Poiché i data center hanno attrezzature densamente imballate e sono in funzione continua, generano molto calore (ogni server può avere una potenza di diversi chilowatt a decine di chilowatt). Se il calore non può essere dissipato in tempo, porterà a surriscaldamento delle apparecchiature, degrado delle prestazioni e persino guasti. Pertanto, la progettazione del sistema di raffreddamento influisce direttamente sull'efficienza energetica, l'affidabilità e i costi operativi del data center. Quella che segue è un'introduzione dettagliata dagli aspetti della composizione del sistema, dei metodi di raffreddamento, delle tecnologie chiave e delle tendenze di sviluppo.
1.Core componenti del sistema di raffreddamento dei data center
Il sistema di raffreddamento del data center di solito consiste nelle seguenti parti, che lavorano insieme per ottenere un trasferimento e scarico di calore efficienti:
● Attrezzatura lato fonte di calore
I componenti di generazione di calore come server, dispositivi di stoccaggio, apparecchiature di alimentazione (come UPS), ecc., Inizialmente sono raffreddati da ventole o dissipatori di calore passivi.
● Medium di trasferimento di calore
ARIA: il mezzo del sistema di raffreddamento dell'aria tradizionale, a basso costo ma a bassa efficienza di conduzione del calore (conducibilità termica dell'aria è circa 0. 026 W\/m ・ K).
Liquido: il mezzo del sistema di raffreddamento liquido, come acqua o refrigeranti come olio minerale e liquido fluorurato, ha una conduttività termica significativamente più alta dell'aria (la conducibilità termica dell'acqua è circa {0}}. 6 W\/m ・ K, il liquido fluorugato è circa 0,05 w\/m ・ K ma la calore di vaporizzazione è alta).
● Equipaggiamento di dissipazione di refrigerazione e calore
Precision Air Conditioning (CRAC\/CRAH): fornisce aria fredda a temperatura costante e umidità per controllare l'ambiente del data center (temperatura tipica 20-24 grado, umidità 40%-60%).
CHILLER: rimuove il calore attraverso la circolazione dell'acqua, comunemente utilizzato in grandi data center o sistemi di raffreddamento liquido.
Torre di raffreddamento\/dispositivo di raffreddamento a secco: scarica il calore nell'atmosfera esterna, divisa in raffreddamento dell'acqua (richiede acqua) e raffreddamento a secco (raffreddamento dell'aria, salva di acqua ma meno efficiente).
Scambiatore di calore: come lo scambiatore di calore a piastra e lo scambiatore di calore del tubo di calore, utilizzato per lo scambio di calore tra diversi supporti.
● Componenti di gestione del flusso d'aria\/flusso liquido
Condotti e condotti: guidare il flusso d'aria per ottenere l'isolamento freddo e caldo.
Pipeline di raffreddamento a liquido: comprese pompe, valvole, misuratori di flusso, ecc. Per garantire la circolazione del liquido di raffreddamento.
Componenti a livello di armadio: come ventilatori di backplane, piastre fredde e dispositivi a spruzzo (raffreddamento liquido di immersione).
● Sistema di controllo
I sensori (temperatura, umidità, pressione) e controller intelligenti regolano dinamicamente il funzionamento delle apparecchiature di refrigerazione per ottimizzare l'efficienza energetica.
2. Classificazione dei metodi di raffreddamento del data center
Sulla base del mezzo di trasferimento di calore e del percorso tecnico, i metodi di raffreddamento possono essere divisi in tre categorie: raffreddamento dell'aria, raffreddamento liquido e raffreddamento naturale. Ogni metodo ha diversi scenari applicabili, vantaggi e svantaggi.
● Raffreddamento ad aria (raffreddamento ad aria)
Principio: il calore dell'attrezzatura viene rimosso dal flusso d'aria e l'aria calda viene raffreddata dal sistema di condizionamento dell'aria e quindi riciclata o scaricata all'esterno.
Tecnologie tipiche:
Raffreddamento dell'aria a livello di camera per computer:
Il condizionamento dell'aria di precisione fornisce direttamente aria alla sala computer e l'aria calda ritorna attraverso il soffitto o sotto il pavimento. Il costo è basso ma l'efficienza energetica è media (PUE è elevata, circa 1. 5-2. 0).
