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数据中心冷却技术研究进展及未来展望

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东北大学辽宁省110819

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摘要：随着IT技术的高速发展，越来越多大型或超大型的数据中心被建设使用。由于加载了高密度机架服务器的数据中心机房属于高密度发热对象，为了保证机房设备的正常工作，数据中心的散热制冷工作显得尤为重要，而因制冷造成的数据中心能耗已经成为制约数据中心发展的重要因素。本文调研了目前数据中心冷却技术的研究进展，按照工作原理分成空调制冷技术和自然冷却技术依次介绍，并对未来数据中心制冷技术的发展做出了合理的展望。

关键词：数据中心空调制冷研究进展风冷水冷自然冷却

1引言

近年来，随着IT技术的高速发展，对数据的处理速度和处理能力要求越来越高。大量体积小、处理能力快、功能强的高密度机架服务器和存储服务器应运而生[1]。《十三五规划》提出：“要拓展网络经济空间，推进数据资源开放共享，实施国家大数据战略，超前布局下一代互联网”，数据中心随之进入了发展的快车道。随着大数据、云计算、“互联网+”等新技术的快速发展，以及具有大数据传输容量的5G技术的兴起，我国数据中心的需求持续增加[2]。数据统计，2020年全球数据中心总量超过300万个，其中我国数据中心总量超过40万个，数据中心年耗电量达1870亿kW·h。预计至2025年，国内数据中心年耗电量将超过3952亿kW·h，占全年社会用电总量的4.1%，而数据中心冷却系统能耗占总能耗的四成以上[3]，因此，降低数据中心冷却系统能耗是降低数据中心总能耗的重要环节，而冷却系统能耗与其采用的冷却技术原理有直接关联。本文综述了广泛应用于数据中心两种冷却技术：空调制冷技术以及自然冷却技术，并按照工况和原理的不同分别介绍了每种冷却技术的研究进展及其热门的研究方向。

2空调制冷技术

目前广泛应用于数据中心制冷的仍是空调制冷技术。空调制冷是控制环境温度和湿度的技术，可以广泛应用于不同领域，其技术体系较为复杂，相关的技术分类也很多。结合数据中心的工作场景以及徐震原[4]等人为空调制冷技术的分类，数据中心的空调制冷技术可分为风冷式制冷技术和水冷式制冷技术。

2.1风冷式制冷技术

风冷式制冷是数据中心发展之初就广泛应用的制冷技术，它通过风冷式精密空调不间断制冷，其产出的冷风送入机房来达到降温的目的。由于制冷过程是一个将热量持续从低温物体传递到高温物体的过程，根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体转移到高温物体，因此为了实现这一过程需要压缩机输入额外的功，这就造成了大量的制冷能耗。

精确送风技术的使用可以使风冷式制冷技术应用于设备密度高、发热量高、的数据机房。选择合适的送风方式一方面可以提高冷风的利用率、减少不必要的浪费，另一方面可以针对机房内的热量分布定点定量送风，有利于改善机柜区域的温度场分布情况。郭少华[5]等人针对通信机房精确送风技术进行了研究，提出了预估精确送风所需空调制冷量和送风量的计算模型，并得出了含有风管制冷损失的送风量公式，为实际工程提出了计算模型参考。张贺新[6]等人通过一个改造工程实例阐明了精确送风技术在通信机房的改造上的节能效果，并给出了精确送风改造工程应用的查勘与设计要点。赖世能[7]等人简化了气流组织配置模型，对IDC机房上下送风方式空调系统进行了比较得出：在机柜数目为300个，发热功率为2000W时，采用上送风方式每年空调系统的运行电费比采用下送风方式高29%。

风冷式制冷技术适用于机柜数量较少、机柜功率较低的数据中心。即使采用了精确送风技术，在机柜数量大、机柜功率高的机房中，风冷式精密空调也很难对机柜进行有效冷却。陈文博[8]利用FLUENT软件对典型通讯机房的风冷式空调进行了精确送风方式的仿真模拟，当单个机柜的功率超过5000W时，大功率精密空调已经无法保证出风温达到规范的要求。为改善这种情况，俞卫刚[9]提出的定点射流送风系统可以精确定位送风点，在为目标区域提供有效制冷同时大大降低空调能耗，但其也只适用于小型发热对象。

2.2水冷式制冷技术

与风冷式制冷机组相比，水冷式机组具有更优良的制冷能力和更精确的制冷效果。水冷式制冷机组具有高效率、低能耗等特点，制冷容量相同的风冷机组的长度是水冷机组的2.6倍，这意味着若选用水冷机组可大大减少机组占地面积，降低机房地面所承受的载荷。[10]但水冷式机组往往配套有屋顶冷却塔、冷却水循环泵和冷却水管路，使其工程量要大于风冷式机组。

当下关于水冷式制冷技术的研究多为复合空调系统的设计以及水冷机组的改进。周湘江[11]等人在传统的“水冷冷水机组+锅炉空调系统”基础上加入了一个封闭式空气换热器及相应的管路系统取代供热锅炉，使机组在冬季以热泵方式工作来实现温度调节。这一