水冷却系统在现代数据中心的应用研究

曾祥昱，张俊雷，李 峥，傅 彬

（中国石油天然气股份有限公司吉林石化数据中心分公司，吉林 吉林市 132000）

0 引言

随着社会科技的进步，互联网、物联网、云计算逐渐投入使用，尤其是5G 移动网络的应用，使得信息交换频繁，整个社会对数据中心的计算、存储能力的依赖性逐渐增强。信息行业高速发展，数据业务膨胀，行业内大型数据中心的规模优势逐渐凸显出来，可以说，人类在现代社会的正常活动很大程度建立在数据中心正常运行的基础上［1］。

1 现代数据中心运行情况概述

随着数据中心规模扩大，数据中心制冷能力、能耗问题也成为业内关注的焦点问题，早期广泛应用的风冷系统在能源问题日益严重的当下，因高能耗运行的弊端逐渐被行业摒弃，目前国内一些小规模的传统数据中心的电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）可能高达3。在各种制冷模式中，目前大量的数据中心采用冷冻水制冷系统，近5 年建设的水冷数据中心的PUE 值实测在1.5 左右，尤其在北方采用冷冻水制冷系统，可以利用北方冬季自然冷量，实现完全自由冷却模式，为机房空调提供低温冷冻水，自由冷却时间长，可以大幅降低数据中心运行能耗［2］。

2 水冷却系统的设计与结构

冷冻水系统主要由冷水机组、板式换热器、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵以及机房专用冷冻水空调组成。系统采用集中式冷源，在北方地区更有利于降低运行成本。

2.1 制冷设计原理

水冷却系统的制冷剂循环系统是一个密封系统，主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等组成。制冷剂在该系统中循环运转并与外界发生热量交换，可达到对现代数据中心的制冷效果。

（1）压缩机。压缩机的作用是吸入蒸发器中输出的低压制冷剂蒸汽并压缩到冷凝压力，随后将其输出至冷凝器。

（2）冷凝器。冷凝器的作用是将压缩机排出的高压制冷剂蒸汽通过冷凝转化为液体。冷凝过程中释放的热量通过水或空气排出。

（3）节流装置。节流装置是指一种充满管道的流束在节流处形成局部收缩的流装置，在节流处形成收缩，使流速提高进而降低静压力，进而在节流处产生静压力差。在制冷系统中使用节流装置，可以在节流处将制冷剂液体的压力从冷凝压力下降到蒸发压力。

（4）蒸发器。蒸发器的作用是将节流装置中流出的制冷剂液体转化为蒸汽，在这一过程中会向外部释放大量的冷量。

水冷却系统的工作原理是，首先压缩机吸入低温、低压的制冷剂蒸汽，经压缩后转变为高温、高压的蒸汽；随后排入冷凝器中遇水、空气等冷却物质而释放大量热量并冷凝为高压液体；高压液体经节流装置进行节流后转化为低温、低压的制冷剂，随后送入蒸发器中吸收热量，被汽化为低温、低压的蒸汽并被送入压缩机制作成高温、高压的蒸汽，以实现循环制冷［3］。

为了保障制冷系统有效运行，还应再配置干燥过滤器、油分离器、分液器、温度控制器、过载保护器和起动继电器等。这些辅助设备能有效提高制冷系统的安全性和可靠性。

2.2 板式换热器

板式换热器是由一系列具有一定波形的金属片叠装而成的一种新型高效换热器，各板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换，与常规换热器相比较，在相同流动阻力和管道动力下，其换热效率高出15%～30%。

2.3 冷冻水、冷却水泵

数据中心多采用离心式水泵作为管道动力的机械装置，在实际运行中，变频水泵在运行稳定性、节能降耗等方面具有较大的优势。

2.4 冷却塔

根据工作原理不同，冷却塔可以分为开式冷却塔和闭式冷却塔两种。

（1）开式冷却塔。开式冷却塔中将冷却水转化为喷雾并喷淋到玻璃纤维的填料上，以水和空气的接触实现热量的交换，再通过风机运转实现塔内的气流循环，并将交换热量后的热气流排出，以实现冷却的目标。此种冷却方式首期的投入比较少，但是运营成本较高，主要体现在水耗、电耗上。

（2）闭式冷却塔。闭式冷却塔源于蒸发冷却器，其是结合常规冷却塔和水冷式冷却器的优点而设计的热交换器。其工作原理主要包括内循环和外循环，主核心部分为紫铜管表冷器。内循环是指冷却水在紫铜管内的封闭空间中流动，通过翅片增加与空气、喷淋水的接触面积，降低水温。外循环是指冷却塔自身为了降温，不接触内循环的冷却水，而仅借助冷却塔内的紫铜管表冷器实现散热。

