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          數據中心各種冷卻技術的應用與發展

          2020-3-19 12:01:39      點擊:
                為了滿足各種類型和規模數據中心的冷卻需求,冷卻技術仍在不斷發展,例如托管數據中心、云平臺、企業內部部署數據中心以及邊緣數據中心正在采用各種冷卻技術——冷凍水、泵送制冷劑、遏制通道、行和機架級空氣、液體冷卻等。數據中心運營商可以根據服務器的數量和功率密度使用多種冷卻方法。無論采用哪種冷卻方式,都將為機架帶來適合的溫度和氣流,以確保正常運行時間,很大程度地提高效率,并降低運營成本。
            
            隨著人工智能、機器學習、高性能計算、數據分析等高功率密度應用的增長,也為現有數據中心帶來了新的冷卻散熱需求,混合冷卻解決方案應運而生,并采用多種冷卻技術提供特定的機架級甚至芯片級冷卻。
            
            提供順應發展趨勢的冷卻解決方案
            
            冷卻技術的應用必須順應當前的數據中心發展趨勢。
            
            •一些數據中心的規模正日益龐大。如今電力容量10兆瓦以上的數據中心項目并不罕見。冷卻技術必須實現大限度地延長正常運行時間、降低成本、提高效率,以及加快上市的目標。
            
            •此外,還有一些數據中心的規模正在變小。邊緣數據中心的應用和數量呈爆炸式增長,并且越來越重要,需要有效冷卻解決方案確?捎眯,同時還要提供主要數據中心的效率效益。由于邊緣數據中心設備通常是無人值守或是“熄燈”設施,因此遠程熱監測和控制是保障正常運行時間和維護的關鍵因素。
            
            •數據中心的環境溫度正在升高!禔SHRAE2016熱指南》將讓數據中心溫度范圍從18℃(64.4℉)升高到27℃(80.6℉)。這提供了更多的冷卻選擇,并有可能減少運營支出和資本支出。但是必須記住,數據中心的可靠性和可用性仍然是重要的指標。
            
            •在某些城市和地區,擴建數據中心不是向外橫向擴展,而是向上擴展建設多層建筑。例如,舊金山、倫敦、東京、新加坡和香港等高密度人口地區的房地產成本促使數據中心需要向上擴展而不是橫向擴展。數據中心建筑高度與特定的冷卻技術直接相關。冷凍水解決方案適用于多層建筑(三層或以上)。這意味著雖然水冷技術并不是數據中心運營商的首選方案,但由于當前許多泵送制冷劑的冷卻解決方案受到高度限制,因此需要水冷技術。
            
            如果條件允許,數據中心可以使用泵送制冷劑技術,采用這種冷卻技術可以提供1.05至1.2的能源使用效率(PUE),并且每MW的電力容量節省數百萬加侖的水來增加價值。新的冷卻技術可以根據應用情況將泵送制冷機組的節能率提高50%,并應用在中低等環境條件中,根據室外溫度和負載量來節省更多的能源。此外,還可以通過添加制冷單元來增加容量,從而使其成為一個可擴展的冷卻解決方案。
            
            但是如果受到了建筑物的高度限制,采用水冷技術可以提供靈活的冷卻措施。但是,采用水冷解決方案會帶來額外的成本問題,例如需要安裝管道系統、集中式冷水機組和冷卻塔,還有防止管道泄漏和腐蝕的維護成本。
            
            其次,如果在水量相對稀少或成本高昂的地區,使用水冷技術將大量增加冷卻成本。隨著數據中心設施對于可持續性的承諾和時間的推移,每兆瓦數百萬加侖水的使用量實際上也是一個難題。
            
            •靈活性是大型數據中心體冷卻系統的關鍵特性,通常采用非高架地板環境來降低成本。這種趨勢加快了數據中心的部署,但同時也消除了通過改造地板來改變氣流的能力。泵送的制冷劑、冷凍水或蒸發技術可以提供所需的冷卻,還有其他幾種靈活的方法可以達到制冷要求,其中包括:
            
