Koska tietokeskuksissa on tiheästi pakattuja laitteita ja ne ovat jatkuvassa käytössä, ne tuottavat paljon lämpöä (jokaisella palvelimella voi olla useita kilowatteja kymmeniin kilowatteihin). Jos lämpöä ei voida hajottaa ajoissa, se johtaa laitteiden ylikuumenemiseen, suorituskyvyn heikkenemiseen ja jopa epäonnistumiseen. Siksi jäähdytysjärjestelmän suunnittelu vaikuttaa suoraan tietokeskuksen energiatehokkuuteen, luotettavuuteen ja käyttökustannuksiin. Seuraava on yksityiskohtainen johdanto järjestelmän koostumuksen, jäähdytysmenetelmien, avaintekniikoiden ja kehityssuuntausten näkökohdista.
1. Komponentit datakeskuksen jäähdytysjärjestelmästä
Tietokeskuksen jäähdytysjärjestelmä koostuu yleensä seuraavista osista, jotka toimivat yhdessä tehokkaan lämmönsiirron ja purkautumisen saavuttamiseksi:
● Lämmön lähteen sivulaitteet
Lämmön tuottavia komponentteja, kuten palvelimia, säilytyslaitteita, virtalähdelaitteita (kuten UPS) jne.
● Lämmönsiirtoväliaine
Ilma: Perinteisen ilmanjäähdytysjärjestelmän väliaine, edullinen, mutta alhainen lämmönjohtavuustehokkuus (ilman lämmönjohtavuus on noin 0. 026 W/M ・ K).
Neste: Nestemäisen jäähdytysjärjestelmän, kuten vesi- tai jäähdytysnesteen, kuten mineraaliöljyn ja fluorattu nesteen, väliaine on huomattavasti suurempi lämmönjohtavuus kuin ilman (veden lämmönjohtavuus on noin {{0}}. 6 W/m ・ K, fluoratun nesteen on noin 0,05 W/m ・ K, mutta vaporisaation piilevä lämpö on korkea).
● Jäähdytys- ja lämmönpoistolaitteet
Tarkkuusilmastointi (CRAC/CRAH): Tarjoaa vakio lämpötilaa ja kosteutta kylmää ilmaa datakeskuksen ympäristön hallitsemiseksi (tyypillinen lämpötila 20-24 aste, kosteus 40%-60%).
Jäähdytys: Poistaa lämmön vedenkierron läpi, jota käytetään yleisesti suurissa tietokeskuksissa tai nestemäisissä jäähdytysjärjestelmissä.
Jäähdytystorni/Kuivajäähdytin: purkautuu lämmön ulkotilaan, jaettuna vesijäähdytykseen (vaatii vettä) ja kuivajäähdytykseen (ilmanjäähdytys, vettä säästävä mutta vähemmän tehokas).
Lämmönvaihdin: kuten levyn lämmönvaihdin ja lämpöputken lämmönvaihdin, jota käytetään lämmönvaihtoon eri väliaineiden välillä.
● Ilmavirta-/nesteen virtauksen hallintakomponentit
Kanavat ja kanavat: Ohjaa ilmavirta kylmän ja kuuman eristyksen saavuttamiseksi.
Nestemäinen jäähdytysputki: Sisältää pumput, venttiilit, virtausmittarit jne. Jäähdytysnesteen kiertämisen varmistamiseksi.
Kaapin tason komponentit: kuten taustan puhaltimet, kylmät levyt ja ruiskutuslaitteet (upotus nesteen jäähdytys).
● Ohjausjärjestelmä
Anturit (lämpötila, kosteus, paine) ja älykkäät ohjaimet säätävät dynaamisesti jäähdytyslaitteiden toimintaa energiatehokkuuden optimoimiseksi.
2. Tietokeskuksen jäähdytysmenetelmien luokittelu
Lämmönsiirtoväliaineen ja teknisen polun perusteella jäähdytysmenetelmät voidaan jakaa kolmeen luokkaan: ilmajäähdytys, nestemäinen jäähdytys ja luonnollinen jäähdytys. Jokaisella menetelmällä on erilaisia sovellettavia skenaarioita ja etuja ja haittoja.
● Ilmajäähdytys (ilmajäähdytys)
Periaate: Laitteiden lämpö poistetaan ilmavirtauksella, ja kuuma ilma jäähdytetään ilmastointijärjestelmällä ja kierrätetään sitten tai purettu ulkopuolelle.
