Com que els centres de dades tenen equipament densament envasat i estan en funcionament continu, generen molta calor (cada servidor pot tenir una potència de diversos quilowatts a desenes de quilowatts). Si la calor no es pot dissipar a temps, comportarà un sobreescalfament d’equips, una degradació del rendiment i fins i tot un fracàs. Per tant, el disseny del sistema de refrigeració afecta directament l’eficiència energètica, la fiabilitat i els costos d’explotació del centre de dades. A continuació, es mostra una introducció detallada dels aspectes de la composició del sistema, els mètodes de refrigeració, les tecnologies clau i les tendències de desenvolupament.
1.Core components del sistema de refrigeració del centre de dades
El sistema de refrigeració del centre de dades normalment consisteix en les parts següents, que funcionen junts per aconseguir una transferència i descàrrega de calor eficients:
● Equipament lateral de la font de calor
Els components que generen calor, com ara servidors, dispositius d’emmagatzematge, equips d’alimentació (com ara UPS), etc., es refreden inicialment per ventiladors o dissipadors de calor passius.
● Mitjà de transferència de calor
Aire: el medi del sistema de refrigeració d’aire tradicional, l’eficiència de conducció de baix cost però de baix cost (la conductivitat tèrmica de l’aire és aproximadament 0. 026 w/m ・ k).
Líquid: el medi del sistema de refrigeració líquid, com l’aigua o refrigerants com l’oli mineral i el líquid fluorat, té una conductivitat tèrmica significativament més elevada que l’aire (la conductivitat tèrmica d’aigua és aproximadament {{0}}.
● Equips de refrigeració i dissipació de calor
Aire condicionat de precisió (CRAC/CRAH): proporciona l’aire fred de temperatura i humitat constant per controlar l’entorn del centre de dades (temperatura típica 20-24 grau, humitat 40%-60%).
Refrigerador: elimina la calor a través de la circulació de l’aigua, que s’utilitza habitualment en centres de dades grans o sistemes de refrigeració de líquids.
Torre de refrigeració/refrigerador sec: descarrega la calor a l’atmosfera exterior, dividida en refrigeració d’aigua (requereix aigua) i refrigeració en sec (refrigeració d’aire, estalvi d’aigua però menys eficient).
Intercanviador de calor: com ara l’intercanviador de calor de la placa i l’intercanviador de calor de la canonada de calor, que s’utilitza per a l’intercanvi de calor entre diferents suports.
● Components de gestió del flux d'aire/líquid
Conductes i conductes: guia el flux d’aire per aconseguir un aïllament fred i calent.
Pipeline de refrigeració de líquids: incloent bombes, vàlvules, comptadors de flux, etc. per assegurar la circulació del refrigerant.
Components a nivell de gabinet: com ara ventiladors del pla posterior, plaques fredes i dispositius de polvorització (refrigeració de líquids d’immersió).
● Sistema de control
Els sensors (temperatura, humitat, pressió) i controladors intel·ligents ajusten dinàmicament el funcionament dels equips de refrigeració per optimitzar l’eficiència energètica.
2. Classificació dels mètodes de refrigeració del centre de dades
A partir del mitjà de transferència de calor i del camí tècnic, els mètodes de refrigeració es poden dividir en tres categories: refrigeració d’aire, refrigeració de líquids i refrigeració natural. Cada mètode té diferents escenaris i avantatges i desavantatges aplicables.
● Refredament d'aire (refrigeració d'aire)
Principi: La calor de l’equip s’elimina pel flux d’aire i l’aire calent es refreda pel sistema d’aire condicionat i després es recicla o es descarrega a l’exterior.
Tecnologies típiques:
Refredament d'aire a nivell de l'habitació informàtic:
L’aire condicionat de precisió subministra l’aire directament a la sala d’ordinadors i l’aire calent torna pel sostre o sota el terra. El cost és baix, però l'eficiència energètica és mitjana (PUE és alta, aproximadament 1. 5-2. 0).
