O que são sistemas, métodos e tecnologias de refrigeração do data center?

Como os data centers têm equipamentos densamente embalados e estão em operação contínua, eles geram muito calor (cada servidor pode ter uma potência de vários quilowatts a dezenas de quilowatts). Se o calor não puder ser dissipado no tempo, levará ao superaquecimento do equipamento, degradação do desempenho e até falha. Portanto, o design do sistema de refrigeração afeta diretamente a eficiência energética, a confiabilidade e os custos operacionais do data center. A seguir, é apresentada uma introdução detalhada dos aspectos da composição do sistema, métodos de resfriamento, tecnologias -chave e tendências de desenvolvimento.

1. Componentes do Sistema de Resfriamento do Data Center
O sistema de resfriamento do data center geralmente consiste nas seguintes peças, que trabalham juntas para obter transferência e descarga de calor eficientes:
● Equipamento do lado da fonte de calor
Componentes de geração de calor, como servidores, dispositivos de armazenamento, equipamentos de fonte de alimentação (como UPS), etc., são inicialmente resfriados por ventiladores ou dissipadores de calor passivos.
● Médio de transferência de calor
Ar: O meio do sistema de resfriamento de ar tradicional, eficiência de condução de baixo custo, mas baixa e baixa eficiência (a condutividade térmica do ar é de cerca de 0. 026 W/M ・ K).
Líquido: O meio do sistema de resfriamento líquido, como água ou refrigerantes, como óleo mineral e líquido fluorizado, possui uma condutividade térmica significativamente maior que o ar (a condutividade térmica da água é de cerca de {{0}}}.
● Equipamento de refrigeração e dissipação de calor
Ar condicionado de precisão (CRAC/CRAH): fornece temperatura e umidade constante de um ar para controlar o ambiente do data center (temperatura típica 20-24} grau, umidade 40%-60%).
Chiller: remove o calor através da circulação de água, comumente usada em grandes centers de data centers ou sistemas de resfriamento líquido.
Torre de resfriamento/refrigerador seco: descarrega o calor da atmosfera externa, dividida em resfriamento de água (requer água) e resfriamento a seco (resfriamento de ar, economia de água, mas menos eficiente).
Trocador de calor: como trocador de calor de placas e trocador de calor do tubo de calor, usado para troca de calor entre diferentes meios.
● Componentes de gerenciamento de fluxo de ar/líquido
Dutos e dutos: guia o fluxo de ar para obter isolamento frio e quente.
Oleoduto de resfriamento líquido: incluindo bombas, válvulas, medidores de fluxo, etc. para garantir a circulação do líquido de arrefecimento.
Componentes no nível do gabinete: como ventiladores de backplane, placas frias e dispositivos de spray (resfriamento de líquidos de imersão).
● Sistema de controle
Sensores (temperatura, umidade, pressão) e controladores inteligentes ajustam dinamicamente a operação do equipamento de refrigeração para otimizar a eficiência energética.

