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数据中心冷却系统和技术及其工作原理

导读：适当的数据中心冷却可确保整个设施获得足够的冷却、通风和湿度控制，以使所有设备保持在所需的温度范围内。

　　对于任何数据中心来说，最重要的任务之一就是环境监控和管理。高温和高湿度会损坏IT设备，导致其发生故障。这可能会给数据中心内的任何工作人员带来不舒适的环境。

　　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？

　　数据中心消耗大量电力，这些电力会转化为热量。设施内安装的设备越多，产生的热量就越大。数据中心冷却是指确保数据中心设施内温度和湿度达到理想水平的设备、工具、系统、技术和流程的集合。

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

　　数据中心冷却为何如此重要？

　　高温和高湿是IT和电气设备所不希望出现的环境条件。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，导致其发生故障并停止工作。设备损坏可能会导致火灾和其他安全问题。这些风险会增加运营成本，因为必须更频繁地维修或更换设备。

　　由于大多数数据中心都运行A1和A2级设备，设施管理人员必须确保其冷却系统能够胜任这项任务。购买额外或最新的设备以满足冷却需求，这解释了为什么专家预测到2025年美国数据中心冷却市场将达到35亿美元以上。

　　数据中心冷却如何工作？

　　数据中心的冷却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实现：

　　● 将热空气排到室外，然后将室外空气带入室内，进行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提高冷却效率。

　　● 将热空气排到室外，然后将预冷的室外空气吸入设施内以冷却。这种方法称为自由冷却，仅适用于气候较冷的设施。

　　● 将设施冷却或加热至最高推荐温度，一旦设备发生故障，则更换设备。使用这种所谓的热冷却或紧耦合冷却可能更便宜，因为其他冷却方法的成本可能远高于设备更换成本。

　　当前的数据中心冷却系统和技术

　　空气冷却和液体冷却是数据中心最流行的两种冷却类型。

　　空气冷却

　　这种冷却方法非常适合小型数据中心或将架空地板与冷热通道设计相结合的较老数据中心。当计算机房空调(CRAC)单元或计算机房空气处理器(CRAH)发出冷空气时，架空地板下方的压力会增加，并将冷空气送入设备入口。冷空气取代热空气，然后热空气返回CRAC或CRAH，在那里冷却并再循环。

　　热气通道和冷气通道可提高空气冷却系统的效率，因为这样可以更有针对性地布置进气口和排气口。这样可以防止热气和冷气混合，从而使冷却CRAC或CRAH能够更有效地工作。

　　此外，CRAH比CRAC更高效，因为它吸入外部空气并使用冷冻水而不是制冷剂来冷却空气。CRAC的功能类似于使用制冷剂来冷却空气的家用空调。CRAC设备更适合小型数据中心机柜，因为它们无法跟上企业级数据中心的步伐。

　　冷热通道布局

　　在这种布局中，服务器机柜和机架按行排列，每行朝向与其前面的方向相反。

　　这种设备配置的冷进气口和热空气口彼此面对，形成交替的冷热空气通道。每个通道中的CRAH可排出或泵入空气，因此冷却系统可高效工作。热空气从热通道排出，冷空气则通过冷通道泵入。

　　可以在布局中添加门和墙壁，以进一步引导气流。机柜应尽可能装满，以避免空隙、缝隙和电缆开口，因为这些空隙、缝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，导致冷却系统超负荷工作。

　　液体冷却

　　相对较新的技术是液体冷却。它是一种更高效、更经济的冷却系统，因为它可以安装在最需要它的数据中心设备上。液体比空气更有效地将热量从发热量源转移出去。它还可以支持更高的设备密度和产生高于平均水平的热量的物品，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：

　　液浸冷却：这种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，将其转化为蒸汽并凝结，帮助设备冷却。

　　直接芯片液体冷却：这种方法使用柔性管将不可燃介电流体直接输送到产生最多热量的处理芯片或主板组件，例如CPU或GPU。流体吸收热量并变成蒸汽，然后通过同一根管道将热量带出设备。

　　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，但其他数据中心冷却技术即将问世，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

　　数据中心可以利用自然资源来冷却其设施的一些方法如下：

　　地热冷却利用地表以下近乎恒定的地球温度来提供冷却。这是几个世纪前用来保持食物低温的古老方法，并适应了现代时代。在数据中心，地热冷却使用闭环管道系统，其中的水或其他冷却剂通过地下的垂直井流动，并充满传热液体。

　　蒸发冷却或沼泽冷却利用了水在流动的空气中蒸发并变成气体时的温度下降。风扇通过水或冷却剂湿润的垫子吸入温暖的数据中心空气，随着液体蒸发，空气变冷并被推回数据中心。它的成本只是风冷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内的空气温度。这在阳光充足的地区或希望以更环保的方式补充现有冷却的数据中心非常有用。

　　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进行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量。

　　数据中心冷却机器人可以在设施内移动，监测特定服务器机柜的温度和湿度水平。手动监测机柜温度的一个挑战是，机柜打开后，情况会立即发生变化。

　　数据中心的需求只会增加，因此设施所有者及其客户必须考虑更高效、更经济的冷却解决方案。无论是考虑对环境危害较小的选择，例如地热和免费冷却，还是投资新技术，例如用于高功率服务器的液浸冷却，每个人都能找到适合自己的方案。