Deoarece centrele de date au echipamente dens ambalate și sunt în funcționare continuă, acestea generează multă căldură (fiecare server poate avea o putere de mai mulți kilowati la zeci de kilowati). Dacă căldura nu poate fi disipată în timp, aceasta va duce la supraîncălzirea echipamentelor, degradarea performanței și chiar eșecul. Prin urmare, proiectarea sistemului de răcire afectează în mod direct eficiența energetică, fiabilitatea și costurile de operare ale centrului de date. Următoarea este o introducere detaliată din aspectele compoziției sistemului, metodelor de răcire, tehnologiilor cheie și tendințelor de dezvoltare.
1. COMPONENTE DE COMPONENTE A SISTEMULUI DE RĂZBOI DE CENTRU DE DATE
Sistemul de răcire a centrelor de date constă de obicei din următoarele piese, care lucrează împreună pentru a obține transferul și descărcarea eficientă de căldură:
● Echipament lateral sursă de căldură
Componentele generatoare de căldură, cum ar fi serverele, dispozitivele de depozitare, echipamentele de alimentare cu energie electrică (cum ar fi UPS) etc., sunt răcite inițial de ventilatoare sau de chiuvete pasive.
● Mediu de transfer de căldură
Aer: Mediul sistemului tradițional de răcire a aerului, eficiența de conducere cu costuri reduse, dar scăzute la căldură (conductivitatea termică a aerului este de aproximativ 0. 026 w\/m ・ k).
Lichid: Mediul sistemului de răcire a lichidului, cum ar fi apă sau răcire, cum ar fi uleiul mineral și lichidul fluorurat, are o conductivitate termică semnificativ mai mare decât aerul (conductivitatea termică a apei este de aproximativ {{0}}. 6 W\/m ・ K, lichidul fluorurat este de aproximativ 0,05 w\/m ・ k, dar căldura latentă a vaporizării este mare).
● Echipament de refrigerare și disipare a căldurii
Aerul condiționat de precizie (CRAC\/CRAH): Oferă temperatură constantă și umiditate aer rece pentru a controla mediul centrului de date (temperatură tipică 20-24 grad, umiditate 40%-60%).
Chiller: elimină căldura prin circulația apei, utilizată în mod obișnuit în centrele de date mari sau în sistemele de răcire a lichidelor.
Turn de răcire\/răcire uscată: se încălzește căldura în atmosfera exterioară, împărțită în răcire de apă (necesită apă) și răcire uscată (răcire cu aer, economisire a apei, dar mai puțin eficientă).
Schimbător de căldură: cum ar fi schimbătorul de căldură pentru plăci și schimbătorul de căldură de căldură, utilizat pentru schimbul de căldură între diferite medii.
● Componente de gestionare a fluxului de aer\/a fluxului de lichid
Conducte și conducte: ghid fluxul de aer pentru a obține o izolare rece și fierbinte.
Conducta de răcire a lichidului: inclusiv pompe, supape, contoare de debit etc. pentru a asigura circulația lichidului de răcire.
Componente la nivel de cabinet: cum ar fi ventilatoare de plan din spate, plăci reci și dispozitive de pulverizare (răcire lichidă cu imersiune).
● Sistem de control
Senzorii (temperatura, umiditatea, presiunea) și controlerele inteligente ajustează dinamic funcționarea echipamentului de refrigerare pentru a optimiza eficiența energetică.
2. Clasificarea metodelor de răcire a centrelor de date
Pe baza căii de transfer de căldură și a căii tehnice, metodele de răcire pot fi împărțite în trei categorii: răcire cu aer, răcire lichidă și răcire naturală. Fiecare metodă are scenarii și avantaje și dezavantaje diferite aplicabile.
● Răcire cu aer (răcire cu aer)
Principiul: Căldura echipamentului este îndepărtată de fluxul de aer, iar aerul cald este răcit de sistemul de aer condiționat și apoi reciclat sau externat la exterior.
