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数据中心各种冷却技术的应用(一)

发布时间:2020-4-1

数据中心有多种冷却方式,这里对这些方式进行罗列,通过动图方式进行简单介绍:

01

风冷机房空调

这是传统的冷却方法,空调由内机和外机通过氟管路连接而成,内机由压缩机、膨胀阀和蒸发器等组成,可以实现制冷和气流输送等功能,外机则用来散热,如图1。常规采用定速涡旋压缩机制冷,少量采用数码涡旋或者变频涡旋压缩机;风冷室外机安装在室外或楼顶,内外机距离有限制:常规不高于室内机20米,不低于室内机5米,室内外管路长度推荐小于60米,超出需要延长组件和措施。

图1 风冷机房空调典型结构


1.2 送风方式:常规分为上送风方式(图2),风管送风方式(图3)和地板下送风(图4):


图2

图3

图4

1.3 典型布置:为了优化气流和进一步提升冷却,采用下送约束是比较通风并进行冷池用的一种方式,如图5。


图5  房间级空调典型气流


1.4 适合场景:风冷空调相互间独立,无单点故障,特别适合中小型数据中心,当输送气流距离较短时,可以单侧布置,当输送距离较远时,采用双侧布置,如图6。




图6 数据中心风冷空调布置


1.5 内机方式:除房间级空调外,还有风冷行间空调和柜级空调,这种方式,可以降低气流的输配距离,减少风机耗电,行间空调配合冷热池封闭可以取得较好的冷却效果,图7,如果不封闭如图8。


图7 行间空调+热池封闭


图8  风冷行间空调

为了进一步降低气流输配距离,部分数据机房也会采用柜级冷却方式,如热管背板,图9。




图9 柜级空调
1.6 风冷机房空调优缺点优点:系统简单、完全独立,投资低,分期建设方便,无单点故障,可靠性高。缺点:外机数量多;涡旋压缩能效低于离心机;外机风冷散热,大规模布置不宜,夏天容易高压;整体能效不高。适合:中小型数据中心。



02
集中水冷冷冻水型空调

水冷冷冻水系统包含两个水系统,冷却水系统和冷冻水系统,系统主要由水冷冷水机组、冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵、水处理设备、定压补水系统、冷冻水空调末端及管路阀门等组成,如图10



图10 水冷冷冻水空调

2.1 压缩机,水冷冷冻水系统一般采用大型冷冻机组,冷量较大的选用离心机组以获得较好的能效比,图11,部分中型数据中心也会选用螺杆机组,图12。



图11 离心机组工作原理

图12 螺杆机工作原理

2.2板换:为了进一步提升能效,降低能耗,也会选配板换系统,图13,当环境温度较低时,开启板换自然换热。



图13 板换工作原理

2.3 末端方式:冷冻水空调末端也分为房间级(图14)、行间级(图15)和柜级空调。



图14  冷冻水房间级架构

图15  冷冻水行间架构

部分数据中心也会采用顶置空调,采用热通道封闭方法,进一步缩短气流循环距离,安装顶置空调的放置方式,可以分为卧式(图16)和立式(图17)。



图16   顶置空调

图17   顶置柜级空调

2.4 冷却塔:冷却塔有开塔、闭塔,有横流和逆流之分,数据中心冷却塔一般选用钢塔,图18 为横流开式钢塔。



图18 冷却塔

2.5 循环水泵:水泵是一种把机械能转换为液体能量、让水在水系统中循环起来的装置,冷冻水和冷却水的循环都是通过水泵来进行的,常见循环水泵有端吸泵和双吸泵,如图19。



图19 循环水泵


2.6 蓄冷罐:考虑市电中断后,冷冻机组从开机到正常运作需要一定的时间,故必须进行一定数量的冷冻水量储备,如建立蓄冷罐或者蓄冷池,确保机房设备安全运行。蓄冷罐有开式和闭式之分,闭罐又分为立式和卧式,如图20。


图20 卧式蓄冷罐


2.7系统特点:
优点:采用冷却塔散热,占地面积小且散热效果好;离心压缩能效高;冬季情况下使用板换可以实现免费供冷。

缺点:系统构成复杂,投资大,有冷却和冷冻两个水系统,建设实施和运行维护复杂;水系统可靠性低,存在水浸机房可能;存在单点故障,需采用设备备份、环网或者双系统来解决可靠性问题。

常见布置:冷机能效高,终期负荷配备板换自然冷却可以取得较好的能效,是目前大型数据机房中心普遍采用的方案。





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