数据中心冷却系统和技术及其工作原理

对于任何数据中心来说，最重要的任务之一是环境监测和管理。 高温和高湿度会损坏 IT 设备，导致它们出现故障。 这可能会给在数据中心内工作的任何人带来不舒服的条件。

幸运的是，有许多系统和技术可以帮助监控和管理数据中心冷却，以将温度和湿度水平保持在最佳范围内。

什么是数据中心冷却？

数据中心使用大量电力，这会转化为热量。 设施中安装的设备越多，产生的热量就越大。 数据中心冷却一词是指确保数据中心设施内理想温度和湿度水平的集体设备、工具、系统、技术和流程。

适当的数据中心冷却可确保为整个设施提供足够的冷却、通风和湿度控制，以使所有设备保持在所需的温度范围内。

为什么数据中心冷却很重要？

对于 IT 和电气设备而言，高温和高湿度是不理想的条件。大多数 IT 设备和设备都会产生热量，需要快速散热，以免影响其性能。过热和过湿会损坏设备和设备，导致它们发生故障并停止工作。损坏的设备可能导致火灾和其他安全问题的风险。由于必须更频繁地维修或更换设备，这些风险会增加运营成本。

由于大多数数据中心都运行 A1 和 A2 类设备，因此设施管理人员必须确保他们的冷却系统能够胜任任务。购买额外的或最新的设备来满足冷却需求解释了为什么专家预测美国数据中心冷却市场到 2025 年将达到 35 亿美元以上。

数据中心冷却如何工作？

数据中心冷却的工作原理是去除空气中的多余热量并用较冷的空气代替。这通常通过以下几种方式之一完成：

将热空气排出室外，然后将室外空气引入，冷却并在设施内循环。  通过冷却来回收内部空气，通常通过冷热通道设计来最大限度地提高冷却效率。  将热空气排放到室外，然后将预先冷却的室外空气吸入设施以使其冷却。这种方法被称为自然冷却，它仅适用于位于较冷气候的设施。  将设施冷却或加热到推荐的最高温度，一旦出现故障，更换设备。使用这种所谓的热冷却或紧密耦合冷却可能更便宜，因为其他冷却方法的成本可能比设备更换成本高得多。

当前的数据中心冷却系统和技术

空气冷却和液体冷却是两种最流行的数据中心冷却类型。

空气冷却

这种冷却方法非常适合小型数据中心或将活动地板与冷热通道设计相结合的旧数据中心。当机房空调 (CRAC) 单元或机房空气处理器 (CRAH) 发出冷空气时，活动地板下方的压力增加并将冷空气送入设备入口。冷空气取代热空气，然后返回到 CRAC 或 CRAH，在那里它被冷却和再循环。

冷热空气通道通过更有针对性地放置进气口和排气口，提高了基于空气的冷却系统的效率。这可以防止冷热空气混合，因此冷却 CRAC 或 CRAH 可以更有效地工作。

此外，CRAH 比 CRAC 更有效，因为它吸入外部空气并使用冷冻水而不是制冷剂对其进行冷却。 CRAC 的功能类似于使用制冷剂来冷却空气的住宅空调装置。 CRAC 单元更适合小型数据中心机柜，因为它们跟不上企业级数据中心。

冷热通道布局

在这种布局中，服务器机柜和机架排成一排，每一排都与前面的那一排相反。

这种设备配置具有相互面对的冷进气口和热空气通风口，形成冷热空气交替通道。每个过道中的 CRAH 可以通风或泵入空气，从而使冷却系统高效工作。热空气从热通道排出，冷空气通过冷通道泵送。

门和墙壁可以添加到布局中，以进一步引导气流。机柜应尽可能装满，以避免空余空间、间隙和电缆开口可能会将热空气或冷空气泄漏到对面的过道中，从而导致冷却系统超时工作。

此图说明了冷热空气如何循环，以保持数据中心的最佳温度水平。

液体冷却

相对较新的技术是液体冷却。这是一种更高效、更具成本效益的冷却系统，因为它可以安装在最需要它的数据中心设备上。在将热量从排放源转移出去方面，液体比空气更有效。它还可以支持更高的设备密度和产生高于平均热量的项目，例如高密度和边缘计算数据中心。

