数据中心高热密度设备散热全攻略_数据中心节能

多年来，由于增加服务器的密度并减少其体积的大小，服务器的密度变得越来越高，另外随着虚拟化、云计算等应用技术的广泛应用，数据中心正日益产生更多的热量。因此，每平方英尺产生热量的瓦数正在不断上升，这种功率密度的增加严重威胁着数据中心的稳定运行。根据有关研究报告表明：发热密度超过5kW/机柜，采用制冷效率高的机房空调地板下送风形式，也会在机柜的顶部产生局部热点，容易导致设备过热保护。

随着高性能计算机的普及、数据中心设备利用率提高、刀片服务器的大量应用，针对高功率密度和发热密度，机柜内的供电、散热问题成为数据中心发展的关键。为解决数据中心高热密度设备散热制冷问题，目前大致有高热密度区域解决方式、局部热点解决方式、专用高热密度机柜等方式。

高热密度区域解决方案

高热密度区域解决方式是，将高热密度设备集中布置在机房内，形成高热密度区域，在此区域中采用相应的高热密度制冷方式。例如：将相关机柜封闭，隔离冷、热气流，防止冷热气流混合而降低制冷效率。通常的做法是，将机柜的冷风通道空间封闭。

高热密度区域封闭冷风通道空间气流分布

高热密度区域封闭冷风通道空间应用

该做法可以确保在机房中，冷、热气流完全隔离，而冷、热气流不在有混合，机房空调送出的冷风全部用于设备制冷，将静压箱延伸到了机柜的正面空间，充分利用了机房空调的制冷量，提高了冷却效率，解决了设备的高热密度散热问题。这种方式需要将高热密度设备集中布置，进行集中统一的制冷、供电等管理。因此，要求在数据中心设计阶段做好规划、将高热密度设备与普通发热设备分开，集中布置、管理。业界也有将机柜后部空间封闭的做法，以便在机柜正面对设备进行操作和维护。

冷风通道空间封闭的高热密度区域解决方式，简单易行，可却道高热密度机柜内设备正常散热和工作，同时也能实现比一般机房空调送风方式更高的制冷效率。限于机房空调送风制冷量，这种方式的可解决的热密度不如其他几种加强制冷的高热密度制冷方式。业内还有通过封闭机柜，将冷风封闭在机柜内正面空间的做法，该做法可压缩冷风道的空间，但机柜内制冷能力较低。

局部热点解决方式

局部热点解决方式是，在机房空调对机房整体空气调节的基础上，针对高热密度设备发热而导致机房空调送风无冷却的局部热点区域，采取加强制冷处理，即在容易形成局部热点的区域中，放置相应制冷终端，加强局部热点区域的制冷循环，以确保机柜内的设备正常散热和工作。

为机房顶部加装制冷终端的方式。通过挂在机房天花板上的制冷终端内的蒸发器，冷却机柜背面排出的热风，直接向产生局部热点的机柜正面送冷风，消除局部热点，以保证高热密度设备的散热。制冷主机系统通过相关管道，为机房内各个制冷终端提供制冷剂，以带走制冷终端冷却高热密度设备排出的热空气产生的热量。采用这种方式，单机柜的制冷量可达到30kW.

机房顶部加装制冷终端的方式

这种方式布置灵活，，可根据机房设备布置情况，在高热密度区域加装制冷终端；并可以根据扩容规划，在数据中心建设初期铺设管道，随着数据中心应用扩容，增加相应的制冷终端和主机。

冷媒采用制冷剂形式，安全可靠，杜绝了机房进水带来的危险。

但这种在局部热点区域中加强制冷的形式需要加装制冷终端，需要占用机房相关空间，因而要求在数据中心设计初期做好规划，以便加装相关设备和铺设管道。

业界还有在高热密度机柜顶部、侧面、北、背部加装加强制冷的制冷终端方式，冷媒也有制冷剂和冷却水等方式。这些制冷方式都是配合机房空调制冷系统，加强局部热点区域制冷的解决方式。

高热密度封闭机柜

高热密度封闭机柜采用柜内直接制冷的方式，机柜内设备运行发出的热量通过机柜内空气循环，经机柜内热交换器，通过水冷循环回路，传递到机柜外的冷冻水系统或机房空调系统中。

高热密度机柜为封闭机柜，机柜内空气独立循环。机柜内由风扇带出服务器排出的热风，送入机柜底部的空气-冷却水热交换器，将空气冷却，在送回服务器正面，完成机柜内空气循环，实现高热密度服务器的散热。由于机柜内空气循环路径短，散热效率高。

封闭式水冷机柜的应用示例图

采用冷却水系统与高热密度机柜连接，带走机柜内热量，由于水冷热交换器具有高效率，可满足单机柜高达35kW的制冷量。机柜内空气循环，回路气流量小，并可允分利用服务器风扇，系统效率高。

这用形式的机柜完全封闭，制冷循环在机柜内完成。机柜与机房环境基本独立，有利于迅速、准确地控制每个机柜内环境，减少制冷能量在机房内的浪费，并可减少机房内的大量噪声。

由于封闭式机柜需要冷却水将热量带出机柜，需要将冷却水进入机房，所以带来了漏水和结露的隐患。因此，系统需要的冷却水由一个中间热交换单元提供，确保机房内的冷却水的温度高于机房的露点温度，防止结露的危险；同时保证冷冻水的流量稳定，确保末端机柜内空气温度的精确控制。在机房工程和机房管理上，必须做好防漏水措施和预警管理。

业界还有在机柜的侧面放置热交换器的方式，同时热交换器可采用模块化设计，可根据机柜内发热设备的增加，增加热交换器模块，实现机柜制冷能力的灵活配置。

其他高热密度制冷方式

除了机房整体解决方式和高热密度封闭机柜外，还有其他高热密度制冷方式，如对芯片直接制冷，将冷媒（如制冷剂、制冷液、二氧化碳等）送到发热的芯片上，直接吸收芯片发出的热量。例如AMC技术通过制冷液体直接吸收CPU芯片发出的热量，可实现芯片上1000W/cm2的散热量（传统CPU风冷形式，可实现芯片上250W/cm2的散热量）。