般前期投資為傳統(tǒng)機(jī)房的3倍以上。當(dāng)單柜管理設(shè)備密度在20kW以上且超過500個柜子以上的情況下，成本會有較大的降低。
3.9 客戶接受度需提高
液冷機(jī)柜屬于一種較新型的方式，目前，客戶的接受度不如常規(guī)風(fēng)冷機(jī)柜的接受度；由于當(dāng)前液冷機(jī)房的投資與機(jī)柜的功率密度關(guān)系較大，但參照當(dāng)前的社會成型案例，一般液冷機(jī)柜功率在10～20kW以上，難以達(dá)到客戶的接受程度，當(dāng)前基本為自有用戶的使用或改造，相信后期隨著液冷機(jī)柜的推廣，客戶的接受程度會有所提升。
４ 結(jié)論
綜上所述，噴淋式液冷的優(yōu)點相對于其他兩種液冷方式，主要體現(xiàn)在機(jī)房承重低、冷卻液充注量少、系統(tǒng)簡單和機(jī)房噪聲低等。結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)規(guī)模化的特點，在機(jī)房改造、企業(yè)自用機(jī)房的升級、通信行業(yè)BBU小型機(jī)組等應(yīng)用方面存在較大的利用空間，并在利用自然能源方面存在巨大的節(jié)能潛力，是一種值得推薦的新型數(shù)據(jù)中心散熱方式。
