Da datacentre har tæt pakket udstyr og er i kontinuerlig drift, genererer de en masse varme (hver server kan have en kraft på flere kilowatt til titusinder af kilowatt). Hvis varmen ikke kan spredes i tide, vil den føre til overophedning af udstyr, nedbrydning af ydelsen og endda fiasko. Derfor påvirker design af kølesystemet direkte energieffektiviteten, pålideligheden og driftsomkostningerne i datacentret. Følgende er en detaljeret introduktion fra aspekterne af systemsammensætning, kølemetoder, nøgleteknologier og udviklingstendenser.
1.Core komponenter i datacenterkølingssystem
Datacenterkølingssystem består normalt af følgende dele, der fungerer sammen for at opnå effektiv varmeoverførsel og udladning:
● Sideudstyr til varmekilde
Varmegenererende komponenter som servere, lagerenheder, strømforsyningsudstyr (såsom UPS) osv. Køles oprindeligt af fans eller passive køleplade.
● Varmeoverførselsmedium
Luft: Mediet med traditionelt luftkølesystem, lave omkostninger, men lav varmeeledningseffektivitet (termisk ledningsevne i luft er omkring 0. 026 W\/m ・ k).
Væske: Mediet af væskekølesystem, såsom vand eller kølevæske, såsom mineralolie og fluoreret væske, har signifikant højere termisk ledningsevne end luft (termisk ledningsevne af vand er ca. {{0}}. 6 W\/m ・ k, fluoreret væske er ca. 0,05 w\/m ・ k, men latent varmen af vdampen er høj).
● Køling og varmeafledningsudstyr
Præcision Aircondition (CRAC\/CRAH): Tilvejebringer konstant temperatur og fugtighed kold luft til at kontrollere datacentermiljøet (typisk temperatur 20-24 grad, fugtighed 40%-60%).
Chiller: fjerner varme gennem vandcirkulation, der ofte bruges i store datacentre eller væskekølesystemer.
Køletårn\/tørkøler: Udledte varme til den udendørs atmosfære, opdelt i vandkøling (kræver vand) og tør afkøling (luftkøling, vandbesparende, men mindre effektiv).
Varmeveksler: såsom pladevarmeveksler og varmerør varmeveksler, der bruges til varmeudveksling mellem forskellige medier.
● Luftstrøm\/væskestrømningsstyringskomponenter
Kanaler og kanaler: Vejled luftstrømmen for at opnå kold og varm isolering.
Væskekølingsrørledning: inklusive pumper, ventiler, strømningsmålere osv. For at sikre cirkulationen af kølevæske.
Komponenter på kabinetniveau: såsom bagplanfans, kolde plader og sprayenheder (nedsænkning af væskekøling).
● Kontrolsystem
Sensorer (temperatur, fugtighed, tryk) og intelligente controllere justerer dynamisk driften af køleudstyr for at optimere energieffektiviteten.
2. Klassificering af datacenterkølingsmetoder
Baseret på varmeoverførselsmedium og teknisk sti kan kølemetoder opdeles i tre kategorier: luftkøling, væskekøling og naturlig afkøling. Hver metode har forskellige relevante scenarier og fordele og ulemper.
● Luftkøling (luftkøling)
Princip: Udstyrets varme fjernes med luftstrøm, og den varme luft afkøles af klimaanlægget og genanvendes derefter eller udledes til ydersiden.
Typiske teknologier:
Luftkøling på computerrumsniveau:
Præcisions aircondition leverer direkte luft til computerrummet, og den varme luft vender tilbage gennem loftet eller under gulvet. Omkostningerne er lave, men energieffektiviteten er gennemsnitlig (PUE er høje, ca. 1. 5-2. 0).
Forbedringsforanstaltninger: Isolering af varme og kolde kanaler (luk varme kanaler eller kolde kanaler for at undgå blanding af luftstrøm), gulvforsyning (ved hjælp af forhøjede gulve til transport af kold luft, almindeligt i traditionelle datacentre).
Luftkøling på skabsniveau:
Kabinettet har indbyggede fans eller bagplanfans for at forbedre varmeafledningen af et enkelt skab (egnet til skabe med mellemstore densitet, strøm mindre end eller lig med 15 kW).
Kombineret med klimaanlæg mellem række (aircondition er indsat mellem skabsrækkerne for at forkorte luftstrømmen og forbedre effektiviteten).
Fordele: Ældre teknologi, omkostninger til lave implementering, let vedligeholdelse.
Ulemper: Lav luftvarmekapacitet, utilstrækkelig effektivitet i scenarier med høj effekttæthed (opgradering til væskekøling, når der er en enkelt skabseffekt> 20 kW).
● Væskekøling (væskekøling)
Princip: Brug flydende medium til direkte eller indirekte at kontakte de varmegenererende komponenter, fjerne varmen gennem cirkulation, og overfør derefter varmen til det udendørs kølesystem gennem varmeveksleren.
