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國內數據中心制冷系統設計與發展

發布時間：2025-11-24

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數據中心概要

與傳統建筑空間相比，數據中心散熱密度大，單位面積散熱量可達傳統辦公區域的40倍以上，且越來越呈現集中化、大型化的趨勢；同時，設備的安全性需求提高了對內部空調溫濕度和潔凈度的要求，數據中心熱環境特點需要數據中心設計成全封閉結構，依靠制冷系統的全年運行來達到控溫控濕的目的，這使得制冷系統能耗成為數據中心能耗比例不合理的一個重要因素。

數據中心暖通系統分析

目前我國數據中心制冷系統主要分為以下幾種：水冷、風冷、間接蒸發與液冷形式。

常見水冷系統形式為：水冷冷水機組+板換+末端精密空調+冷卻塔，機房熱量通過精密空調換熱經冷凍水傳遞到板換/冷機，冷卻水將熱量帶到冷卻塔傳到室外。該系統最大特點為系統成熟，是目前數據中心最為常用的冷卻系統，數據中心居高不下的高能耗使用戶愈發關注節能問題，因此數據中心冷凍水溫度也逐步可提高到18/24度，隨著冷水機組及冷塔、板換材質工藝和換熱效率的提升，目前水冷系統的年平均PUE部分地區可低于1.3；冷水系統最大制約因素是對水資源的消耗較為嚴重，機械制冷時水蒸發量很大，同時A級機房常規設計考慮12小時儲水量，需相應配套水處理設備。

風冷系統形式主要為以下兩種：1.風冷冷水機組+末端精密空調。2.直膨式精密空調+室外機。如上所述，當數據中心建設制約于水資源的影響時，通常會選擇風冷形式，風冷冷水機組對占地面積有一定要求，大規模數據中心其實并不適用此種方式，一是此種方案成本較高，二是目前數據中心單機柜IT功率普遍都達到了5kw、8kw左右，高密機柜甚至超過20kw，機組的制冷量要求多，為了增加設備擺放空間而擴大建筑面積并不適用與數據中心建設，此外大規模放置于建筑外圍會造成用地浪費，因此可以發現，國內大規模數據中心基本不采用風冷冷水機組方案。

對于直膨式精密來說，在間接蒸發設備成熟化部署前一直是替代水冷系統的最佳選擇，尤其對于一些用戶無法接受水進入機房，但此種制冷系統高能耗一直是各方關注的問題，PUE甚至可達2.0以上，隨著技術的發展，氟泵空調替代了傳統直膨精密空調，從系統結構上，通過增加一個節能模塊，延長了自由冷卻使用時長，緩解了直膨精密空調PUE過高的問題。該系統受管路長度限制，目前國內外風冷直膨精密空調冷媒管路由長度在65-75米之間，超過此長度將會影響設備的制冷效果。

間接蒸發冷卻機組從原理上講也是屬于風冷的一種形式，是國內近兩年較為關注的制冷系統之一，不少大規模數據中心園區也使用了間接蒸發機組，其制冷原理如圖所示：

圖1 間接蒸發機組換熱原理

間接蒸發冷卻機組是將室外空氣新風和房間空氣經過換熱器直接換熱，較傳統水冷系統減少了換熱環節，換熱效率高，間接蒸發冷卻空調機組三種運行模式：

1）“干工況”模式:數據機房內空氣與室外空氣在機組換熱芯體內進行熱交換，利用室外空氣低干球溫度，直接冷卻數據中心熱回風。

2）“濕工況”模式:當室外干球溫度升高，不能直接冷卻機房內空氣時，在換熱芯體上噴水，利用蒸發冷卻降溫原理，通過換熱芯體外部水分的蒸發，吸收熱量，冷卻數據中心熱回風。

3）“DX工況”模式:數據中心熱回風在經過淋水換熱芯體換熱后，仍不能滿足服務器設備進風溫度要求時，需要開啟機械補充制冷，運行壓縮機模塊，保證服務器設備進風溫度。

間接蒸發機組機組尺寸較大，以定興地區選型250kW冷量為例，設備尺寸可達6500mm(l)x3000mm(w)x5000mm(h)，且設備送回風口需通至機房內，因此需要在外墻側開風口，并做相應封堵，增加電動閥門，對施工質量要求較高。相比于水冷系統，此系統更加節水，上述規格間接蒸發冷卻機組耗水量僅為0.8m3/h，遠遠小于冷水系統耗水量，更加利于在缺水地區推廣。

圖2間接蒸發冷卻機組

近年部分廠家推出了“冰川”相變冷卻系統，該系統可理解為風冷系統的一種形式，本系統融合了閉式冷卻塔、多聯機和氟泵精密空調的特點，高度模塊化，管路簡單，末端形式靈活多變，可搭配熱管、列間空調、風墻和精密空調，就精密空調而言，常規風冷直膨精密空調機組制冷量最大到110kW左右，而“冰川”系統由于外置了壓縮機，室內機冷量可達150kW。該系統還采用了磁懸浮壓縮機，進一步減少了能耗，提高能效比。