Tehnologii tipice:
Răcire de aer la nivelul camerei de calculator:
Aerul condiționat de precizie furnizează direct aer în camera de calculator, iar aerul cald se întoarce prin tavan sau sub podea. Costul este scăzut, dar eficiența energetică este medie (PUE este mare, aproximativ 1. 5-2. 0).
Măsuri de îmbunătățire: Izolarea canalelor calde și reci (închideți canalele fierbinți sau canalele reci pentru a evita amestecarea fluxului de aer), alimentarea cu aer în pardoseală (folosind podele ridicate pentru a transporta aer rece, obișnuit în centrele de date tradiționale).
Răcire de aer la nivel de dulap:
Dulapul are ventilatoare încorporate sau ventilatoare de plan pentru a îmbunătăți disiparea căldurii a unui singur dulap (potrivit pentru dulapuri cu densitate medie, putere mai mică sau egală cu 15 kW).
Combinat cu aerul condiționat între rând (aerul condiționat este implementat între rândurile dulapului pentru a scurta calea de curgere a aerului și pentru a îmbunătăți eficiența).
Avantaje: tehnologie matură, cost de implementare scăzută, întreținere ușoară.
Dezavantaje: capacitate scăzută de căldură a aerului, eficiență insuficientă în scenarii de densitate ridicată (actualizare la răcirea lichidului atunci când o singură putere de dulap> 20 kW).
● Răcire lichidă (răcire lichidă)
Principiul: Utilizați un mediu lichid pentru a contacta direct sau indirect componentele generatoare de căldură, eliminați căldura prin circulație, apoi transferați căldura în sistemul de răcire în aer liber prin schimbătorul de căldură.
Clasificare și tehnologie:
Răcire lichidă indirectă (tip placă rece):
Componentele generatoare de căldură (cum ar fi CPU, GPU) sunt contactate prin placa rece din metal, iar lichidul de răcire (apă sau lichid non-conductiv) curge în placa rece pentru a absorbi căldura fără a contacta direct componentele electronice.
Avantaje: Siguranța ridicată (lichidul non-conductiv este opțional), compatibil cu arhitectura serverului existentă și dificultăți reduse de transformare.
Aplicație: Scenarii de calcul de înaltă densitate (cum ar fi serverele AI, clusterele HPC), puterea unui singur dulap poate ajunge la 20-50 kw.
Răcire directă a lichidului (imersiune):
Hardware-ul serverului este complet scufundat în ulei de lichid fluorurat sau mineral necond-fluorurat. Lichidul absoarbe căldură și vaporizează, iar aburul se lichefiază și curge înapoi prin condensator (răcirea schimbării fazelor, eficiență mai mare).
Avantaje: Eficiență extrem de mare de disipare a căldurii (puterea de dulap unică poate ajunge mai mult de 100 kW), nu este necesar ventilator, zgomot redus, PUE poate fi la 1,05 sau mai puțin.
Aplicații: Calculare de performanță ultra-înaltă, ferme miniere blockchain, clustere de instruire AI pe scară largă.
Răcire lichidă prin pulverizare:
Lichidul de răcire este pulverizat pe suprafața elementului de încălzire printr -o duză, combinat cu evaporarea pentru a absorbi căldura, care se află între tipul plăcii reci și tipul de imersiune.
Avantaje: eficiență ridicată de disipare a căldurii, redus semnificativ și suport pentru densitatea de putere ultra-înaltă.
Dezavantaje: Investiții inițiale ridicate (necesară modificarea cabinetului și a conductelor), complexitatea de întreținere ridicată și gestionarea profesională a lichidului de răcire.
● Răcire naturală (răcire gratuită)
Principiul: Utilizați surse de frita naturale în aer liber (cum ar fi aerul la temperaturi scăzute, apele subterane, turnurile de răcire) pentru a înlocui refrigerarea mecanică pentru a reduce consumul de energie.
Tehnologii tipice:
Răcire naturală din partea aerului:
Răcire cu aer curat: aerul de temperatură scăzută în aer liber este introdus direct în centrul de date după filtrare (umiditatea și praful trebuie controlate strict), iar aerul cald este descărcat în aer liber.
