Δεδομένου ότι τα κέντρα δεδομένων διαθέτουν πυκνά συσκευασμένο εξοπλισμό και βρίσκονται σε συνεχή λειτουργία, παράγουν πολλή θερμότητα (κάθε διακομιστής μπορεί να έχει δύναμη αρκετών κιλοβάτ σε δεκάδες κιλοβάτ). Εάν η θερμότητα δεν μπορεί να διαλυθεί εγκαίρως, θα οδηγήσει σε υπερθέρμανση εξοπλισμού, υποβάθμιση της απόδοσης και ακόμη και αποτυχία. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός του συστήματος ψύξης επηρεάζει άμεσα την ενεργειακή απόδοση, την αξιοπιστία και το λειτουργικό κόστος του κέντρου δεδομένων. Τα παρακάτω είναι μια λεπτομερής εισαγωγή από τις πτυχές της σύνθεσης του συστήματος, των μεθόδων ψύξης, των βασικών τεχνολογιών και των τάσεων ανάπτυξης.
1. Στοιχεία CONTS του συστήματος ψύξης του Κέντρου Δεδομένων
Το σύστημα ψύξης του κέντρου δεδομένων αποτελείται συνήθως από τα ακόλουθα μέρη, τα οποία συνεργάζονται για την επίτευξη αποτελεσματικής μεταφοράς και εκφόρτισης θερμότητας:
● Εξοπλισμός πλευρικής πηγής θερμότητας
Τα εξαρτήματα δημιουργίας θερμότητας, όπως διακομιστές, συσκευές αποθήκευσης, εξοπλισμός τροφοδοσίας (όπως UPS) κ.λπ., αρχικά ψύχονται από ανεμιστήρες ή παθητικές ψύκτες.
● Μέσα μεταφοράς θερμότητας
AIR: Το μέσο του παραδοσιακού συστήματος ψύξης αέρα, η χαμηλού κόστους αλλά η χαμηλή απόδοση αγωγιμότητας θερμότητας (η θερμική αγωγιμότητα του αέρα είναι περίπου 0 026 W\/m ・ K).
Υγρό: Το μέσο του συστήματος ψύξης υγρού, όπως το νερό ή τα ψυκτικά, όπως το ορυκτέλαιο και το φθοριωμένο υγρό, έχει σημαντικά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τον αέρα (η θερμική αγωγιμότητα του νερού είναι περίπου {0}}.
● Εξοπλισμός ψύξης και διάχυσης θερμότητας
Κλιματισμός ακριβείας (CRAC\/CRAH): Παρέχει κρύο αέρα σταθερής θερμοκρασίας και υγρασίας για τον έλεγχο του περιβάλλοντος του κέντρου δεδομένων (τυπική θερμοκρασία 20-24 βαθμός, υγρασία 40%-60%).
Ψύκτη: Αφαιρεί τη θερμότητα μέσω της κυκλοφορίας του νερού, που χρησιμοποιείται συνήθως σε μεγάλα κέντρα δεδομένων ή σε συστήματα ψύξης υγρών.
Πύργος ψύξης\/ξηρό ψύκτη: Η εκφόρτιση θερμαίνεται στην υπαίθρια ατμόσφαιρα, χωρισμένη σε ψύξη νερού (απαιτεί νερό) και ξηρή ψύξη (ψύξη αέρα, εξοικονόμηση νερού αλλά λιγότερο αποτελεσματική).
Εναλλάκτης θερμότητας: όπως ο εναλλάκτης θερμότητας πλάκας και ο εναλλάκτης θερμότητας θερμότητας, που χρησιμοποιείται για την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ διαφορετικών μέσων.
● εξαρτήματα διαχείρισης ροής αέρα\/υγρού
Αγωγοί και αγωγοί: καθοδηγήστε τη ροή αέρα για να επιτευχθεί κρύα και ζεστή απομόνωση.