2. Classificação de métodos de resfriamento de data center
Com base no meio de transferência de calor e no caminho técnico, os métodos de resfriamento podem ser divididos em três categorias: resfriamento de ar, resfriamento líquido e resfriamento natural. Cada método possui diferentes cenários e vantagens aplicáveis.
● Resfriamento de ar (resfriamento de ar)
Princípio: O calor do equipamento é removido pelo fluxo de ar e o ar quente é resfriado pelo sistema de ar condicionado e depois reciclado ou descarregado para o exterior.
Tecnologias típicas:
Resfriamento de ar no nível da sala do computador:
O ar condicionado de precisão fornece diretamente o ar para a sala do computador, e o ar quente retorna pelo teto ou debaixo do chão. O custo é baixo, mas a eficiência energética é média (a PUE é alta, cerca de 1. 5-2. 0).
Medidas de melhoria: o isolamento de canais quentes e frios (inclui canais quentes ou canais frios para evitar a mistura de fluxo de ar), suprimento de ar no piso (usando pisos elevados para transportar ar frio, comum nos data centers tradicionais).
Resfriamento de ar no nível do gabinete:
O gabinete possui ventiladores internos ou fãs de backplane para melhorar a dissipação de calor de um único gabinete (adequado para armários de média densidade, potência menor ou igual a 15 kW).
Combinado com o ar-condicionado entre linhas (o ar condicionado é implantado entre as linhas do gabinete para reduzir o caminho do fluxo de ar e melhorar a eficiência).
Vantagens: tecnologia madura, baixo custo de implantação, fácil manutenção.
Desvantagens: baixa capacidade de calor do ar, eficiência insuficiente em cenários de alta densidade de potência (atualize para o resfriamento líquido quando a potência do gabinete único> 20 kW).
● Resfriamento líquido (resfriamento líquido)
Princípio: use meio líquido para entrar em contato direto com os componentes geradores de calor, retire o calor através da circulação e, em seguida, transfira o calor para o sistema de resfriamento externo através do trocador de calor.
Classificação e tecnologia:
Resfriamento líquido indireto (tipo de placa fria):
Os componentes geradores de calor (como CPU, GPU) são contatados através da placa fria de metal, e o líquido de arrefecimento (água ou líquido não condutor) flui na placa fria para absorver o calor sem entrar em contato diretamente com os componentes eletrônicos.
Vantagens: Alta segurança (líquido não condutor é opcional), compatível com a arquitetura do servidor existente e baixa dificuldade na transformação.
Aplicação: cenários de computação de alta densidade (como servidores de IA, clusters HPC), a potência de um único gabinete pode atingir 20-50 kw.
Resfriamento líquido direto (imersão):
O hardware do servidor está completamente imerso em líquido fluorizado ou óleo mineral não condutivo. O líquido absorve o calor e vaporiza, e as liquefias de vapor e fluem de volta pelo condensador (resfriamento por mudança de fase, maior eficiência).
Vantagens: Eficiência de dissipação de calor extremamente alta (a potência do gabinete único pode atingir mais de 100 kW), não é necessário ventilador, baixo ruído, PUE pode ser tão baixo quanto 1,05 ou menos.
APLICAÇÕES: Computação de desempenho ultra-alto, fazendas de mineração de blockchain, clusters de treinamento de IA em larga escala.
Spray de resfriamento líquido:
O líquido de arrefecimento é pulverizado na superfície do elemento de aquecimento através de um bico, combinado com a evaporação para absorver o calor, que fica entre o tipo de placa fria e o tipo de imersão.
Vantagens: alta eficiência de dissipação de calor, redução significativamente de PUE e suporte à densidade de potência ultra-alta.
Desvantagens: alto investimento inicial (modificação de gabinete e tubulação necessária), alta complexidade de manutenção e gerenciamento profissional de líquidos de refrigeração.
● Resfriamento natural (resfriamento livre)
Princípio: use fontes frias naturais ao ar livre (como ar de baixa temperatura, água subterrânea, torres de resfriamento) para substituir a refrigeração mecânica para reduzir o consumo de energia.
Tecnologias típicas:
Resfriamento natural do lado do ar:
Resfriamento do ar fresco: o ar de baixa temperatura ao ar livre é introduzido diretamente no data center após a filtração (a umidade e a poeira devem ser estritamente controladas) e o ar quente é descarregado ao ar livre.
Trocador de tubo de calor/calor: O calor interno é transferido para o exterior através de tubos de calor ou trocadores de calor de placa para evitar a mistura direta de ar (adequada para áreas com alta umidade).
Resfriamento natural do lado da água:
Use torres de resfriamento ou refrigeradores secos para usar diretamente os chillers para fornecer água de resfriamento de baixa temperatura quando a temperatura externa estiver baixa, reduzindo o tempo de execução do compressor.
Combinado com um sistema de circulação de água fechada, a poluição da água é impedida de afetar a dissipação de calor.
Fonte do solo/fonte de água Resfriamento:
Use trocadores de calor de água subterrânea, água ou solo para extrair fontes frias naturais através de sistemas de bomba de calor, que é ambientalmente amigável, mas limitada pela localização geográfica.
Vantagens: reduz bastante o consumo de energia de resfriamento, o PUE pode ser tão baixo quanto 1,1 ou abaixo, verde e economia de energia.
Desvantagens: depende das condições climáticas ao ar livre (vantagens óbvias em áreas frias) e requer equipamentos adicionais de troca de calor.

