数据中心液冷方式的介绍与比较
发布时间：2022/10/21 15:43:43 访问677次
传统数据中心的散热方式为风冷，即使用空气作为冷媒，对服务器的发热部件进行换热，带走热量的技术。而IDC液冷系统是指使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热，带走热量的技术。采用液冷方式时必须要使用液冷服务器。
1、液冷系统的介绍
传统数据中心的散热方式为风冷，即使用空气作为冷媒，对服务器的发热部件进行换热，带走热量的技术。而IDC液冷系统是指使用液体取代空气作为冷媒，为发热部件进行换热，带走热量的技术。采用液冷方式时必须要使用液冷服务器。该服务器是指将液体注入服务器，通过冷热交换带走服务器的散热的一种服务器。
液冷系统的组成主要包含一次侧换热部分和二次侧换热部分，一次侧是指从服务器带走热量并二次侧进行环路介质进行散热的环路，二次侧是指将一次侧的热量排至室外环境或其他热回收单元的环路。
2、液冷方式的主要形式
液冷形式主要分为喷淋式、冷板式和浸没式，三种的主要区别体现在对服务器的散热方式不同。喷淋式液冷是将冷却液通过喷淋的方式淋在服务器的散热元件上带走服务器产生的热量；冷板式液冷是在服务器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散热，其他少量发热器件（如硬盘、接口卡等） 仍采用风冷散热系统；浸没式液冷是指将服务器的发热元器件完全浸没在冷却液中，通过冷却液的对流或相变将服务器的热量带走的散热系统。其次，喷淋式浸没式的服务器没有风扇，而冷板式服务器存在风扇。
具体介绍如下：
2.1 喷淋式液冷系统
喷淋式直接液冷是面向电子设备器件精准喷淋、直接接触式的液冷技术，冷却液可通过重力或系统压力直接喷淋至IT设备的发热器件或与之相连接的固体导热材料上，并与之进行热交换实现对IT设备的热管理。在热交换的工作过程中，IT设备内冷却液的自由液面低于被冷却的发热器件或与之连接的固体导热材料，系统可通过IT设备外部的换热单元对冷却液换热，满足循环使用要求。
2.2 冷板式液冷系统
冷板式液冷机柜的基本工作原理描述如下：采用冷板组件与高热流密度元件接触，发热量经由冷板组件中的冷却介质导出，再经由一个或多个冷却回路热交换传递，最终将设备热量散发到外环境或进行回收利用的一种液冷实现方式。
2.3 浸没式液冷系统
浸没式液冷机柜的基本工作原理描述如下：通过把电子信息设备浸没在冷却液中，由冷却液带走热量的一种散热形式。根据冷却液散热过程中的形态不同，分为相变与与单相液冷。
3、液冷方式特点
3.1 充分利用自然冷源，节能效果明显
液冷机柜可以充分利用室外的冷源。液冷机柜除冷板液冷之外，一般喷淋和浸没式液冷的服务器侧进出冷却液的温度在40℃～45℃左右，而室外侧的环境温度一般都能够满足对冷却液的散热要求，喷淋和浸没液冷均能全部采用室外冷源进行服务器的散热，总体PUE效果提升明显，并且可以充分利用自然冷源，节能效果极其明显。
三种液冷方式的PUE均能达到1.2以下，尤其是喷淋式和浸没式液冷系统节能效果更加明显，相对于风冷而言约节约20%的空调电能，再加上因取消服务器内部风机，IT部分电能可节省13％～25％，总体的节能效果在40％以上。
对当前的碳排放而言，浸没式和喷淋式液冷其输出的水侧温度比较高，具有废热回收利用价值，如结合部分余热利用，节能效果会有显著提升的空间之外，也能降低整体数据中心的碳排放强度。
3.2 机房可实现低噪声
机房的噪声主要来自服务器的风扇，根据国家现行规定，有人值守的主机房和辅助区，在电子信息设备停机时，位于主操作员 位 置 测 量 的 噪 声 值 应 小 于65dB（A）。随着大型数据中心的不断出现，主机房包含上百台网络设备规模的数据中心现象变得普遍。当这些设备同时工作时，大部分的噪声接近或超过65dB，该数值均在设备正常运行和负载50％～60％ 的情况下测试出的噪声值，如果全速工作，风扇可调速，则噪声值只能更高。当环境噪声超过80dB 时，人员已经无法在该环境里长时间工作，欧美的法律也规定，如果工作场所的噪声达到80dB～85dB时，须提供相应的职业保护。