Misure di miglioramento: isolamento dei canali caldi e freddi (racchiudere canali caldi o canali a freddo per evitare la miscelazione del flusso d'aria), alimentazione dell'aria di un passo (utilizzando pavimenti elevati per trasportare aria fredda, comune nei data center tradizionali).
Raffreddamento dell'aria a livello di armadio:
L'armadio ha ventilatori integrati o ventilatori di backplane per migliorare la dissipazione del calore di un singolo mobile (adatto per armadi a media densità, potenza inferiore o uguale a 15 kW).
Combinato con l'aria condizionata tra riga (l'aria condizionata viene distribuita tra le file di armadio per abbreviare il percorso del flusso d'aria e migliorare l'efficienza).
Vantaggi: tecnologia matura, basso costo di implementazione, facile manutenzione.
Svantaggi: bassa capacità di calore dell'aria, efficienza insufficiente in scenari ad alta densità di potenza (aggiornamento al raffreddamento liquido quando potenza a singolo armadio> 20 kW).
● raffreddamento liquido (raffreddamento liquido)
Principio: utilizzare il mezzo liquido per contattare direttamente o indirettamente i componenti di generazione di calore, togliere il calore attraverso la circolazione e quindi trasferire il calore nel sistema di raffreddamento esterno attraverso lo scambiatore di calore.
Classificazione e tecnologia:
Raffreddamento liquido indiretto (tipo di piastra fredda):
I componenti di generazione di calore (come CPU, GPU) vengono contattati attraverso la piastra fredda in metallo e il liquido di raffreddamento (acqua o liquido non conduttivo) scorre nella piastra fredda per assorbire il calore senza contattare direttamente i componenti elettronici.
Vantaggi: alta sicurezza (liquido non conduttivo è facoltativo), compatibile con l'architettura del server esistente e bassa difficoltà nella trasformazione.
Applicazione: scenari di elaborazione ad alta densità (come server AI, cluster HPC), la potenza di un singolo gabinetto può raggiungere 20-50 kW.
Raffreddamento liquido diretto (immersione):
L'hardware del server è completamente immerso in liquido fluorurato o olio minerale non conduttivo. Il liquido assorbe il calore e vaporizza e i liquefie a vapore e scorre indietro attraverso il condensatore (raffreddamento del cambio di fase, maggiore efficienza).
Vantaggi: l'efficienza di dissipazione del calore estremamente elevata (la potenza del gabinetto singolo può raggiungere più di 100 kW), nessuna ventola richiesta, il rumore basso, il pue può essere inferiore a 1,05 o meno.
Applicazioni: computing ad altissime prestazioni, fattorie minerarie blockchain, cluster di addestramento di intelligenza artificiale su larga scala.
Raffreddamento liquido a spruzzo:
Il refrigerante viene spruzzato sulla superficie dell'elemento di riscaldamento attraverso un ugello, combinato con l'evaporazione per assorbire il calore, che si trova tra il tipo di piastra fredda e il tipo di immersione.
Vantaggi: alta efficienza di dissipazione del calore, PUE significativamente ridotto e supporto per una densità di potenza ultra alta.
Svantaggi: investimenti iniziali elevati (modifica del gabinetto e della pipeline richiesto), ad alta complessità di manutenzione e gestione del liquido di raffreddamento professionale.
● Raffreddamento naturale (raffreddamento gratuito)
Principio: utilizzare fonti a freddo naturale esterno (come aria a bassa temperatura, acque sotterranee, torri di raffreddamento) per sostituire la refrigerazione meccanica per ridurre il consumo di energia.
Tecnologie tipiche:
Raffreddamento naturale sul lato aereo:
Raffreddamento ad aria fresca: l'aria a bassa temperatura esterna viene introdotta direttamente nel data center dopo la filtrazione (l'umidità e la polvere devono essere strettamente controllate) e l'aria calda viene scaricata all'aperto.