Mesures de millora: aïllament de canals calents i freds (tanqueu canals calents o canals freds per evitar la barreja de flux d’aire), el subministrament d’aire de la sota (utilitzant terres elevats per transportar l’aire fred, comú en els centres de dades tradicionals).
Refredament d'aire a nivell de gabinet:
El gabinet compta amb ventiladors integrats o aficionats al pla posterior per millorar la dissipació de calor d’un sol armari (adequat per a armaris de densitat mitjana, potència inferior o igual a 15 kW).
Combinat amb l’aire condicionat inter-files (l’aire condicionat es desplega entre les files del gabinet per escurçar el camí del flux d’aire i millorar l’eficiència).
Avantatges: tecnologia madura, baix cost de desplegament, fàcil manteniment.
Inconvenients: baixa capacitat de calor de l’aire, eficiència insuficient en escenaris d’alta densitat de potència (actualització a refrigeració de líquids quan potència d’un sol gabinet> 20 kW).
● Refredament de líquids (refrigeració de líquids)
Principi: Utilitzeu un medi líquid per contactar directament o indirectament amb els components que generen la calor, traieu la calor a través de la circulació i, a continuació, transferiu la calor al sistema de refrigeració exterior a través de l’intercanviador de calor.
Classificació i tecnologia:
Refredament líquid indirecte (tipus de placa freda):
Els components que generen calor (com la CPU, la GPU) es posen en contacte amb la placa freda metàl·lica i el refrigerant (aigua o líquid no conductor) flueix a la placa freda per absorbir la calor sense contactar directament amb els components electrònics.
Avantatges: alta seguretat (el líquid no conductor és opcional), compatible amb l’arquitectura del servidor existent i una baixa dificultat de transformació.
Aplicació: escenaris informàtics d'alta densitat (com ara servidors AI, clústers HPC), la potència d'un sol gabinet pot arribar a 20-50 kW.
Refredament líquid directe (immersió):
El maquinari del servidor està completament immers en líquid fluorat no conductor o oli mineral. El líquid absorbeix la calor i es vaporitza, i el vapor li licita i flueix a través del condensador (refrigeració de canvi de fase, major eficiència).
Avantatges: Eficiència de dissipació de calor extremadament elevada (la potència d’un sol gabinet pot arribar a superar els 100 kW), cap ventilador necessari, soroll baix, PUE pot ser tan baix com 1,05 o menys.
Aplicacions: informàtica d’alt rendiment, granges mineres blockchain, clústers de formació a IA a gran escala.
Raspalles de refrigeració de líquids:
El refrigerant es ruixa a la superfície de l’element de calefacció a través d’una boquilla, combinada amb l’evaporació per absorbir la calor, que es troba entre el tipus de placa freda i el tipus d’immersió.
Avantatges: alta eficiència de dissipació de calor, PUE reduïda significativament i suport per a la densitat de potència ultra alta.
Desavantatges: Alta inversió inicial (calia de gabinet i canalització necessària), una alta complexitat de manteniment i una gestió professional de refrigerants.
● Refredament natural (refrigeració gratuïta)
Principi: Utilitzeu fonts de fred naturals a l’aire lliure (com l’aire de baixa temperatura, les aigües subterrànies, les torres de refrigeració) per substituir la refrigeració mecànica per reduir el consum d’energia.
Tecnologies típiques:
Refredament natural de l'aire:
Refredament d'aire fresc: l'aire a l'aire lliure a l'aire de baixa temperatura s'introdueix directament al centre de dades després de la filtració (la humitat i la pols s'han de controlar estrictament) i l'aire calent es descarrega a l'aire lliure.
Intercanviador de canonades de calor/calor: la calor interior es transfereix a l’exterior a través de canonades de calor o intercanviadors de calor de la placa per evitar la barreja directa d’aire (adequat per a zones amb humitat elevada).