3. Tecnologias e inovações de refrigeração -chave
Além dos métodos básicos acima, a tecnologia de resfriamento de data center está se desenvolvendo para alta eficiência, inteligência e baixa carbonização. A seguir, são apresentadas as atuais tecnologias mainstream e de ponta:
● Tecnologia de refrigeração de alta eficiência
Chiller de levitação magnética: Usando compressor de levitação magnética, sem perda de óleo lubrificante, a taxa de eficiência energética (COP) pode atingir mais de 10, o que é mais de 30% de economia de energia do que os chiller centrífuga tradicionais.
Resfriamento evaporativo: diminuindo a temperatura do ar absorvendo o calor através da evaporação da água (como umidificador de filme úmido + ventilador), adequado para áreas secas, pode reduzir bastante a demanda por refrigeração mecânica.
Resfriamento de fluxo bifásico: Usando a mudança de fase líquida (evaporação-condesação) para transferência de calor eficiente, como tubo de calor de loop (LHP) e tubo de calor pulsante (PHP), para dissipação de calor no nível do chip.
● Inteligência e otimização de eficiência energética
AI e aprendizado de máquina:
Analisar dados históricos por meio de algoritmos de IA, prever alterações de carga, ajustar dinamicamente os parâmetros operacionais de ar condicionado, ventiladores, bombas de água e outros equipamentos e atingir a otimização de eficiência energética (como a tecnologia DeepMind do Google pode reduzir o consumo de energia de refrigeração em 40%).
Monitoramento em tempo real de pontos quentes, ajuste automático de fluxo de ar ou distribuição de fluxo líquido para evitar superaquecimento local.
Twin digital: construa um modelo virtual do data center, simule os efeitos de diferentes soluções de refrigeração e otimize as estratégias de layout e operação e manutenção.
● Recuperação de calor residual e neutralidade de carbono
Reutilização do calor residual: Recicle o calor descarregado do sistema de resfriamento para aquecimento, água quente ou processos industriais (como o data center nórdico combinado com o sistema de aquecimento regional) para melhorar a utilização geral de energia.
Sinergia de energia verde: combine energia renovável, como fotovoltaicos e energia eólica para alimentar o sistema de refrigeração e reduzir as emissões de carbono; Alguns data centers usam células de combustível, cujo calor residual pode ser usado diretamente para aquecimento ou geração de energia.
Refrigerantes de fluidos de trabalho naturais: Use refrigerantes com baixo gwp (potencial de aquecimento global), como amônia (NH3) e dióxido de carbono (CO₂) para substituir o freon tradicional, em conformidade com os regulamentos ambientais (como os regulamentos da UE F-Gas).
● Popularização da tecnologia de resfriamento líquido de imersão
Com a explosão de IA e computação de alto desempenho, servidores de alta densidade (como clusters de GPU) promoveram o resfriamento líquido de imersão para se tornar um ponto quente:
Recursos do líquido fluorado: isolamento, ponto de ebulição baixo (cerca de 50-60 grau), adequado para o resfriamento de alterações de fase, não é necessário modificar o hardware do servidor.
Tendência de redução de custo: Com a aplicação em larga escala, o preço do líquido fluorinado diminuiu gradualmente e pode ser reutilizado (vida útil de mais de 10 anos) e as vantagens de custo de longo prazo são evidentes.

4. Cenários de seleção e aplicação da tecnologia de refrigeração
A seleção de soluções de resfriamento para data centers precisa considerar de maneira abrangente densidade de energia, localização geográfica, metas de orçamento e eficiência energética:

5. Tendências futuras de desenvolvimento
●Data Centers de baixo carbono e carbono zero:Impulsionados por políticas (como os objetivos de "duplo carbono" da China), resfriamento natural, recuperação de calor residual e energia renovável se tornarão mainstream, e o alvo do PUE se moverá em direção a 1. 0.
● Escala da tecnologia de resfriamento líquido:A IA e a computação de arestas acionam a demanda de alta densidade, o resfriamento de líquidos de imersão penetra de cenários de alta qualidade para centers de dados gerais e os padrões do setor (como especificações de resfriamento líquido de OCP) são gradualmente unificados.
● Dissipação de calor de precisão no nível do chip:O resfriamento por microcanal, o resfriamento por spray e outras tecnologias atuam diretamente no chip para reduzir a perda de caminho de transferência de calor.
● Inteligência de cadeia inteira:Do monitoramento de equipamentos à otimização global, a IA e a Internet das Coisas (IoT) estão profundamente integradas para obter "manutenção preditiva" e resfriamento adaptativo.
●Modularização e pré -fabricação:Armários de resfriamento líquido pré-fabricados e data centers do tipo recipiente são acelerados para implantar, reduzem o ciclo de construção e reduzem os custos de operação e manutenção

O sistema de refrigeração do data center é um link essencial para equilibrar o desempenho, o custo e a eficiência energética. A seleção de tecnologia precisa ser adaptada às condições e necessidades locais. Com a explosão da demanda de energia da computação e o avanço da transformação verde, o resfriamento líquido eficiente, o resfriamento natural e o gerenciamento inteligente se tornarão a direção central do desenvolvimento futuro, impulsionando a evolução dos data centers para "baixo carbono, eficiente e sustentável".