Tyypilliset tekniikat:
Tietokoneen huoneen tason ilmanjäähdytys:
Tarkkuusilmastointi toimittaa suoraan ilmaa tietokonehuoneeseen, ja kuuma ilma palaa katon läpi tai lattian alle. Kustannukset ovat alhaiset, mutta energiatehokkuus on keskimäärin (PUE on korkea, noin 1. 5-2. 0).
Parannustoimenpiteet: Kuumien ja kylmien kanavien eristäminen (sulje kuumat kanavat tai kylmät kanavat ilman virtauksen sekoittumisen välttämiseksi), lattiailman tarjonnan (kohonneiden lattioiden käyttäminen kylmän ilman kuljettamiseen, yleinen perinteisissä tietokeskuksissa).
Kaapin tason ilmajäähdytys:
Kaapissa on sisäänrakennettuja tuulettimia tai taustasuunnitelmia, jotka parantaavat yhden kaapin lämmön hajoamista (sopii keskikokoisiin kaappeihin, virtaa pienempi tai yhtä suuri kuin 15 kW).
Yhdistettynä rivien väliseen ilmastointiin (ilmastointi käytetään kaapin rivien väliin ilman virtauspolun lyhentämiseksi ja tehokkuuden parantamiseksi).
Edut: kypsä tekniikka, alhaiset käyttöönottokustannukset, helppo ylläpito.
Haitat: alhainen ilmalämpökapasiteetti, riittämätön tehokkuus suuritehokkuuden skenaarioissa (päivitys nestemäiseen jäähdytykseen, kun yksi kaapin teho> 20 kW).
● Nestemäinen jäähdytys (nesteen jäähdytys)
Periaate: Käytä nestemäistä elatusainetta suoraan tai epäsuorasti koskettaaksesi lämmön tuottavia komponentteja, vie lämpö verenkierron kautta ja siirrä sitten lämpö ulkokäynnistysjärjestelmään lämmönvaihtimen läpi.
Luokittelu ja tekniikka:
Epäsuora nesteen jäähdytys (kylmälevytyyppi):
Lämpöä tuottavia komponentteja (kuten CPU, GPU) kosketetaan metallin kylmälevyn läpi, ja jäähdytysneste (vesi tai johtamaton neste) virtaa kylmälevyyn lämpöä imemään lämpöä koskettamatta suoraan elektronisia komponentteja.
Edut: Korkea turvallisuus (johtamaton neste on valinnainen), yhteensopiva nykyisen palvelinarkkitehtuurin kanssa ja muunnoksen alhaiset vaikeudet.
Sovellus: korkean tiheyden laskentaskenaariot (kuten AI-palvelimet, HPC-klusterit), yhden kaapin voima voi tavoittaa 20-50 kW.
Suora nestemäinen jäähdytys (upotus):
Palvelinlaitteisto on täysin upotettu johtamattomaan fluoratuun neste- tai mineraaliöljyyn. Neste absorboi lämpöä ja höyrystää, ja höyry nesteytyy ja virtaa takaisin lauhduttimen läpi (vaiheenvaihtojäähdytys, suurempi tehokkuus).
Edut: Erittäin korkea lämmön hävittäminen (yksi kaappiteho voi saavuttaa yli 100 kW), tuulettimen vaaditaan, alhainen melu, PUE voi olla niinkin alhainen kuin 1,05 tai vähemmän.
Sovellukset: Erittäin korkea suorituskykylaskenta, blockchain-kaivostilat, laajamittaiset AI-koulutusklusterit.
Suihkuta nestejäähdytys:
Jäähdytysneste ruiskutetaan lämmityselementin pinnalle suuttimen läpi yhdistettynä haihtumiseen lämpöä, joka on kylmälevytyypin ja upotustyypin välillä.
Edut: Korkea lämmön hajoaminen, vähensi merkittävästi PUE: tä ja tukevat erittäin korkealle tehotiheydelle.
Haitat: Korkeat alkuinvestoinnit (vaaditaan kabinetin ja putkilinjan modifikaatio), vaaditaan korkea ylläpidon monimutkaisuus ja ammattimainen jäähdytysnesteen hallinta.
● Luonnollinen jäähdytys (ilmainen jäähdytys)
Periaate: Käytä ulkoisia luonnollisia kylmiä lähteitä (kuten matalan lämpötilan ilmaa, pohjavettä, jäähdytystornia) mekaanisen jäähdytyksen korvaamiseksi energiankulutuksen vähentämiseksi.
Tyypilliset tekniikat:
Ilmapuolen luonnollinen jäähdytys:
Raikas ilmajäähdytys: Matalan lämpötilan ulkokäyttöön otetaan suoraan datakeskukseen suodatuksen jälkeen (kosteus ja pöly on tiukasti ohjattava), ja kuuma ilma puretaan ulkona.