           。1)通過防止冷熱空氣混合以提高效率的通道封閉解決方案。
            
           。2)安裝在機架后部的機架煙囪,用于收集加熱后的廢氣并將其輸送到天花板通風室,然后返回機房空調單元進行室內再循環。其缺點是煙囪管道將機架固定在適當的位置,這可能限制將來的靈活性。
            
            •中小型數據中心可采用行內熱管理單元,這些單元位于設備機架旁邊,具有更小的占地面積,同時為機架提供冷空氣。
            
            無論選擇哪種冷卻方式,數據中心都可以從中受益,這些冷卻系統通過自動適應數據中心中不斷變化的條件來提高整體系統的性能和穩定性,可以提供全天候運行狀態的監測,允許授權人員使用智能手機應用程序進行遠程監控并采取措施。
            
            高功率密度需要創造力
            
            金融、研究、學術界、托管和石化等運營和行業需要高密度計算來支持諸如面部識別、高級數據分析、人工智能和機器學習等應用。這需要采用機架和芯片級別的冷卻技術。
            
            這些高性能計算部署涉及部署30kW至60kW的機架,這些機架可以容納超高性能的高功率服務器。這樣的機架通常放置在大型云計算設施和主機托管設施內的吊艙環境中,并通過冷凍水、泵送制冷劑或蒸發技術進行整體冷卻。采用的風冷技術包括安全殼、行內冷卻或后門熱交換器模塊,這些模塊可以使用輔助風扇通過盤管吸入空氣。
            
            有些數據中心不太可能需要機架或芯片級冷卻。但是在這些環境中,采用液體冷卻技術可能是適當的,但需要對數據中心設施進行改造,并對周邊設備進行調整。即使這樣,液體冷卻也只能將總熱負荷降低約50%。這意味著將需要其他冷卻源,例如采用后門冷卻系統提供全面的冷卻。
            
            用于高功率密度冷卻的流體可以是冷水,這對于采用這種冷卻技術的數據中心設施來說是一個考慮因素。但是其體冷卻液體也可以是介質液體(在發生泄漏時不會使設備短路)或制冷劑,這樣每個機架的環境溫度可能會保持一致。
            
            邊緣計算的應用
            
            隨著減少延遲和讓數據更接近用戶的需要,圍繞著高質量視頻內容、物聯網應用、電子商務以及即將到來的5G技術等因素,邊緣計算的應用繼續增長。邊緣計算是企業對企業,以及企業對消費者數據中心應用程序的收入驅動力。因此,規模較小的數據中心和機房都變得越來越重要。對于當今的邊緣環境,現有的機房空調已不再是一種很好的選擇。
            
            這并不是說制冷選項不能適用于建筑物管理系統(BMS)。通過物聯網智能設備應用程序進行遠程監控和管理,采用冷卻技術將會更加理想。
            
            還有多種專用冷卻系統,具體取決于需求和站點限制。這些包括壁掛式系統或安裝在吊頂上方的其他系統。邊緣計算冷卻選項包括機架式冷卻,并向天花板通風室散熱,這節省了寶貴的占地空間,以便在空間充足時允許擴展服務器。
            
            一些邊緣應用程序提供了使用智能獨立的模塊化數據中心的能力。這些交鑰匙解決方案消除了構建數據中心空間的需求,可以提供多個機架、集成冷卻、不間斷電源(UPS)、配電設備、消防、監控以及通風等設備。
            
            未來無論采用何種冷卻措施都是高效
            
            隨著數據中心需求的持續增長,需要各種冷卻選項來滿足不同IT環境的需求。對泵送制冷劑冷卻的需求仍在增長,再次為水冷技術的應用打開了大門。隨著開發新的制冷劑和冷卻技術以解決數據中心冷卻問題,這種情況可能會改變。
            
            邊緣計算的應用將會繼續增長,以滿足消費者和企業的需求和期望。隨著5G的推出和智慧城市等應用日益成為現實,必須開發可靠的IT基礎設施,并且必須采用可靠高效的散熱措施。
            
            如今,數據中心運營商與冷卻技術專家開展合作變得更加重要。而保持頭腦冷靜和數據中心冷卻是企業業務成功發展的關鍵。