Klassificering og teknologi:
Indirekte væskekøling (kold pladetype):
De varmegenererende komponenter (såsom CPU, GPU) kontaktes gennem metalkoldpladen, og kølevæsken (vand eller ikke-ledende væske) strømmer i den kolde plade for at absorbere varme uden direkte at kontakte de elektroniske komponenter.
Fordele: Høj sikkerhed (ikke-ledende væske er valgfri), kompatibel med den eksisterende serverarkitektur og lav vanskelighed med transformation.
Anvendelse: Computing-scenarier med høj densitet (såsom AI-servere, HPC-klynger), kraften i et enkelt kabinet kan nå 20-50 kW.
Direkte væskekøling (nedsænkning):
Serverhardwaren er helt nedsænket i ikke-ledende fluoreret væske eller mineralolie. Væsken absorberer varme og fordamper, og dampflydende og flyder tilbage gennem kondensatoren (faseændringsafkøling, højere effektivitet).
Fordele: Ekstremt høj varmeafledningseffektivitet (enkeltkabinetseffekt kan nå mere end 100 kW), ingen ventilator kræves, lav støj, pue kan være så lav som 1,05 eller mindre.
Anvendelser: Ultrahøj ydeevne computing, blockchain-minedriftgårde, storskala AI-træningsklynger.
Spray væskekøling:
Kølevæsken sprøjtes på overfladen af varmeelementet gennem en dyse kombineret med fordampning for at absorbere varme, der er mellem den kolde pladetype og nedsænkningstypen.
Fordele: Høj varmeafledningseffektivitet, reduceret PUE markant og støtte til ultrahøj effekttæthed.
Ulemper: Høj initial investering (kabinet og rørledningsmodifikation krævet), høj vedligeholdelseskompleksitet og professionel kølevæskestyring krævet.
● Naturlig køling (gratis køling)
Princip: Brug udendørs naturlige kolde kilder (såsom luft med lav temperatur, grundvand, køletårne) til at erstatte mekanisk køling for at reducere energiforbruget.
Typiske teknologier:
Naturlig afkøling af luftsiden:
Frisk luftkøling: Udendørs lavtemperaturluft indføres direkte i datacentret efter filtrering (fugtighed og støv skal kontrolleres strengt), og varm luft udledes udendørs.
Varmeør\/varmeveksler: Indendørs varme overføres til ydersiden gennem varmerør eller pladevarmevekslere for at undgå blanding af direkte luft (egnet til områder med høj luftfugtighed).
Vandside naturlig afkøling:
Brug køletårne eller tørre kølere til direkte at bruge kølere til at tilvejebringe lavtemperatur kølevand, når udendørs temperatur er lav, hvilket reducerer kompressorens køretid.
Kombineret med et lukket vandcirkulationssystem forhindres vandforurening i at påvirke varmeafledning.
Jordkilde\/vandkildeafkøling:
Brug grundvand, søvand eller jordvarmevekslere til at udtrække naturlige kolde kilder gennem varmepumpesystemer, som er miljøvenlige, men begrænset af geografisk placering.
Fordele: Reducer PUE i høj grad af køleenergi, PUE kan være så lave som 1,1 eller derunder, grøn og energibesparende.
Ulemper: Afhænger af udendørs klimaforhold (åbenlyse fordele i kolde områder) og kræver yderligere varmeudvekslingsudstyr.
3. nøglekølingsteknologier og innovationer
Ud over de ovennævnte grundlæggende metoder udvikler datacenterkøleteknologi sig mod høj effektivitet, intelligens og lavkarbonisering. Følgende er de nuværende mainstream- og avancerede teknologier:
● Køleteknologi med høj effektivitet
Magnetisk levitation Chiller: Brug af magnetisk levitationskompressor, ingen smurende olietab, energieffektivitetsforhold (COP) kan nå mere end 10, hvilket er mere end 30% energibesparende end traditionelle centrifugale kølere.
Fordampningskøling: Sænkning af lufttemperatur ved at absorbere varme gennem vandfordampning (såsom vådfilmfugter + ventilator), der er egnet til tørre områder, kan reducere efterspørgslen efter mekanisk køling i høj grad.
To-faset strømningskøling: Brug af væskefaseændring (fordampningskondensering) til effektiv varmeoverførsel, såsom loopvarmør (LHP) og pulserende varmerør (PHP), til chipniveau varmeafledning.
● Intelligens og energieffektivitetsoptimering
AI og maskinlæring:
Analyser historiske data gennem AI -algoritmer, forudsiger belastningsændringer, justerer dynamisk driftsparametre for klimaanlæg, ventilatorer, vandpumper og andet udstyr og opnår energieffektivitetsoptimering (såsom Googles DeepMind -teknologi kan reducere kølingsenergiforbruget med 40%).