Refredament natural de l'aigua:
Utilitzeu torres de refrigeració o refrigeradors secs per utilitzar els refrigeradors directament per proporcionar aigua de refrigeració a baixa temperatura quan la temperatura exterior és baixa, reduint el temps de funcionament del compressor.
Combinat amb un sistema de circulació d’aigua tancat, es impedeix que la contaminació de l’aigua afecti la dissipació de la calor.
Font de terra/Font d’aigua: refrigeració:
Utilitzeu les aigües subterrànies, els intercanviadors de calor de l’aigua o del sòl per extreure fonts naturals de fred a través dels sistemes de bombes de calor, que són respectuosos amb el medi ambient però limitats per la ubicació geogràfica.
Avantatges: Reduir considerablement el consum d’energia de refrigeració, PUE pot ser tan baix com 1,1 o inferior, estalvi verd i energia.
Desavantatges: depèn de les condicions climàtiques exteriors (avantatges evidents a les zones fredes) i requereix equips addicionals d’intercanvi de calor.
3. Tecnologies i innovacions de refrigeració clau
A més dels mètodes bàsics anteriors, la tecnologia de refrigeració del centre de dades es desenvolupa cap a alta eficiència, intel·ligència i baixa carbonització. A continuació, es mostren les tecnologies actuals principals i de retallada:
● Tecnologia de refrigeració d’alta eficiència
Refrigerador de levitació magnètica: utilitzant compressor de levitació magnètica, sense pèrdua de petroli lubricant, relació d’eficiència energètica (COP) pot arribar a més de 10, que suposa més del 30% d’estalvi d’energia que els refrigeradors centrífugues tradicionals.
Refredament evaporador: disminuir la temperatura de l’aire absorbint la calor a través de l’evaporació de l’aigua (com l’humidificador de pel·lícules humides + ventilador), adequada per a zones seques, pot reduir molt la demanda de refrigeració mecànica.
Refredament de flux de dues fases: utilitzant el canvi de fase líquid (condensació d’evaporació) per a una transferència de calor eficient, com ara la canonada de calor del bucle (LHP) i la canonada de calor pulsant (PHP), per a la dissipació de calor a nivell de xip.
● Optimització d’intel·ligència i eficiència energètica
AI i aprenentatge automàtic:
Analitzeu les dades històriques mitjançant algoritmes d’AI, prediuen els canvis de càrrega, ajusteu dinàmicament els paràmetres de funcionament dels condicionadors d’aire, els ventiladors, les bombes d’aigua i altres equips i aconsegueixen l’optimització d’eficiència energètica (com la tecnologia DeepMind de Google pot reduir el consum d’energia de refrigeració en un 40%).
Monitorització en temps real de punts calents, ajust automàtic de la distribució de fluxos d’aire o de flux de líquid per evitar el sobreescalfament local.
Twin Digital: creeu un model virtual del centre de dades, simuleu els efectes de diferents solucions de refrigeració i optimitzeu les estratègies de disseny i funcionament i manteniment.
● Recuperació de calor i neutralitat del carboni
Reutilització de calor de residus: recicleu la calor descarregada del sistema de refrigeració per a processos de calefacció, aigua calenta o industrial (com el centre de dades nòrdic combinat amb el sistema de calefacció regional) per millorar la utilització general de l’energia.
Synergy Energy Green: Combina energia renovable com la fotovoltaica i l’energia eòlica per alimentar el sistema de refrigeració i reduir les emissions de carboni; Alguns centres de dades utilitzen piles de combustible, la calor residual de la qual es pot utilitzar directament per a la calefacció o la generació d'energia.
Refrigerants naturals de líquids de treball: utilitzeu refrigerants baixos de GWP (potencial d'escalfament global) com l'amoníac (NH3) i el diòxid de carboni (CO₂) per substituir el freó tradicional, en compliment de les regulacions mediambientals (com la normativa de GAS de la UE).
