数据中心建设的高速增长导致机房内部各种设备越来越多,为保证数据中心提供恒温恒湿的制冷环境。数据中心用电量会大大增加,随之而来冷却系统、配电系统、UPS和发电机等都会按比例增加,这给数据中心能耗带来重大挑战。在举国上下都在倡导节能减排的时刻,数据中心若一味地消耗社会能源,必然引起政府和人们的关注。不仅不利于数据中心的未来发展,而且与社会公德背道而驰,所以能耗问题已经成为数据中心建设最为关注的内容。数据中心为了发展,就是要不断扩大规模,必然要增加设备,这个无法减少,只能是在使用上需提升设备利用率。能耗的另一大块就是散热这部分,一个数据中心空调系统能耗几乎占用了整个数据中心能耗的三分之一还多,如果能在这个上面多下下功夫,数据中心节能效果会立竿见影。那么,数据中心都有哪些散热技术呢,哪些是未来的发展方向呢?在本文中将可找到答案。

风冷系统

空气冷却直接膨胀系统成为风冷系统。在风冷系统中,半数的制冷剂循环回路位于数据中心机房空调中,其余部分位于室外的空气冷却冷凝器中。机房内部的热量通过使用制冷剂循环流动的管路被挤压到室外的环境中,热空气将热量传递给蒸发器盘管,进而传递给制冷剂,高温高压的制冷剂被压缩机送至室外的冷凝器,然后将热量散发到室外的大气中。风冷系统能效比较低,靠风直接散热。从冷却角度看,主要能耗产生于压缩机、室内风机、风冷室外冷凝器。由于室外机布置集中,夏季时室外机全部开启时,局部热堆积现象明显,会降低制冷效率,影响使用效果。而且,风冷室外机噪声对周边环境影响较大,容易产生对周边住户的影响,无法采用自然冷,节能性比较低。虽然风冷系统散热效率不高,能耗还高,但仍是目前数据中心里使用最广的散热方式。

液冷系统

风冷系统有其不可避免的缺点,一些数据中心已经开始转向到液体冷却了,最常见的就是水冷系统。水冷系统通过板换将热量搬走,制冷稳定。需要室外冷却塔或是干冷器替代冷凝器进行换热。水冷取消了风冷室外机,解决噪声问题,对环境影响小。水冷系统比较复杂,成本也比较高,维护也有难度,但是能满足大型数据中心冷却和节能要求。除了水冷,还有油冷。相较于水冷方式,油冷系统能够进一步降低能耗。如果采用油冷系统,传统风冷所面对的灰尘问题不复存在,且能耗低得多。而与水不同的是,油是非极性物质,不会对电子集成回路产生影响,对服务器内部硬件不会有损坏。不过,液冷系统一直以来在市场上都是雷声大雨点小,少有数据中心会采用这种方式。因为液冷系统,无论是浸泡或是其他方式,均要求对液体进行过滤,以避免诸如污染物堆积,过量的沉积物和生物生长的问题。对于基于水的系统,如那些采用冷却塔或蒸发等措施的液体冷却系统,在一个给定的体积需要随着蒸汽的排除处理泥沙问题,需要对其进行分离和“排污”处置,即使这样的处理可能会带来环境问题。

蒸发或绝热冷却系统

蒸发冷却技术是一种利用气温下降来冷却空气的方法,当水遇到流动的热空气时,就开始汽化,变成气体。蒸发散热不适用对环境有危害的制冷剂,安装成本也较低,还不需要使用传统的压缩机,能耗较低,具有节能、环保、经济和提高室内空气质量的优点。蒸发冷却器是一个大风扇,将热空气抽到湿水垫上。当湿水垫中水蒸发的时候,空气就被冷却,并被推出。温度可通过调节冷却器气流来控制。绝热冷却是指空气在绝热上升的过程中,气压随高度升高而降低,气块因体积膨胀而对外做功,从而导致空气本身温度的降低。对于数据中心这些散热方式仍显得新奇。

封闭冷却系统

封闭式冷却系统散热器盖是密封的,增添了一个膨胀箱。工作时,冷却液蒸气进入膨胀箱内,冷却后流回散热器,可防止冷却液的大量蒸发损失,并可提高冷却液的沸点温度。封闭式冷却系可保证发动机在1~2年不用加冷却水。在使用中,必须保证密封,才能收到效果。膨胀箱内的冷却液不能注满,留有膨胀余地,使用两年后放出过滤,调整成分和冰点后继续使用。封闭意味着空气流动不充分,容易引起局部过热问题。封闭冷却往往和水冷或液冷结合起来,水冷系统也可以做成封闭系统,这样更有力散热,提升制冷效率。

除了以上介绍的散热方式,还有不少奇葩的散热方式,有的甚至已经实际应用。比如:采用自然散热,将数据中心建在寒冷的北欧国家或者是建设到海底,通过“极度深寒”来为数据中心里的设备降温。像脸谱在冰岛建设的数据中心,微软在海底建设数据中心。还有水冷可以不用标准水,可以用海水、生活废水甚至是热水,都可以用来给数据中心散热。像阿里巴巴用千岛湖的湖水做散热,谷歌在芬兰的哈米纳建立了一座利用海水进行散热的数据中心,eBay将其数据中心建在了沙漠之中,数据中心室外平均温度约为46摄氏度。

以上介绍了数据中心散热常用技术,其中有一些仍在不断完善过程中,仍是实验室的技术。对于未来数据中心散热趋势来说,除了高性能计算中心和其它基于互联网数据中心,大部分数据中心将会迁往低价更便宜、电力成本更低的地方,通过采用更为先进的散热技术,进一步降低数据中心运维成本,提高能效。

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