Υγρός αγωγός ψύξης: συμπεριλαμβανομένων των αντλιών, των βαλβίδων, των μετρητών ροής κ.λπ. για να εξασφαλιστεί η κυκλοφορία του ψυκτικού.
Στοιχεία σε επίπεδο ντουλαπιού: όπως ανεμιστήρες backplane, κρύες πλάκες και συσκευές ψεκασμού (ψύξη υγρού εμβάπτισης).
● Σύστημα ελέγχου
Οι αισθητήρες (θερμοκρασία, υγρασία, πίεση) και ευφυείς ελεγκτές ρυθμίζουν δυναμικά τη λειτουργία του εξοπλισμού ψύξης για τη βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης.
2. Ταξινόμηση των μεθόδων ψύξης του κέντρου δεδομένων
Με βάση το μέσο μεταφοράς θερμότητας και την τεχνική διαδρομή, οι μέθοδοι ψύξης μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: ψύξη αέρα, ψύξη υγρών και φυσική ψύξη. Κάθε μέθοδος έχει διαφορετικά εφαρμοστέα σενάρια και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
● Ψύξη αέρα (ψύξη αέρα)
Αρχή: Η θερμότητα του εξοπλισμού απομακρύνεται από τη ροή αέρα και ο ζεστός αέρας ψύχεται από το σύστημα κλιματισμού και στη συνέχεια ανακυκλώνεται ή απελευθερώνεται προς τα έξω.
Τυπικές τεχνολογίες:
Ψύξη αέρα σε επίπεδο υπολογιστή:
Ο κλιματισμός ακριβείας προμηθεύει άμεσα αέρα στην αίθουσα υπολογιστών και ο ζεστός αέρας επιστρέφει μέσω της οροφής ή κάτω από το πάτωμα. Το κόστος είναι χαμηλό, αλλά η ενεργειακή απόδοση είναι μέση (το Pue είναι υψηλό, περίπου 1. 5-2. 0).
Μέτρα βελτίωσης: Απομόνωση καυτών και ψυχρών καναλιών (περικλείουν καυτά κανάλια ή κρύα κανάλια για να αποφευχθεί η ανάμειξη ροής αέρα), η παροχή ενδοδαπότυπου αέρα (χρησιμοποιώντας ανυψωμένους ορόφους για τη μεταφορά κρύου αέρα, κοινό στα παραδοσιακά κέντρα δεδομένων).
Ψύξη αέρα σε επίπεδο ντουλαπιού:
Το ντουλάπι διαθέτει ενσωματωμένους ανεμιστήρες ή ανεμιστήρες backplane για να ενισχύσει τη διάχυση της θερμότητας ενός μόνο ντουλαπιού (κατάλληλο για ντουλάπια μεσαίας πυκνότητας, δύναμη μικρότερη ή ίση με 15 kW).
Σε συνδυασμό με τον κλιματισμό μεταξύ των γραμμών (ο κλιματισμός αναπτύσσεται μεταξύ των σειρών του ντουλαπιού για να μειωθεί η διαδρομή ροής του αέρα και να βελτιωθεί η απόδοση).
Πλεονεκτήματα: ώριμη τεχνολογία, χαμηλό κόστος ανάπτυξης, εύκολη συντήρηση.
Μειονεκτήματα: Χαμηλή θερμική χωρητικότητα αέρα, ανεπαρκής απόδοση σε σενάρια πυκνότητας υψηλής ισχύος (αναβάθμιση σε υγρή ψύξη όταν ισχύει μονής καμπύλης> 20 kW).
● Ψύξη υγρού (ψύξη υγρού)
Αρχή: Χρησιμοποιήστε το υγρό μέσο για άμεσα ή έμμεσα επικοινωνήστε με τα εξαρτήματα δημιουργίας θερμότητας, αφαιρέστε τη θερμότητα μέσω της κυκλοφορίας και στη συνέχεια μεταφέρετε τη θερμότητα στο υπαίθριο σύστημα ψύξης μέσω του εναλλάκτη θερμότητας.