Real-time overvågning af hot spots, automatisk justering af luftstrøm eller væskestrømningsfordeling for at undgå lokal overophedning.
Digital Twin: Byg en virtuel model af datacentret, simuler virkningerne af forskellige kølingsløsninger og optimer layout- og drifts- og vedligeholdelsesstrategier.
● Inddrivning af affaldsvarm og kulstofneutralitet
Genanvendelse af affaldsvarme: Genanvend varmen, der er udledt fra kølesystemet til opvarmning, varmt vand eller industrielle processer (såsom Nordic Data Center kombineret med det regionale varmesystem) for at forbedre den samlede energiudnyttelse.
Green Energy Synergy: Kombiner vedvarende energi såsom fotovoltaik og vindkraft til at drive kølesystemet og reducere kulstofemissioner; Nogle datacentre bruger brændselsceller, hvis affaldsvarme kan bruges direkte til opvarmning eller kraftproduktion.
Natural Arbejdsfluidkølemidler: Brug lav GWP (Global Warming Potential) kølemidler som ammoniak (NH3) og kuldioxid (CO₂) til at erstatte traditionel Freon, i overensstemmelse med miljøreglerne (såsom EU F-gas-reglerne).
● Popularisering af nedsænkningsvæskekøleteknologi
Med eksplosionen af AI og højtydende computing har servere med høj densitet (såsom GPU-klynger) fremmet nedsænkningsvæskekøling for at blive et hot spot:
Funktioner af fluoreret væske: isolering, lavt kogepunkt (ca. 50-60 grad), der er egnet til køling af faseændring, ikke nødvendigt at ændre serverhardware.
Omkostningsreduktionstrend: Med storstilet anvendelse er prisen på fluoreret væske gradvist faldet, og den kan genbruges (levetid på mere end 10 år), og langsigtede omkostningsfordele er tydelige.
4. Udvælgelses- og applikationsscenarier for køleteknologi
Valget af køleopløsninger til datacentre skal omfatte overvejende strømtæthed, geografisk placering, budget- og energieffektivitetsmål:
| Scenarie | Anbefalet kølemetode | Typisk PUE | Enkelt kabinetskraft |
| Lav effekt densitet (<5 kW) | Luftkøling på computerværelsniveau + kold og varm kanalisolering | 1.5-1.8 | Mindre end eller lig med 5 kW |
| Medium effektdensitet (5-20 kW) | Kabinetniveau luftkøling + række-til-række klimaanlæg | 1.3-1.5 | 5-20 kW |
| Høj effektdensitet (20-50 kW) | Koldplade væske køling + naturlig afkøling | 1.1-1.3 |
20-50 kW |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Nedsænket væskekøling + affaldsvarmeudvinding | 1.05-1.1 | 50-100 kW |
| Kolde områder | Naturlig køling (luft\/vandside) + hjælpeafkøling | 1.08-1.2 | Fleksibel |
| Tørre områder | Fordampningskøling + naturlig afkøling | 1.1-1.3 | Fleksibel |
5. Fremtidige udviklingstendenser
●Datacentre med lavt kulstofindhold og nul-carbon:Drevet af politikker (såsom Kinas "dobbelte kulstof" -mål), naturlig køling, affaldsvarmegendannelse og vedvarende energi bliver mainstream, og PUE -målet bevæger sig mod 1. 0.
● Skalering af væskekøleteknologi:AI og Edge Computing driver efterspørgsel efter høj densitet, nedsænkningsvæskekøling trænger ind fra avancerede scenarier til generelle datacentre, og industristandarder (såsom OCP-væskekøle-specifikationer) forenes gradvist.
● Præcisionsvarme på chipniveau:Mikrokanalsafkøling, spraykøling og andre teknologier virker direkte på chippen for at reducere tab af varmeoverførselsstier.
● Intelligens med fuld kæde:Fra udstyrsovervågning til global optimering er AI og Internet of Things (IoT) dybt integreret for at opnå "forudsigelig vedligeholdelse" og adaptiv afkøling.
●Modularisering og præfabrikation:Præfabrikerede væskekøleskabe og datacentre af containertypen accelereres til at implementere, forkorte konstruktionscyklussen og reducere drifts- og vedligeholdelsesomkostninger
Datacenterkølingssystemet er et vigtigt link til afbalancering af ydeevne, omkostninger og energieffektivitet. Teknologivalget skal tilpasses til lokale forhold og behov. Med eksplosionen af beregningseffektbehov og fremme af grøn transformation vil effektiv væskekøling, naturlig køling og intelligent styring blive kerneretningen for fremtidig udvikling, hvilket driver udviklingen af datacentre mod "lavt kulstofindhold, effektiv og bæredygtig".