中國儲能網訊：本文介紹數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)換熱方式，以及當前常用的三種液冷方式，并描述了三種液冷的組成形式，比較三種液冷方式各自的優(yōu)缺點，并分別從節(jié)能、噪聲、占地、布置方式、環(huán)境需求、服務器可靠性、維護支出和客戶接受程度等方面進行有針對性的介紹，為今后液冷技術在特定場景下的應用提供參考依據(jù)。
關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；液冷；冷板；噴淋；浸沒
１ 液冷系統(tǒng)的介紹
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的散熱方式為風冷，即使用空氣作為冷媒，對服務器的發(fā)熱部件進行換熱，帶走熱量的技術。而IDC液冷系統(tǒng)是指使用液體取代空氣作為冷媒，為發(fā)熱部件進行換熱，帶走熱量的技術。采用液冷方式時必須要使用液冷服務器。該服務器是指將液體注入服務器，通過冷熱交換帶走服務器的散熱的一種服務器。
液冷系統(tǒng)的組成主要包含一次側換熱部分和二次側換熱部分，一次側是指從服務器帶走熱量并二次側進行環(huán)路介質進行散熱的環(huán)路，二次側是指將一次側的熱量排至室外環(huán)境或其他熱回收單元的環(huán)路。
２ 液冷方式的主要形式
液冷形式主要分為噴淋式、冷板式和浸沒式，三種的主要區(qū)別體現(xiàn)在對服務器的散熱方式不同。噴淋式液冷是將冷卻液通過噴淋的方式淋在服務器的散熱元件上帶走服務器產生的熱量；冷板式液冷是在服務器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱，其他少量發(fā)熱器件（如硬盤、接口卡等） 仍采用風冷散熱系統(tǒng)；浸沒式液冷是指將服務器的發(fā)熱元器件完全浸沒在冷卻液中，通過冷卻液的對流或相變將服務器的熱量帶走的散熱系統(tǒng)。其次，噴淋式浸沒式的服務器沒有風扇，而冷板式服務器存在風扇。具體介紹如下：
2.1 噴淋式液冷系統(tǒng)
噴淋式直接液冷是面向電子設備器件精準噴淋、直接接觸式的液冷技術，冷卻液可通過重力或系統(tǒng)壓力直接噴淋至IT設備的發(fā)熱器件或與之相連接的固體導熱材料上，并與之進行熱交換實現(xiàn)對IT設備的熱管理。在熱交換的工作過程中，IT設備內冷卻液的自由液面低于被冷卻的發(fā)熱器件或與之連接的固體導熱材料，系統(tǒng)可通過IT設備外部的換熱單元對冷卻液換熱，滿足循環(huán)使用要求。
2.2 冷板式液冷系統(tǒng)
冷板式液冷機柜的基本工作原理描述如下：采用冷板組件與高熱流密度元件接觸，發(fā)熱量經由冷板組件中的冷卻介質導出，再經由一個或多個冷卻回路熱交換傳遞，最終將設備熱量散發(fā)到外環(huán)境或進行回收利用的一種液冷實現(xiàn)方式。
2.3 浸沒式液冷系統(tǒng)
浸沒式液冷機柜的基本工作原理描述如下：通過把電子信息設備浸沒在冷卻液中，由冷卻液帶走熱量的一種散熱形式。根據(jù)冷卻液散熱過程中的形態(tài)不同，分為相變與與單相液冷。
３ 液冷方式特點
3.1 充分利用自然冷源，節(jié)能效果明顯
液冷機柜可以充分利用室外的冷源。液冷機柜除冷板液冷之外，一般噴淋和浸沒式液冷的服務器側進出冷卻液的溫度在40℃～45℃左右，而室外側的環(huán)境溫度一般都能夠滿足對冷卻液的散熱要求，噴淋和浸沒液冷均能全部采用室外冷源進行服務器的散熱，總體PUE效果提升明顯，并且可以充分利用自然冷源，節(jié)能效果極其明顯。
三種液冷方式的PUE均能達到1.2以下，尤其是噴淋式和浸沒式液冷系統(tǒng)節(jié)能效果更加明顯，相對于風冷而言約節(jié)約20%的空調電能，再加上因取消服務器內部風機，IT部分電能可節(jié)省13％～25％，總體的節(jié)能效果在40％以上。
對當前的碳排放而言，浸沒式和噴淋式液冷其輸出的水側溫度比較高，具有廢熱回收利用價值，如結合部分余熱利用，節(jié)能效果會有顯著提升的空間之外，也能降低整體數(shù)據(jù)中心的碳排放強度。
3.2 機房可實現(xiàn)低噪聲
機房的噪聲主要來自服務器的風扇，根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)定，有人值守的主機房和輔助區(qū)，在電子信息設備停機時，位于主操作員 位 置 測 量 的 噪 聲 值 應 小 于65dB（A）。隨著大型數(shù)據(jù)中心的不斷出現(xiàn)，主機房包含上百臺網絡設備規(guī)模的數(shù)據(jù)中心現(xiàn)象變得普遍。當這些設備同時工作時，大部分的噪聲接近或超過65dB，該數(shù)值均在設備正常運行和負載50％～60％ 的情況下測試出的噪聲值，如果全速工作，風扇可調速，則噪聲值只能更高。當環(huán)境噪聲超過80dB 時，人員已經無法在該環(huán)境里長時間工作，歐美的法律也規(guī)定，如果工作場所的噪聲達到80dB～85dB時，須提供相應的職業(yè)保護。