Ταξινόμηση και τεχνολογία:
Έμμεση ψύξη υγρού (τύπος κρύου πλάκας):
Τα συστατικά που παράγουν θερμότητα (όπως η CPU, η GPU) επικοινωνούν μέσω της μεταλλικής ψυχρής πλάκας και το ψυκτικό (νερό ή μη παραγωγικό υγρό) ρέει στην κρύα πλάκα για να απορροφήσει τη θερμότητα χωρίς να επικοινωνήσει άμεσα με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Πλεονεκτήματα: Η υψηλή ασφάλεια (μη παραγωγικό υγρό είναι προαιρετικό), συμβατό με την υπάρχουσα αρχιτεκτονική διακομιστή και χαμηλή δυσκολία στον μετασχηματισμό.
Εφαρμογή: σενάρια υπολογιστών υψηλής πυκνότητας (όπως οι διακομιστές AI, συστάδες HPC), η ισχύς ενός ενιαίου ντουλαπιού μπορεί να φτάσει 20-50 kw.
Άμεση ψύξη υγρού (εμβάπτιση):
Το υλικό του διακομιστή είναι εντελώς βυθισμένο σε μη αγώγιμο φθοριωμένο υγρό ή ορυκτέλαιο. Το υγρό απορροφά τη θερμότητα και εξατμίζεται και η υγρασία του ατμού και ρέει πίσω μέσω του συμπυκνωτή (ψύξη αλλαγής φάσης, υψηλότερη απόδοση).
Πλεονεκτήματα: Εξαιρετικά υψηλή απόδοση διάχυσης θερμότητας (η ισχύς του μονού ντουλαπιού μπορεί να φτάσει σε περισσότερα από 100 kW), χωρίς ανεμιστήρα, χαμηλό θόρυβο, Pue μπορεί να είναι τόσο χαμηλό όσο 1,05 ή λιγότερο.
Εφαρμογές: Υπολογισμός εξαιρετικά υψηλής απόδοσης, εκμεταλλεύσεις εξόρυξης blockchain, μεγάλης κλίμακας συστάδες εκπαίδευσης AI.
Ψεκασμό υγρού ψύξης:
Το ψυκτικό ψεκασμό ψεκάζεται στην επιφάνεια του στοιχείου θέρμανσης μέσω ενός ακροφυσίου, σε συνδυασμό με την εξάτμιση για να απορροφήσει τη θερμότητα, η οποία βρίσκεται μεταξύ του τύπου ψυχρής πλάκας και του τύπου εμβάπτισης.
Πλεονεκτήματα: Η υψηλή απόδοση της διάχυσης της θερμότητας, η σημαντικά μειωμένη Pue και η υποστήριξη της πυκνότητας της εξαιρετικά υψηλής ισχύος.
Μειονεκτήματα: Απαιτείται υψηλή αρχική επένδυση (απαιτείται τροποποίηση του υπουργικού συμβουλίου και του αγωγού), η υψηλή πολυπλοκότητα συντήρησης και η απαιτούμενη επαγγελματική διαχείριση ψυκτικού μέσου.
● Φυσική ψύξη (δωρεάν ψύξη)
Αρχή: Χρησιμοποιήστε εξωτερικές φυσικές πηγές ψυχρής (όπως αέρα χαμηλής θερμοκρασίας, υπόγεια ύδατα, πύργους ψύξης) για να αντικαταστήσετε τη μηχανική ψύξη για να μειώσετε την κατανάλωση ενέργειας.
Τυπικές τεχνολογίες:
Φυσική ψύξη του αέρα:
Ψύξη φρέσκου αέρα: Εισαγωγή αέρα χαμηλής θερμοκρασίας εισάγεται απευθείας στο κέντρο δεδομένων μετά τη διήθηση (η υγρασία και η σκόνη πρέπει να ελέγχονται αυστηρά) και ο ζεστός αέρας εκφορτώνεται σε εξωτερικούς χώρους.