Scambiatore di tubi di calore\/calore: il calore interno viene trasferito all'esterno attraverso tubi di calore o scambiatori di calore per evitare la miscelazione dell'aria diretta (adatto per aree con elevata umidità).
Raffreddamento naturale sul lato acqua:
Utilizzare torri di raffreddamento o refrigeratori a secco per utilizzare direttamente i refrigeratori per fornire acqua di raffreddamento a bassa temperatura quando la temperatura esterna è bassa, riducendo il tempo di esecuzione del compressore.
Combinato con un sistema di circolazione dell'acqua chiusa, l'inquinamento dell'acqua è impedito di influire sulla dissipazione del calore.
FORNITURA DI MARCHE\/FORTE DI ACQUA:
Utilizzare gli scambiatori di calore delle acque sotterranee, delle acque del lago o del suolo per estrarre fonti a freddo naturali attraverso i sistemi di pompe di calore, che è ecologicamente rispettoso ma limitato dalla posizione geografica.
Vantaggi: ridurre notevolmente il consumo di energia di raffreddamento, il PUE può essere inferiore a 1,1 o inferiore, verde e risparmio energetico.
Svantaggi: dipende dalle condizioni climatiche esterne (ovvi vantaggi nelle aree fredde) e richiedono ulteriori attrezzature di scambio di calore.
3. Tecnologie e innovazioni di raffreddamento chiave
Oltre ai metodi di base di cui sopra, la tecnologia di raffreddamento dei data center si sta sviluppando verso l'alta efficienza, l'intelligenza e la bassa carbonizzazione. Di seguito sono riportate le attuali tecnologie tradizionali e all'avanguardia:
● Tecnologia di refrigerazione ad alta efficienza
Chiller a levitazione magnetica: utilizzando il compressore di levitazione magnetica, nessuna perdita di olio lubrificante, rapporto di efficienza energetica (COP) può raggiungere più di 10, che è superiore al 30% di energia rispetto ai refrigeratori centrifughi tradizionali.
Raffreddamento evaporativo: abbassare la temperatura dell'aria assorbendo il calore attraverso l'evaporazione dell'acqua (come l'umidificatore di film bagnato + ventilatore), adatto per le aree asciutte, può ridurre notevolmente la domanda di refrigerazione meccanica.
Raffreddamento a flusso a due fasi: utilizzo della variazione di fase liquida (evaporazione-condensazione) per un trasferimento di calore efficiente, come il tubo di calore del loop (LHP) e il tubo di calore pulsante (PHP), per la dissipazione del calore a livello del chip.
● Intelligenza e ottimizzazione dell'efficienza energetica
AI e Machine Learning:
Analizzare i dati storici attraverso gli algoritmi di intelligenza artificiale, prevedere le modifiche al carico, regolare dinamicamente i parametri operativi di condizionatori d'aria, ventole, pompe d'acqua e altre attrezzature e ottenere l'ottimizzazione dell'efficienza energetica (come la tecnologia DeepMind di Google può ridurre il consumo di energia di refrigerazione del 40%).
Monitoraggio in tempo reale dei punti caldi, regolazione automatica del flusso d'aria o distribuzione del flusso liquido per evitare il surriscaldamento locale.
Digital Twin: costruire un modello virtuale del data center, simulare gli effetti di diverse soluzioni di raffreddamento e ottimizzare il layout e le strategie di funzionamento e manutenzione.
● Recupero del calore dei rifiuti e neutralità del carbonio
Riutili di calore dei rifiuti: riciclare il calore scaricato dal sistema di raffreddamento per riscaldamento, acqua calda o processi industriali (come il data center nordico combinato con il sistema di riscaldamento regionale) per migliorare l'utilizzo complessivo dell'energia.
Synergy di energia verde: combinare energia rinnovabile come fotovoltaici e energia eolica per alimentare il sistema di raffreddamento e ridurre le emissioni di carbonio; Alcuni data center utilizzano celle a combustibile, il cui calore di scarto può essere utilizzato direttamente per il riscaldamento o la generazione di energia.