而采用噴淋和浸沒形式的液冷，服務器內部的風扇均不存在，直接去除主要噪聲源，因此噪聲值可以降到低于30dB以下，即使采用冷板式液冷，一般風扇在較低的轉速下工作，噪聲較之于常規(guī)風冷形式更低，噪聲值也有極大改善。
另外由于液冷系統(tǒng)的自身特點，減少了常規(guī)冷源部分（如冷水機組、空調室外機等），也能很大程度上降低對環(huán)境的噪聲影響，對于數(shù)據(jù)中心的布置及周圍環(huán)境而言，相對容易且友好。
3.3 占地面積小
由于液冷系統(tǒng)結構簡單，且可以充分利用自然冷源，減少了常規(guī)數(shù)據(jù)中心的冷源及附屬設備及管道等布局，系統(tǒng)簡單，占地面積小，加上一般液冷機柜可以達到高功率密度，能實現(xiàn)10～50kW功率，較之于常規(guī)可節(jié)省較大面積。
3.4 系統(tǒng)布置改造靈活
由于液冷系統(tǒng)的占地面積小，系統(tǒng)簡便，可利用自然冷源的優(yōu)點，加上可以做到高功率密度，對于改造或者改擴建的數(shù)據(jù)中心而言，便利性可以大大提高。
3.5 機房環(huán)境需求低
對于浸沒式及冷板式液冷系統(tǒng)機房，無機房正壓要求，另外對于機房的整潔度無額外要求，對于機房的裝修如墻面、地板等要求較低。而且，由于機房的環(huán)境主要是滿足人員維護的需求。減少精密空調的數(shù)量及空調間的布置，可采用常規(guī)風冷末端，機房的總體冷源的可靠性需求有所降低。
3.6 服務器可靠性提高，壽命延長
3.6.1 芯片工作溫度低，降低能耗
由于液體能效轉換效率遠遠超過空氣，且液冷系統(tǒng)可直接對服務器的芯片等關鍵部件實現(xiàn)散熱，散熱精準高效，因此服務器的關鍵部件的運行溫度明顯低于常規(guī)風冷散熱溫度，且溫度恒定，其系統(tǒng)可持續(xù)高負載運行，效能翻倍；又由于噴淋式液冷和浸沒式液冷移除了服務器系統(tǒng)風扇，可以直接降低服務器的能耗，約降低15％～25％，而冷板式則約降低5％～10％。
3.6.2 服務器壽命提高
服務器的壽命提高主要體現(xiàn)在兩個方面：
①由于芯片工作主要是在較低溫度且溫度恒定下，當減少風機工作時的震動（噴淋式和浸沒式液冷），可以顯著提高芯片的壽命；
②噴淋和浸沒液冷機房由于服務器浸沒在冷卻液內，服務器不需要與室內的空氣進行接觸，避免了空氣中的灰塵等顆粒物在服務器內的累計而導致設備故障。另外也直接減少了環(huán)境中的水分及塵埃等對于服務器的腐蝕，提高了設備的可靠性，延長了設備的使用壽命。
3.7 設備維護支出低
相對于噴淋式和浸沒式液冷，冷板式液冷系統(tǒng)運行維護成本高昂，甚至超過風冷系統(tǒng)，主要是其使用的純凈水設備運行維護支出比較高，且隨著使用年限的增長成本幾乎翻倍。
噴淋式和浸沒式液冷系統(tǒng)的結構簡單，設備的部件數(shù)量少，如省去了制冷主機、風冷空調的設備數(shù)量，設備的故障發(fā)生概率會減少。從設備的全生命周期而言，一方面減少了設備的備件，另一方面也能減少后期的維護部分的人力支出。
冷板式相對于風冷系統(tǒng)是額外增加一套液冷管道，系統(tǒng)較復雜。但部分浸沒式液冷系統(tǒng)的冷卻液使用氟化液相變方式，在維護時，需要整體停機維護，存在維護的難度，且液冷冷卻液的填充量最大。
從三種形式來看，噴淋式液冷系統(tǒng)除具備系統(tǒng)簡單之外，能做到在線維護，在三者中維護成本為最低，總體在后期設備全生命周期管理中，總體的維護費用支出最簡單，是三者中最好的一種方式。
3.8 設備前期投資較大
由于液冷設備還處于起步階段，當前液冷形式相對于傳統(tǒng)風冷機房而言體量極小，加之部分關鍵材料如冷卻液等暫時受部分公司的壟斷，相對于常規(guī)機房而言，設備前期投資較大，并且由于部分設備需要定制，如服務器等，當所需數(shù)量較小的情況下，成本更高，一般前期投資為傳統(tǒng)機房的3倍以上。當單柜管理設備密度在20kW以上且超過500個柜子以上的情況下，成本會有較大的降低。
3.9 客戶接受度需提高
液冷機柜屬于一種較新型的方式，目前，客戶的接受度不如常規(guī)風冷機柜的接受度；由于當前液冷機房的投資與機柜的功率密度關系較大，但參照當前的社會成型案例，一般液冷機柜功率在10～20kW以上，難以達到客戶的接受程度，當前基本為自有用戶的使用或改造，相信后期隨著液冷機柜的推廣，客戶的接受程度會有所提升。
４ 結論
綜上所述，噴淋式液冷的優(yōu)點相對于其他兩種液冷方式，主要體現(xiàn)在機房承重低、冷卻液充注量少、系統(tǒng)簡單和機房噪聲低等。結合當前數(shù)據(jù)規(guī)模化的特點，在機房改造、企業(yè)自用機房的升級、通信行業(yè)BBU小型機組等應用方面存在較大的利用空間，并在利用自然能源方面存在巨大的節(jié)能潛力，是一種值得推薦的新型數(shù)據(jù)中心散熱方式。