Εναλλάκτης θερμότητας\/θερμότητας: Η εσωτερική θερμότητα μεταφέρεται προς τα έξω μέσω σωλήνων θερμότητας ή εναλλάκτη θερμότητας πλάκας για να αποφευχθεί η άμεση ανάμιξη αέρα (κατάλληλη για περιοχές με υψηλή υγρασία).
Φυσική ψύξη του νερού:
Χρησιμοποιήστε πύργους ψύξης ή ξηρά ψύκτες για να χρησιμοποιήσετε άμεσα ψύκτες για να παρέχετε νερό ψύξης χαμηλής θερμοκρασίας όταν η εξωτερική θερμοκρασία είναι χαμηλή, μειώνοντας τον χρόνο λειτουργίας του συμπιεστή.
Σε συνδυασμό με ένα σύστημα κυκλοφορίας κλειστού νερού, η ρύπανση των υδάτων εμποδίζεται να επηρεάσει τη διάχυση της θερμότητας.
Πηγή πηγής εδάφους\/ψύξη πηγής νερού:
Χρησιμοποιήστε τα υπόγεια ύδατα, το νερό της λίμνης ή τους εναλλάκτες θερμότητας του εδάφους για να εξαγάγετε φυσικές πηγές κρύου μέσω συστημάτων αντλίας θερμότητας, τα οποία είναι φιλικά προς το περιβάλλον αλλά περιορίζονται από τη γεωγραφική θέση.
Πλεονεκτήματα: Μειώστε σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας ψύξης, το Pue μπορεί να είναι τόσο χαμηλές όσο 1,1 ή κάτω, πράσινο και εξοικονόμηση ενέργειας.
Μειονεκτήματα: Εξαρτάται από τις υπαίθριες συνθήκες του κλίματος (προφανή πλεονεκτήματα σε κρύες περιοχές) και απαιτεί πρόσθετο εξοπλισμό ανταλλαγής θερμότητας.
3. Τεχνολογίες και καινοτομίες κλειδιών ψύξης
Εκτός από τις παραπάνω βασικές μεθόδους, η τεχνολογία ψύξης του κέντρου δεδομένων αναπτύσσεται προς την υψηλή απόδοση, τη νοημοσύνη και τη χαμηλή ανθρακωμένη. Τα παρακάτω είναι οι τρέχουσες τεχνολογίες mainstream και αιχμής:
● Τεχνολογία ψύξης υψηλής απόδοσης
Ψύκτη μαγνητικού αφαίρεσης: Χρησιμοποιώντας συμπιεστή μαγνητικού αφαίρεσης, δεν υπάρχει απώλεια λαδιού λίπανσης, ο λόγος ενεργειακής απόδοσης (COP) μπορεί να φτάσει πάνω από 10, η οποία είναι πάνω από 30% εξοικονόμηση ενέργειας από τα παραδοσιακά φυγοκεντρικά ψύκτες.
Εξατμιστική ψύξη: Η μείωση της θερμοκρασίας του αέρα απορροφώντας τη θερμότητα μέσω της εξάτμισης του νερού (όπως ο υγραντήρας υγρού φιλμ + ανεμιστήρας), κατάλληλη για ξηρές περιοχές, μπορεί να μειώσει σημαντικά τη ζήτηση για μηχανική ψύξη.
Ψύξη ροής δύο φάσεων: Χρησιμοποιώντας αλλαγή υγρής φάσης (συμπύκνωση εξάτμισης) για αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας, όπως σωλήνα θερμότητας βρόχου (LHP) και σωλήνα θερμότητας (PHP), για διάχυση θερμότητας σε επίπεδο τσιπ.