3 数据中心水冷却系统应用方式及节能降耗效果

3.1 使用变频电机节约能源

空调系统的制冷能力和环境密切相关，一般情况下，数据中心的空调系统大部分时间均处于不饱和的运行状态。数据中心的热量与网络访问量、运行状态有关。因此，数据中心的能耗是随时变化的。变频系统能够使水冷空调系统在工作运行中减少较大的能耗，相比之下，使用2年左右的时间，其节省的电费便能抵消增加的投资金额。需要明确的是，在选用变频器时，要选择谐波系数在5%以内的，当系统部分负荷运行时，变速装置的节能效果能够充分地凸显。

3.1.1 变频冷水机组

采用变频电机并针对冷水机组作相应的特殊设计，能够达到较好的节能效果。例如，一台制冷量1 000 冷吨的变频冷水机组相对常规定频机组而言，在负荷越低的情况下，节能效果愈发凸显。常年运行的数据中心的冷水机组要应对室外的气温以及冷却塔不断变化供水温度，若采用变频驱动的离心机组，则能够灵活地应对压头的变化，调节转速，有效地降低能耗。

3.1.2 变频冷却塔

变频冷却塔是指采用变频技术的冷却塔，变频电机能在数据中心满负荷或部分负荷的不同情况下实现节能目标。变频电机的工作原理是基于冷却水的温差实现节能控制。温差一般控制在4.5℃～5.5℃内。当温差超过5.5℃时，则降低频率来减少冷量排放，以实现降低温差的目标。若温差低于4.5℃，则通过提高频率来增加风量，以实现提高温差的目标。此外，冷却水的温度对冷水机组的效率有较大的影响，温度越高，其效率就越低。

3.1.3 变频水泵

水泵需要一直保持在运行状态，具有较大的能耗。采用变频水泵可以在负荷不满时降低频率以实现节能的目标。变频水泵的变频电机是根据冷却水和冷冻水之间的温差来调节。温差一般控制在4.5℃～5.5℃内。当温差超过5.5℃时，则降低频率来降低水泵的运行效率，以实现降低温差的目标。若温差低于4.5℃，则通过提高频率来提高水泵的运行效率，以实现提高温差的目标。同时，出于降低水泵的能耗和扬程的目的，一般冷却塔、冷冻机房和其他机房的直线距离越小越好。

3.1.4 采用调速风机的水冷精密空调

调速风机能够基于回风的温度有效调节风机的运行速度，实现节能的目标。

3.2 提高冷冻水的温度，实现节能

一般情况下，冷水机组和水冷空调的标准冷冻水温度为12℃～18℃。冷冻水的温度与冷水机组的工作效率呈正比关系，即冷冻水温度越高，冷水机组的效率越高。根据行业实测数据，冷冻水温每上升1℃，冷水机组的效率大约可以提高3%［4］。目前，冷冻水温度一般被控制在12℃～18℃，该温度下无须除湿，也无须加湿，加上采用电子换向（Electrical Commutation，EC）调速风机，电机产生的热量减少，节能效果突出。

3.3 北方地区利用冬季自然冷量节能降耗

在冬季北方地区室外温度处于较低水平时，可以将制冷机组关闭，运用水冷自然冷却的方式，使用板式换热器换热。带板换-冷水机组的制冷方式如下。①当湿球温度在10℃以上时，运用阀门控制板式换热器，使其停止工作。机组采用冷冻机制冷。②当湿球温度在6℃以下且完全自然冷却时，则通过阀门控制冷冻水且冷却水只通过板式换热器，并关闭冷冻机。③若湿球温度在6℃～10℃且部分自然冷却时，冷却水和冷冻水要首先经过板式换热器，再经过冷冻机组。

当湿球温度低于6℃时，仅通过自然冷却就能够实现目标。当湿球温度处于6℃～10℃时，可以实现部分自然冷却。在我国北方地区，一年大约有5 个月可以实现完全自然冷却，大约有2 个月可以实现部分自然冷却，说明冷却系统有较好的节能效果。

天气是处于不断变化中的，因此以上3 种工作方式应根据环境的变化进行调节。为降低人工操作的不良影响，可以在全部的阀门上安装电动阀。对大型数据中心来说，由于制冷量特别大，其要同时考虑N+1备机。为了进一步提高冷却系统的稳定性和可靠性，建议可以将冷却塔、水泵和冷冻机组进行一对一配置。

4 结语

目前，随着移动互联网的普及和5G 的正式商用化，各类数据层出不穷。大数据中蕴含着大量的信息和资讯，是现代信息社会的重要资源。为了有效保存和利用大数据，现代数据中心的建设应得到重视。要保障数据中心有效运行，减少或避免各类不良事件，冷却技术的应用具有重要的作用。本文对水冷却系统在数据中心的应用进行研究，以期为数据中心的良好运行提供有益的参考。