● Popularització de la tecnologia de refrigeració de líquids d’immersió
Amb l’explosió d’IA i informàtica d’alt rendiment, els servidors d’alta densitat (com els clústers GPU) han promogut el refredament de líquids d’immersió per convertir-se en un punt calent:
Característiques del líquid fluorat: aïllament, punt d'ebullició baixa (aproximadament 50-60 grau), adequades per al refredament del canvi de fase, sense necessitat de modificar el maquinari del servidor.
Tendència de reducció de costos: amb aplicació a gran escala, el preu del líquid fluorat ha disminuït gradualment i es pot reutilitzar (vida útil de més de 10 anys) i els avantatges de cost a llarg termini són evidents.
4. Escenaris de selecció i aplicació de la tecnologia de refrigeració
La selecció de solucions de refrigeració per als centres de dades ha de considerar de forma exhaustiva la densitat de potència, la ubicació geogràfica, el pressupost i els objectius d’eficiència energètica:
| Escenari | Mètode de refrigeració recomanat | Pue típic | Potència d'un sol gabinet |
| Densitat de baixa potència (<5 kW) | Refredament d'aire a nivell de l'habitació d'informàtica + aïllament de canals freds i calents | 1.5-1.8 | Menys o igual a 5 kW |
| Densitat de potència mitjana (5-20 kw) | Refrigeració d'aire a nivell d'armari + aire condicionat de fila a fila | 1.3-1.5 | 5-20 kw |
| Densitat d'alta potència (20-50 kW) | Placa freda refrigeració de líquids + refrigeració natural | 1.1-1.3 |
20-50 kw |
| Ultra-high power density (>50 kW) | Refrigeració líquida immersa + recuperació de calor de residus | 1.05-1.1 | 50-100 kw+ |
| Zones fredes | Refrigeració natural (aire/costat de l’aigua) + refrigeració auxiliar | 1.08-1.2 | Flexible |
| Zones àrides | Refrigeració evaporadora + refrigeració natural | 1.1-1.3 | Flexible |
5. Tendències futures de desenvolupament
●Centres de dades baix en carboni i zero-carboni:Impulsat per polítiques (com els objectius de "doble carboni" de la Xina), el refredament natural, la recuperació de calor de residus i les energies renovables es convertiran en el corrent principal, i l'objectiu de PUE es desplaçarà cap a 1. 0.
● Escalada de la tecnologia de refrigeració líquida:L’AI i la computació de l’AI i la reducció de la demanda d’alta densitat, el refredament de líquids d’immersió penetra des d’escenaris de gamma alta fins a centres de dades generals i els estàndards de la indústria (com ara les especificacions de refrigeració de líquids OCP) s’unifiquen gradualment.
● Dissipació de calor de precisió a nivell de xip:El refredament de microcanal, el refredament de polvorització i altres tecnologies actuen directament sobre el xip per reduir la pèrdua de la ruta de transferència de calor.
● Intel·ligència de cadena completa:Des del control dels equips fins a l’optimització global, l’IA i Internet of Things (IoT) estan profundament integrades per aconseguir un “manteniment predictiu” i un refredament adaptatiu.
●Modularització i prefabricació:Els armaris de refrigeració líquid prefabricats i els centres de dades de tipus de contenidor s’acceleren per desplegar, reduir el cicle de construcció i reduir els costos de funcionament i manteniment
El sistema de refrigeració del centre de dades és un enllaç clau per equilibrar el rendiment, el cost i l’eficiència energètica. La selecció de tecnologia ha d’estar adaptada a les condicions i necessitats locals. Amb l'explosió de la demanda de potència informàtica i l'avanç de la transformació verda, el refredament líquid eficient, el refredament natural i la gestió intel·ligent es convertiran en la direcció fonamental del desenvolupament futur, impulsant l'evolució dels centres de dades cap a "baix carboni, eficient i sostenible".