圖3 “冰川”系統

“冰川”冷卻機組共有三種運行模式：

1） “自由冷卻”濕球溫度低于一定值時，壓縮機完全關閉，由液泵模塊提供壓力進行制冷劑循環，冷塔內部降溫，實現自由冷卻。

2） “機械制冷”當室外干球溫度升高，不能將冷媒介質溫度降至適宜溫度時，開啟壓縮機，保證室內機出風溫度

3）“半自由冷卻”當濕球溫度大于一定值時，只通過冷塔不能降冷媒完全降溫，此時開啟噴淋模式，通過蒸發冷卻冷媒溫度。

同樣，該系統采取閉式冷卻塔結構，有效減少了水分的損失，不失為節水方案的推薦系統，筆者就“冰川”系統和間接蒸發進行參數分析，關鍵參數見下表；

每種機組參數均考慮三家設備供應商規格，選型地點均為河北某地，當地極端濕球溫度29.9℃，數據機房送回風溫度統一設定為送風溫度23±2℃，回風溫度36±2℃，服務器進風溫度滿足GB50174中18℃~27℃度要求，從表中數據可得，冰川系統在耗水量方面比間接蒸發機組低近39%，節水效果有明顯提升，從產品本身分析，冰川系統冷塔內部換熱面積要大于間接蒸發機組，且冰川系統內部循環為冷媒，運行溫度較高，噴淋降溫效果明顯，因此有較大節水提升，對目前數據中心建設有一定參考意義，尤其部分地方在限制PUE同時限制WUE，上海地區明確規定WUE應低于1.4，因此間接蒸發和冰川冷卻系統在上海地區可不受水資源因素制約。

液冷技術是使用流動液體將計算機內部元器件產生的熱量傳遞到計算機外，以保證計算機工作在安全溫度范圍內的一種冷卻方法，液體的比熱遠遠大于空氣，有利于提高傳熱效率，降低傳熱耗能，但也有其弊端，初期成本高，系統復雜，有泄露風險，維護成本高，安全性尚未完全驗證，技術標準空缺等，所以液冷系統目前還未在國內數據中心領域大規模應用。

液冷主要有三種形式：浸沒式、冷板和背板。

浸沒式：通過把設備浸泡在絕緣冷媒中，器件和冷媒直接熱交換完成散熱。利用冷媒自身溫差對流或增加動力強化對流。如果使用相變冷媒，冷媒在受熱后氣化，在機柜頂部凝結再流回機柜。

直接液冷優點：散熱能力強、覆蓋面大、低噪音、能效高、設備無防塵防腐問題。

直接液冷缺點：臥式機柜空間利用率低、可維護性差（取出設備需清理）、僅能用于中小型設備、存在相似相溶風險、部分器件不能接觸冷媒（如光模塊、機械硬盤、線圈電感）、冷媒消耗大成本高（相變冷媒）。

圖4 浸沒式液冷示意圖

冷板式液冷：利用工作流體作為中間熱量傳輸的媒介，將服務器產生的熱量由熱區傳遞到遠處再進行冷卻。工作液體與被冷卻對象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過液冷板等高效熱傳導部件將被冷卻對象的熱量傳遞到冷媒中。

間接液冷優點：散熱能力強、能效高、低噪音、空間利用率高、熱能可回收。

間接液冷缺點：設計復雜難度大、技術標準化不足且有盲點、設備成本高、壽命只有5-7年、存在凝露/泄露/腐蝕風險、商用時間短安全性可靠性未充分驗證。

圖5 冷板式液冷示意圖

背板液冷：利用工作流體作為中間熱量傳輸的媒介，將服務器產生的熱量由熱區傳遞到遠處再進行冷卻。工作液體與被冷卻對象分離，工作液體不與電子器件直接接觸，而是通過服務器風扇將熱量傳遞到冷卻介質中。

背板液冷優點：散熱能力強、能效高、低噪音、可拆卸。

背板液冷缺點：設備成本高、存在凝露/泄露/腐蝕風險、單臺背板制冷量較小（10kw左右）。

圖6 背板式液冷示意圖

總結

綜上，隨著國家對節能的要求越來越嚴格及人們環保意識的提高，數據中心評綠色節能等級愈發常規化，尤其暖通方面高能耗一直是關注重點，通過對國內數據中心使用制冷系統的分析，讀者可以對不同制冷方式系統特點、能耗有個直觀了解。

空氣側自然冷卻分為直接式空氣側自然冷卻和間接式空氣側自然冷卻，其中間接式占地面積和投資較大，自然冷卻時間有限，目前更多采用直接式空氣側自然冷卻。水側自然冷卻是大中型數據中心最為普遍的自然冷卻形式，并且方便在原有的普通冷水機組的基礎上改造。雖然其節能效果不如空氣側自然冷卻，但不會影響室內環境，是數據中心節能的有效手段。液冷目前還未大規模部署，雖然低能耗是其最大特點，但初投資也制約著該系統的發展與推廣。

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