而采用喷淋和浸没形式的液冷，服务器内部的风扇均不存在，直接去除主要噪声源，因此噪声值可以降到低于30dB以下，即使采用冷板式液冷，一般风扇在较低的转速下工作，噪声较之于常规风冷形式更低，噪声值也有极大改善。
另外由于液冷系统的自身特点，减少了常规冷源部分（如冷水机组、空调室外机等），也能很大程度上降低对环境的噪声影响，对于数据中心的布置及周围环境而言，相对容易且友好。
3.3 占地面积小
由于液冷系统结构简单，且可以充分利用自然冷源，减少了常规数据中心的冷源及附属设备及管道等布局，系统简单，占地面积小，加上一般液冷机柜可以达到高功率密度，能实现10～50kW功率，较之于常规可节省较大面积。
3.4 系统布置改造灵活
由于液冷系统的占地面积小，系统简便，可利用自然冷源的优点，加上可以做到高功率密度，对于改造或者改扩建的数据中心而言，便利性可以大大提高。
3.5 机房环境需求低
对于浸没式及冷板式液冷系统机房，无机房正压要求，另外对于机房的整洁度无额外要求，对于机房的装修如墙面、地板等要求较低。而且，由于机房的环境主要是满足人员维护的需求。减少精密空调的数量及空调间的布置，可采用常规风冷末端，机房的总体冷源的可靠性需求有所降低。
3.6 服务器可靠性提高，寿命延长
3.6.1 芯片工作温度低，降低能耗
由于液体能效转换效率远远超过空气，且液冷系统可直接对服务器的芯片等关键部件实现散热，散热精准高效，因此服务器的关键部件的运行温度明显低于常规风冷散热温度，且温度恒定，其系统可持续高负载运行，效能翻倍；又由于喷淋式液冷和浸没式液冷移除了服务器系统风扇，可以直接降低服务器的能耗，约降低15％～25％，而冷板式则约降低5％～10％。
3.6.2 服务器寿命提高
服务器的寿命提高主要体现在两个方面：
①由于芯片工作主要是在较低温度且温度恒定下，当减少风机工作时的震动（喷淋式和浸没式液冷），可以显著提高芯片的寿命；
②喷淋和浸没液冷机房由于服务器浸没在冷却液内，服务器不需要与室内的空气进行接触，避免了空气中的灰尘等颗粒物在服务器内的累计而导致设备故障。另外也直接减少了环境中的水分及尘埃等对于服务器的腐蚀，提高了设备的可靠性，延长了设备的使用寿命。
3.7 设备维护支出低
相对于喷淋式和浸没式液冷，冷板式液冷系统运行维护成本高昂，甚至超过风冷系统，主要是其使用的纯净水设备运行维护支出比较高，且随着使用年限的增长成本几乎翻倍。
喷淋式和浸没式液冷系统的结构简单，设备的部件数量少，如省去了制冷主机、风冷空调的设备数量，设备的故障发生概率会减少。从设备的全生命周期而言，一方面减少了设备的备件，另一方面也能减少后期的维护部分的人力支出。
冷板式相对于风冷系统是额外增加一套液冷管道，系统较复杂。但部分浸没式液冷系统的冷却液使用氟化液相变方式，在维护时，需要整体停机维护，存在维护的难度，且液冷冷却液的填充量最大。
从三种形式来看，喷淋式液冷系统除具备系统简单之外，能做到在线维护，在三者中维护成本为最低，总体在后期设备全生命周期管理中，总体的维护费用支出最简单，是三者中最好的一种方式。
3.8 设备前期投资较大
由于液冷设备还处于起步阶段，当前液冷形式相对于传统风冷机房而言体量极小，加之部分关键材料如冷却液等暂时受部分公司的垄断，相对于常规机房而言，设备前期投资较大，并且由于部分设备需要定制，如服务器等，当所需数量较小的情况下，成本更高，一般前期投资为传统机房的3倍以上。当单柜管理设备密度在20kW以上且超过500个柜子以上的情况下，成本会有较大的降低。
3.9 客户接受度需提高
液冷机柜属于一种较新型的方式，目前，客户的接受度不如常规风冷机柜的接受度；由于当前液冷机房的投资与机柜的功率密度关系较大，但参照当前的社会成型案例，一般液冷机柜功率在10～20kW以上，难以达到客户的接受程度，当前基本为自有用户的使用或改造，相信后期随着液冷机柜的推广，客户的接受程度会有所提升。
4、结论
综上所述，喷淋式液冷的优点相对于其他两种液冷方式，主要体现在机房承重低、冷却液充注量少、系统简单和机房噪声低等。结合当前数据规模化的特点，在机房改造、企业自用机房的升级、通信行业BBU小型机组等应用方面存在较大的利用空间，并在利用自然能源方面存在巨大的节能潜力，是一种值得推荐的新型数据中心散热方式。