Refrigeranti fluidi di lavoro naturale: utilizzare i refrigeranti a basso GWP (potenziale di riscaldamento globale) come l'ammoniaca (NH3) e l'anidride carbonica (CO₂) per sostituire il tradizionale Freon, in conformità con le normative ambientali (come le normative dell'UE F-GAS).
● Diffusione della tecnologia di raffreddamento a liquido immersione
Con l'esplosione di AI e calcolo ad alte prestazioni, i server ad alta densità (come i cluster GPU) hanno promosso il raffreddamento liquido di immersione per diventare un punto caldo:
Caratteristiche del liquido fluorurato: isolamento, punto di ebollizione basso (circa 50-60 grado), adatto per il raffreddamento della modifica delle fasi, non è necessario modificare l'hardware del server.
Tendenza di riduzione dei costi: con l'applicazione su larga scala, il prezzo del liquido fluorurato è gradualmente diminuito e può essere riutilizzato (durata della vita di oltre 10 anni) e sono evidenti vantaggi di costo a lungo termine.
4. Scenari di selezione e applicazione della tecnologia di raffreddamento
La selezione di soluzioni di raffreddamento per i data center deve considerare in modo completo la densità di potenza, la posizione geografica, gli obiettivi di efficienza del budget e dell'efficienza energetica:
| Scenario | Metodo di raffreddamento consigliato | Pue tipico | Potenza a singolo gabinetto |
| Bassa densità di potenza (<5 kW) | Raffreddamento dell'aria a livello di computer + Isolamento del canale caldo e caldo | 1.5-1.8 | Meno o uguale a 5 kW |
| Densità di potenza media (5-20 kw) | Raffreddamento ad aria a livello di armadio + aria condizionata | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| Densità ad alta potenza (20-50 kw) | Raffreddamento liquido a piastra fredda + raffreddamento naturale | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Raffreddamento liquido immerso + recupero del calore dei rifiuti | 1.05-1.1 | 50-100 KW+ |
| Aree fredde | Raffreddamento naturale (lato aria\/acqua) + raffreddamento ausiliario | 1.08-1.2 | Flessibile |
| Aree aride | Raffreddamento evaporativo + raffreddamento naturale | 1.1-1.3 | Flessibile |
5. Future Tendenze di sviluppo
●Dati center a basse emissioni di carbonio e carbonio:Spinti da politiche (come gli obiettivi "Dual Carbon" della Cina), il raffreddamento naturale, il recupero del calore dei rifiuti e l'energia rinnovabile diventeranno mainstream e il bersaglio PUE si sposterà verso 1. 0.
● Ridimensionamento della tecnologia di raffreddamento liquido:L'intelligenza artificiale e il bordo del calcolo guidano la domanda ad alta densità, il raffreddamento liquido immersione penetra dagli scenari di fascia alta a data center generali e gli standard del settore (come le specifiche di raffreddamento liquido OCP) sono gradualmente unificati.
● Dissipazione del calore di precisione a livello di chip:Il raffreddamento a microcanale, il raffreddamento a spruzzo e altre tecnologie agiscono direttamente sul chip per ridurre la perdita del percorso di trasferimento di calore.
● Intelligenza a catena piena:Dal monitoraggio delle apparecchiature all'ottimizzazione globale, l'IA e l'Internet of Things (IoT) sono profondamente integrati per ottenere "manutenzione predittiva" e raffreddamento adattivo.
●Modularizzazione e prefabbricazione:Gli armadietti di raffreddamento liquido prefabbricato e i data center di tipo contenitore sono accelerati per distribuire, abbreviare il ciclo di costruzione e ridurre i costi di funzionamento e manutenzione
Il sistema di raffreddamento del data center è un collegamento chiave per bilanciamento delle prestazioni, dei costi e dell'efficienza energetica. La selezione della tecnologia deve essere adattata alle condizioni e alle esigenze locali. Con l'esplosione della domanda di potenza di elaborazione e il progresso della trasformazione verde, il raffreddamento liquido efficiente, il raffreddamento naturale e la gestione intelligente diventeranno la direzione fondamentale dello sviluppo futuro, guidando l'evoluzione dei data center verso "a basso contenuto di carbonio, efficiente e sostenibile".