Pipe de căldură\/schimbător de căldură: Căldura interioară este transferată la exterior prin conducte de căldură sau schimbătoare de căldură pentru plăci pentru a evita amestecarea directă a aerului (potrivită pentru zonele cu umiditate ridicată).
Răcire naturală din partea apei:
Folosiți turnuri de răcire sau răcitoare uscate pentru a utiliza direct răcitoare pentru a oferi apă de răcire la temperaturi scăzute atunci când temperatura exterioară este scăzută, reducând timpul de funcționare al compresorului.
Combinată cu un sistem închis de circulație a apei, poluarea apei este împiedicată să afecteze disiparea căldurii.
Sursa solului\/răcirea sursei de apă:
Utilizați schimbătoare de apă subterană, apă sau de căldură a apei pentru a extrage surse naturale de reci prin intermediul sistemelor de pompe de căldură, care este ecologic, dar limitat de locația geografică.
Avantaje: Reducerea considerabilă consumul de energie de răcire, PUE poate fi la fel de scăzut de 1,1 sau sub economie verde și de energie.
Dezavantaje: depinde de condițiile climatice exterioare (avantaje evidente în zonele reci) și necesită echipamente suplimentare de schimb de căldură.
3. Tehnologii și inovații cheie de răcire
În plus față de metodele de bază de mai sus, tehnologia de răcire a centrelor de date se dezvoltă spre eficiență ridicată, inteligență și carbonizare scăzută. Următoarele sunt tehnologiile actuale și de ultimă oră:
● Tehnologie de refrigerare de înaltă eficiență
Chiller de levitație magnetică: folosind compresorul de levitație magnetică, fără pierderi de ulei lubrifiant, raportul de eficiență energetică (COP) poate atinge mai mult de 10, ceea ce reprezintă mai mult de 30% economisire de energie decât răcitoarele centrifuge tradiționale.
Răcire evaporativă: scăderea temperaturii aerului prin absorbția căldurii prin evaporarea apei (cum ar fi umidificatorul de film umed + ventilator), potrivit pentru zonele uscate, poate reduce considerabil cererea de refrigerare mecanică.
Răcire de flux în două faze: folosind modificarea fazei lichide (codensarea evaporării) pentru transferul de căldură eficient, cum ar fi conducta de căldură cu buclă (LHP) și conducta de căldură pulsantă (PHP), pentru disiparea căldurii la nivel de CHIP.
● Inteligență și optimizare a eficienței energetice
AI și învățare automată:
Analizați datele istorice prin algoritmi AI, prezice modificările de încărcare, ajustați dinamic parametrii de funcționare ai aerului condiționat, ventilatoare, pompe de apă și alte echipamente și obține o optimizare a eficienței energetice (cum ar fi tehnologia Google DeepMind poate reduce consumul de energie de refrigerare cu 40%).
Monitorizarea în timp real a punctelor fierbinți, reglarea automată a fluxului de aer sau a fluxului de lichid pentru a evita supraîncălzirea locală.
Digital Twin: Construiți un model virtual al centrului de date, simulați efectele diferitelor soluții de răcire și optimizați strategiile de aspect și operare și întreținere.
● Recuperarea căldurii reziduale și neutralitatea carbonului
Reutilizarea căldurii reziduale: reciclați căldura evacuată din sistemul de răcire pentru încălzire, apă caldă sau procese industriale (cum ar fi centrul de date nordice combinat cu sistemul regional de încălzire) pentru a îmbunătăți utilizarea generală a energiei.
Sinergia energiei verzi: combinați energia regenerabilă, cum ar fi fotovoltaica și energia eoliană pentru a alimenta sistemul de răcire și a reduce emisiile de carbon; Unele centre de date folosesc celule de combustibil, a căror căldură reziduală poate fi utilizată direct pentru încălzire sau generare de energie.