● Βελτιστοποίηση νοημοσύνης και ενεργειακής απόδοσης
AI και μηχανική μάθηση:
Αναλύστε τα ιστορικά δεδομένα μέσω αλγορίθμων AI, προβλέπουν αλλαγές φορτίου, προσαρμόστε δυναμικά τις παραμέτρους λειτουργίας των κλιματιστικών, των ανεμιστήρων, των αντλιών νερού και άλλου εξοπλισμού και την επίτευξη βελτιστοποίησης της ενεργειακής απόδοσης (όπως η τεχνολογία DeepMind της Google μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας ψύξης κατά 40%).
Παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο των καυτών σημείων, αυτόματη ρύθμιση της ροής αέρα ή κατανομής ροής υγρού για την αποφυγή τοπικής υπερθέρμανσης.
Digital Twin: Δημιουργήστε ένα εικονικό μοντέλο του κέντρου δεδομένων, προσομοιώστε τις επιδράσεις διαφορετικών λύσεων ψύξης και βελτιστοποιήστε τις στρατηγικές διάταξης και λειτουργίας και συντήρησης.
● Ανάκτηση θερμότητας και ουδετερότητα άνθρακα
Επαναχρησιμοποίηση θερμότητας αποβλήτων: Ανακυκλώστε τη θερμότητα που απορρίπτεται από το σύστημα ψύξης για θέρμανση, ζεστό νερό ή βιομηχανικές διεργασίες (όπως το Κέντρο Δεκαετών Δεδομένων σε συνδυασμό με το περιφερειακό σύστημα θέρμανσης) για τη βελτίωση της συνολικής χρήσης ενέργειας.
Green Energy Synergy: Συνδυάστε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως τα φωτοβολταϊκά και την αιολική ενέργεια για να τροφοδοτήσετε το σύστημα ψύξης και να μειώσετε τις εκπομπές άνθρακα. Ορισμένα κέντρα δεδομένων χρησιμοποιούν κύτταρα καυσίμου, των οποίων η απόβλητη θερμότητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για τη θέρμανση ή την παραγωγή ενέργειας.
Φυσικά ψυκτικά ψυκτικά υγρά: Χρησιμοποιήστε ψυκτικά ψυκτικά ψυκτικά χαμηλά GWP (δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη) όπως η αμμωνία (NH3) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) για να αντικαταστήσουν τους παραδοσιακούς Freon, σύμφωνα με τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς (όπως οι κανονισμοί της EU F-GAS).
● Διάδοση της τεχνολογίας ψύξης υγρού βύθισης
Με την έκρηξη του AI και των υπολογιστών υψηλής απόδοσης, οι διακομιστές υψηλής πυκνότητας (όπως οι συστάδες GPU) προώθησαν την ψύξη υγρού εμβάπτισης για να γίνει ένα καυτό σημείο:
Χαρακτηριστικά του φθοριωμένου υγρού: μόνωση, χαμηλό σημείο βρασμού (περίπου 50-60 βαθμός), κατάλληλο για ψύξη αλλαγής φάσης, δεν χρειάζεται να τροποποιήσετε το υλικό του διακομιστή.
Τάση μείωσης του κόστους: Με μεγάλη εφαρμογή, η τιμή του φθοριωμένου υγρού μειώθηκε σταδιακά και μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί (διάρκεια ζωής άνω των 10 ετών) και τα μακροπρόθεσμα πλεονεκτήματα του κόστους είναι εμφανή.