Lämpöputki/lämmönvaihdin: Sisälämpö siirretään ulkopuolelle lämpöputkien tai levyn lämmönvaihtimien läpi suoran ilmansekoituksen välttämiseksi (sopii alueille, joilla on korkea kosteus).
Vesipuolen luonnollinen jäähdytys:
Käytä jäähdytystorneja tai kuivia jäähdyttimiä käyttääksesi jäähdyttimiä suoraan matalan lämpötilan jäähdytysveden aikaansaamiseksi, kun ulkolämpötila on alhainen, vähentäen kompressorin käyttöaikaa.
Yhdistettynä suljetun veden kiertojärjestelmään veden pilaantuminen estetään vaikuttamasta lämmön hajoamiseen.
Maanlähde/veden lähteen jäähdytys:
Käytä pohjavettä, järvivettä tai maaperän lämmönvaihtimia luonnollisten kylmälähteiden syöttämiseen lämpöpumppujärjestelmien kautta, jotka ovat ympäristöystävällisiä, mutta rajoittavat maantieteellisen sijainnin.
Edut: Vähennä huomattavasti jäähdytysenergian kulutusta, PUE voi olla jopa 1,1 tai alhaisempi, vihreä ja energiansäästö.
Haitat: Riippuu ilmasto -olosuhteista (ilmeiset edut kylmillä alueilla) ja vaatii lisää lämmönvaihtolaitteita.
3. Tärkeimmät jäähdytystekniikat ja innovaatiot
Yllä olevien perusmenetelmien lisäksi datakeskuksen jäähdytystekniikka kehittyy kohti korkeaa hyötysuhdetta, älykkyyttä ja vähähiilystä. Seuraavat ovat nykyinen valtavirran ja huipputeknologia:
● Korkean tehokkuuden jäähdytystekniikka
Magneettinen levitaatiojäähdytin: Magneettisen levitaatiokompressorin avulla ei voitelua öljyn menetystä, energiatehokkuussuhde (COP) voi saavuttaa yli 10, mikä on yli 30% energiansäästöä kuin perinteiset keskipakojäähdyttimet.
Höyrystävä jäähdytys: Ilman lämpötilan alentaminen absorboimalla lämpöä haihtumisen kautta (kuten märkä kalvon kostuttaja + tuuletin), joka sopii kuiville alueille, voi vähentää huomattavasti mekaanisen jäähdytyksen kysyntää.
Kaksivaiheinen virtausjäähdytys: käyttämällä nestemäisen vaiheen muutosta (haihtumiskondensaatio) tehokkaan lämmönsiirron, kuten silmukan lämpöputken (LHP) ja sykkivään lämpöputken (PHP) suhteen, sirun tason lämmön hajoamiseksi.
● Älykkyys- ja energiatehokkuuden optimointi
AI ja koneoppiminen:
Analysoi historiallisia tietoja AI -algoritmien kautta, ennustaa kuormitusmuutoksia, säädä dynaamisesti ilmastointilaitteiden, puhaltimien, vesipumppujen ja muiden laitteiden toimintaparametreja ja saavuttaa energiatehokkuuden optimoinnin (kuten Googlen syvänminän tekniikka voi vähentää jäähdytysenergian kulutusta 40%).
Kuumien pisteiden reaaliaikainen valvonta, ilmavirran automaattinen säätö tai nestemäisen virtauksen jakauma paikallisen ylikuumenemisen välttämiseksi.
Digitaalinen kaksos
● Jätlämpöjen talteenotto ja hiilen neutraalisuus
Jätelämmön uudelleenkäyttö: Kierrätä jäähdytysjärjestelmästä purettu lämpö lämmitys-, kuumavesi- tai teollisuusprosesseja varten (kuten pohjoismaisen tietokeskuksen yhdistettynä alueelliseen lämmitysjärjestelmään) energian yleisen hyödyntämisen parantamiseksi.
Vihreän energian synergia: Yhdistä uusiutuva energia, kuten aurinkosähkö ja tuulivoima jäähdytysjärjestelmän käyttämiseksi ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi; Jotkut tietokeskukset käyttävät polttokennoja, joiden jätealuetta voidaan käyttää suoraan lämmitykseen tai sähköntuotantoon.
Luonnolliset työnesteen kylmäaineet: Käytä matalaa GWP (ilmaston lämpenemispotentiaali) kylmäaineita, kuten ammoniakkia (NH3) ja hiilidioksidia (CO₂) perinteisen freonin korvaamiseksi ympäristömääräysten (kuten EU F-GAS-asetusten) mukaisesti.