液体冷却主要有两种类型：

1.液浸冷却。该方法将整个电气设备置于封闭系统中的介电流体中。流体吸收设备发出的热量，将其转化为蒸汽并冷凝，帮助设备冷却。

2.直接到芯片的液体冷却。这种方法使用软管将不易燃的介电流体直接带到产生最多热量的处理芯片或主板组件，例如 CPU 或 GPU。流体通过转化为蒸汽吸收热量，蒸汽通过同一根管子将热量带出设备。

未来的数据中心冷却系统和技术

尽管液体冷却仍然相对较新，但还有其他数据中心冷却技术即将出现，例如地热冷却方法、使用人工智能和机器学习来更好地监控和管理冷却的智能技术以及蒸发冷却。

利用自然冷却数据中心

以下是数据中心可以利用大自然为其设施降温的一些方法：

地热冷却利用地表以下近乎恒定的地球温度来提供冷却。这是一个古老的想法，用于在几个世纪前保持食物冷藏并适应我们的现代时代。在数据中心，地热冷却使用闭环管道系统，水或其他冷却剂穿过地下垂直井，充满传热液体。 Iron Mountain 的宾夕法尼亚州西部数据中心、冰岛的 Verne Global 和挪威的 Green Mountain 为其数据中心使用地热冷却。  蒸发冷却或沼泽冷却利用了当水暴露于移动空气并开始蒸发并变成气体时发生的温度下降。风扇将温暖的数据中心空气通过水或冷却剂湿润的垫子吸入，当液体蒸发时，空气被冷却并被推回数据中心。它的成本仅为风冷 HVAC 系统的一小部分，并且在低湿度气候下效果最佳。  太阳能冷却将来自太阳的热量转化为可用于数据中心空气冷却系统的冷却。该系统收集太阳能并使用热驱动冷却过程来降低建筑物中的空气温度。这在阳光充足的区域或数据中心希望以更环保的方法补充其当前冷却的区域非常有用。  KyotoCooling 是对自然冷却方法的改进，它使用热轮控制数据中心的冷热气流。随着车轮的转动，内部的热空气被排放到外面；然后，外部空气冷却车轮和被抽回设施的空气。与其他 CRAH 系统相比，它的运行功耗降低了 75% 至 92%，减少了二氧化碳排放并消除了冷却系统中对水的需求。该技术被美国联合航空公司在芝加哥以外的数据中心和惠普在多伦多以外的数据中心使用。

使用智能技术进行数据中心冷却

由于许多较新的数据中心冷却技术需要设施所有者进行大量投资，因此智能技术已成为一种流行的选择。数据中心智能助手、人工智能和机器学习技术可以更有效地监控设施并实时调整以确保最佳温度和湿度水平。例如，谷歌使用智能温度控制来减少热量输出和冷却使用。该公司还使用其 DeepMind AI 产品在 18 个月内将冷却能源使用量减少了 40%。

数据中心冷却机器人可以在设施内移动，监控特定服务器机柜中的温度和湿度水平。手动监测橱柜温度的一个挑战是，一旦打开，情况就会发生变化。 OneNeck IT Solutions 等公司已开发出可装入标准机柜的机器人传感器探头。机器人在机柜内的皮带驱动导轨上上下移动，以收集每个机架的温度数据。然后它通过蓝牙将数据传输到连接的设备，以便数据中心专业人员可以创建机柜的完整热图。

数据中心的需求只会增加，因此设施所有者及其客户必须寻找更高效、更具成本效益的冷却解决方案。无论是通过寻找对环境危害较小的选择（例如地热和自然冷却），还是通过投资新技术（例如用于高性能服务器的液浸式冷却），每个人都能找到适合自己的东西。