Refrigerante naturale de lichid de lucru: utilizați refrigerari GWP scăzute (potențial de încălzire globală), cum ar fi amoniac (NH3) și dioxid de carbon (CO₂) pentru a înlocui Freonul tradițional, în conformitate cu reglementările de mediu (cum ar fi reglementările UE F-Gas).
● Popularizarea tehnologiei de răcire a lichidului de imersiune
Odată cu explozia de AI și calcule de înaltă performanță, serverele de înaltă densitate (cum ar fi grupurile GPU) au promovat răcirea lichidului de imersiune pentru a deveni un punct fierbinte:
Caracteristici ale lichidului fluorurat: izolație, punct de fierbere scăzut (aproximativ 50-60 grad), potrivit pentru răcirea schimbării în fază, nu este nevoie să modificați hardware -ul serverului.
Tendința de reducere a costurilor: Odată cu aplicarea pe scară largă, prețul lichidului fluorurat a scăzut treptat și poate fi reutilizat (durata de viață de peste 10 ani), iar avantajele costurilor pe termen lung sunt evidente.
4. Scenarii de selecție și aplicare a tehnologiei de răcire
Selectarea soluțiilor de răcire pentru centrele de date trebuie să ia în considerare în mod cuprinzător densitatea puterii, locația geografică, bugetul și eficiența energetică:
| Scenariu | Metoda de răcire recomandată | PUE tipic | Putere unică a dulapului |
| Densitate de putere redusă (<5 kW) | Răcire de aer la nivelul camerei de calculator + izolarea canalului rece și fierbinte | 1.5-1.8 | Mai puțin sau egal cu 5 kW |
| Densitate medie de putere (5-20 kw) | Răcire de aer la nivel de dulap + aer condiționat la rând la rând | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| Densitate de mare putere (20-50 kw) | Plate rece răcire lichidă + răcire naturală | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Răcire lichidă cufundată + recuperare a căldurii reziduale | 1.05-1.1 | 50-100 kw+ |
| Zone reci | Răcire naturală (partea de aer\/apă) + răcire auxiliară | 1.08-1.2 | Flexibil |
| Zone aride | Răcire evaporativă + răcire naturală | 1.1-1.3 | Flexibil |
5. Tendințe de dezvoltare viitoare
●Centre de date cu carbon scăzut și zero-carbon:Condus de politici (cum ar fi obiectivele „dual carbon” ale Chinei), răcirea naturală, recuperarea căldurii reziduale și energia regenerabilă vor deveni mainstream, iar ținta PUE se va îndrepta spre 1. 0.
● Scalarea tehnologiei de răcire lichidă:AI și Edge Computing Drive Cerere de înaltă densitate, răcirea lichidă de imersiune pătrunde de la scenarii de înaltă calitate la centre de date generale, iar standardele industriei (cum ar fi specificațiile de răcire a lichidului OCP) sunt unificate treptat.
● Disiparea căldurii de precizie la nivel de cip:Răcirea microcanalului, răcirea prin pulverizare și alte tehnologii acționează direct pe cip pentru a reduce pierderea căii de transfer de căldură.
● Inteligență cu lanț complet:De la monitorizarea echipamentelor până la optimizarea globală, AI și Internet of Things (IoT) sunt profund integrate pentru a obține „întreținerea predictivă” și răcirea adaptativă.
●Modularizare și prefabricare:Dulapurile prefabricate de răcire lichidă și centrele de date de tip containere sunt accelerate pentru a implementa, scurta ciclul de construcție și reducerea costurilor de funcționare și întreținere
Sistemul de răcire a centrelor de date este o legătură cheie în echilibrarea performanței, a costurilor și a eficienței energetice. Selecția tehnologiei trebuie adaptată la condițiile și nevoile locale. Odată cu explozia cererii de energie de calcul și avansarea transformării ecologice, răcirea lichidă eficientă, răcirea naturală și managementul inteligent vor deveni direcția de bază a dezvoltării viitoare, determinând evoluția centrelor de date către „carbon cu conținut scăzut de carbon, eficient și durabil”.