● Upotusnestejä jäähdytystekniikan popularisointi
AI: n ja korkean suorituskyvyn tietojen räjähdyksen myötä korkean tiheyden palvelimet (kuten GPU-klusterit) ovat edistäneet upottamisen nesteen jäähdytystä tullakseen kuumapisteeksi:
Fluorattu neste: eristys, alhainen kiehumispiste (noin 50-60 aste), sopii vaiheenvaihtojäähdytykseen, ei tarvitse muokata palvelinlaitteistoa.
Kustannusten vähentämistrendi: Suuren mittakaavan levittämisen myötä fluoran nesteen hinta on vähitellen laskenut, ja sitä voidaan käyttää uudelleen (yli 10 vuotta), ja pitkäaikaiset kustannukset ovat ilmeisiä.
4. Jäähdytystekniikan valinta- ja sovellusskenaariot
Tietokeskusten jäähdytysratkaisujen valinta on harkittava kattavasti tehotiheyttä, maantieteellistä sijaintia, budjettia ja energiatehokkuustavoitteita:
| Skenaario | Suositeltu jäähdytysmenetelmä | Tyypillinen PUE | Yksi kaapin voima |
| Matala tehotiheys (<5 kW) | Tietokonehuoneen tason ilmajäähdytys + kylmä ja kuuma kanavan eristäminen | 1.5-1.8 | Vähemmän tai yhtä suuri kuin 5 kW |
| Keskikokoinen tehotiheys (5-20 kW) | Kaapin tason ilmajäähdytys + rivirivinen ilmastointi | 1.3-1.5 | 5-20 kW |
| Suuritehoiden tiheys (20-50 kW) | Kylmän levyn nesteen jäähdytys + luonnollinen jäähdytys | 1.1-1.3 |
20-50 kW |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Upotettu nestemäinen jäähdytys + jätteen lämmön talteenotto | 1.05-1.1 | {0} kW |
| Kylmät alueet | Luonnollinen jäähdytys (ilma/veden puoli) + apujäähdytys | 1.08-1.2 | Joustava |
| Kuivien alueet | Haihduttava jäähdytys + luonnollinen jäähdytys | 1.1-1.3 | Joustava |
5. Tulevat kehityssuuntaukset
●Vähähiilinen ja nolla-hiilitietokeskukset:Politiikan (kuten Kiinan "kaksoishiili" -tavoitteet), luonnollisen jäähdytyksen, jätealueen palautumisen ja uusiutuvan energian, toimesta tulee valtavirta, ja PUE -tavoite siirtyy kohti 1. 0.
● Nestemäisen jäähdytystekniikan skaalaus:AI- ja Edge Computing -tutkimukset Tiheyskysyntä, upotus nestemäisen jäähdytys tunkeutuu huippuluokan skenaarioista yleisiin tietokeskuksiin ja teollisuuden standardit (kuten OCP: n nestemäiset jäähdytysvaatimukset) ovat vähitellen yhtenäisiä.
● Sirun tason tarkkuuslämpöhävitys:Mikrokanavajäähdytys, suihkujäähdytys ja muut tekniikat toimivat suoraan sirulle lämmönsiirtopolun menetyksen vähentämiseksi.
● Täysketjuinen älykkyys:Laitteiden seurannasta globaaliin optimointiin AI ja esineiden Internet (IoT) on integroitu syvästi "ennustavan ylläpidon" ja mukautuvan jäähdytyksen saavuttamiseksi.
●Modulisointi ja esivalmistus:Esivalmistetut nestemäiset jäähdytyskaapit ja konttityyppiset tietokeskukset kiihdytetään ottamaan käyttöön, lyhentämään rakennusjaksoa ja vähentämään käyttö- ja ylläpitokustannuksia
Tietokeskuksen jäähdytysjärjestelmä on avainlinkki tasapainottamisessa suorituskyvystä, kustannuksista ja energiatehokkuudesta. Teknologian valinta on mukautettava paikallisiin olosuhteisiin ja tarpeisiin. Laskentavoiman kysynnän räjähdyksen ja vihreän muunnoksen etenemisen, tehokkaan nestemäisen jäähdytyksen, luonnollisen jäähdytyksen ja älykkään hallinnan kehityksestä tulee tulevaisuuden kehityksen ydinsuunta, mikä johtaa tietokeskusten kehitystä kohti "vähähiilistä, tehokasta ja kestävää".