4. Επιλογή και σενάρια εφαρμογής τεχνολογίας ψύξης
Η επιλογή των λύσεων ψύξης για τα κέντρα δεδομένων πρέπει να εξετάσει διεξοδικά την πυκνότητα ισχύος, τη γεωγραφική θέση, τους στόχους του προϋπολογισμού και της ενεργειακής απόδοσης:
| Σενάριο | Συνιστώμενη μέθοδος ψύξης | Τυπικό pue | Ισχύς ενός ντουλαπιού |
| Πυκνότητα χαμηλής ισχύος (<5 kW) | ΑΕΡΟΛΟΓΙΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΙΚΟΥ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ + Απομόνωση κρύου και καυτού καναλιού | 1.5-1.8 | Λιγότερο από ή ίσο με 5 kW |
| Μεσαία πυκνότητα ισχύος (5-20 kW) | Ψύξη αέρα σε επίπεδο ντουλαπιού + κλιματισμός σειρές σε σειρά | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| Υψηλή πυκνότητα ισχύος (20-50 kW) | Ψύξη υγρού πλάκας κρύου πλάκας + φυσική ψύξη | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Βυθισμένη υγρή ψύξη + ανάκτηση θερμότητας απορριμμάτων | 1.05-1.1 | 50-100 kw+ |
| Κρύες περιοχές | Φυσική ψύξη (πλευρά αέρα\/νερό) + βοηθητική ψύξη | 1.08-1.2 | Εύκαμπτος |
| Ξηρές περιοχές | Εξατμιστική ψύξη + φυσική ψύξη | 1.1-1.3 | Εύκαμπτος |
5. Μελλοντικές τάσεις ανάπτυξης
●Κέντρα δεδομένων χαμηλής άνθρακα και μηδενικού άνθρακα:Οδηγούμενη από πολιτικές (όπως οι στόχοι "διπλού άνθρακα" της Κίνας), η φυσική ψύξη, η ανάκτηση των αποβλήτων και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θα γίνουν mainstream και ο στόχος Pue θα κινηθεί προς 1. 0.
● Κλιμάκωση της τεχνολογίας ψύξης υγρού:Η ζήτηση υψηλής πυκνότητας AI και Edge Computing, η ψύξη υγρού εμβάπτισης διεισδύει από σενάρια υψηλής ποιότητας σε γενικά κέντρα δεδομένων και τα πρότυπα της βιομηχανίας (όπως οι προδιαγραφές ψύξης υγρών OCP) είναι σταδιακά ενοποιημένα.
● Διάρκεια θερμότητας ακριβείας σε επίπεδο τσιπ:Η ψύξη μικροκαναλίων, η ψύξη ψεκασμού και άλλες τεχνολογίες δρουν άμεσα στο τσιπ για να μειώσουν την απώλεια διαδρομής μεταφοράς θερμότητας.
● Πλήρης αλυσίδα Intelligence:Από την παρακολούθηση του εξοπλισμού στην παγκόσμια βελτιστοποίηση, το AI και το Διαδίκτυο των πραγμάτων (IoT) είναι βαθιά ενσωματωμένα για να επιτευχθούν "προγνωστική συντήρηση" και προσαρμοστική ψύξη.
●Modularization και Prefabrication:Τα προκατασκευασμένα ντουλάπια ψύξης υγρών και τα κέντρα δεδομένων τύπου εμπορευματοκιβωτίων επιταχύνονται για να αναπτύξουν, να μειώσουν τον κύκλο κατασκευής και να μειώσουν το κόστος λειτουργίας και συντήρησης
Το σύστημα ψύξης του κέντρου δεδομένων είναι ένας βασικός σύνδεσμος για την εξισορρόπηση της απόδοσης, του κόστους και της ενεργειακής απόδοσης. Η επιλογή της τεχνολογίας πρέπει να προσαρμοστεί στις τοπικές συνθήκες και τις ανάγκες. Με την έκρηξη της υπολογιστικής ζήτησης ισχύος και την πρόοδο του πράσινου μετασχηματισμού, η αποτελεσματική υγρή ψύξη, η φυσική ψύξη και η έξυπνη διαχείριση θα γίνουν η βασική κατεύθυνση της μελλοντικής ανάπτυξης, οδηγώντας την εξέλιξη των κέντρων δεδομένων προς «χαμηλή άνθρακα, αποτελεσματική και βιώσιμη».