数据中心冷却系统及演进路线

根据CDCC研究数据（50个数据中心样本采集的数据，且已运行一定时间），数据中心主机房的冷却方式为58.8%采用冷冻水冷却，58.8%采用冷冻水冷却使用空气冷却系统。 低于38.2%，使用间接蒸发冷却系统的比例为2.9%。

据CDCC调查数据显示，配电室冷却方式中冷冻水系统占41.2%，风冷系统占55.9%，间接蒸发冷却占2.9%。 从数据呈现的比例来看，比较符合实际情况，间接蒸发冷却系统占比较小。

数据中心冷却系统分为两类：集中式和分散式。 分散式是指统一冷却的形式，最早部署在缺水地区或小型机房，以及现在的一些电力机房。 集中制冷主要分为冷水系统和冷却水系统。 在缺水地区，适宜部署风冷冷冻水系统。 风冷主机布置在屋顶，通过风扇散热； 水源丰富的大中型数据中心适合部署水冷冷冻水系统，通过冷却塔散热。 需安装集中式水冷冷冻水系统室内制冷机房及室外冷却塔布置空间； 早期，一些运营商要求机房不能进水，通过恒温恒湿终端空调和壳管式冷凝器实现冷却水式空调系统。 近年来，冷却水系统已采用液冷方式，机房采用换板方式实现。

国内大型数据中心传统的冷却系统仍以集中式冷水系统为主，针对不同的气候条件采取不同的节能方式。

数据中心制冷系统形式的演进路线，首先看风侧的演进路线，即从自然冷却的风冷冷水机组，到直接新风冷却，再到间接蒸发冷却的演进。 空侧自然冷却主要采用自然冷源，风冷冷冻水主机+自然冷却，最早应用于运营商和互联网公司的数据中心项目。 风冷式冷水机组有自己的冷却装置和外部干式冷却器。 在很多案例中都有应用，可以解决缺水、室内冷站空间布局等问题。

2015年左右，一些互联网项目采用风冷冷水机，用新风直接冷却。 通过优化控制系统，在部分地区使用效果显着，节能效果明显。 近年来，间接蒸发冷却通过空对空换热器得到迅速部署，并在一些数据中心案例中得到广泛应用。

氟侧自然冷却是最早的风冷氟泵系统。 在普通风冷空调机组上增加一台氟泵节能泵，实现节能运行。 广泛应用于小型数据机房、电力机房。 随着节能技术要求的提高，采用V型室外机，减少安装空间，在氟泵的基础上采用变频技术，室内机与室外机一体化； 一体化布局等技术优化，机组可侧装或顶部安装，模块布置，分期部署灵活。

热管多连接系统近年来也在数据中心项目中得到推广应用。 它主要利用制冷剂的相变。 室内侧可采用热管柱和背板的形式。 节能效果明显。 这就是氟侧自然冷却的演变路线。

水侧自然冷却是比较传统的，而且采用的冷却方式也比较多。 水侧自然冷却最早的演化路线是水冷冷水机组+板片更换+冷却塔，通过三种不同的运行模式延长自然冷却时间。

蒸发式冷凝冷水机组采用一体式机组，可实现快速部署，通过蒸发式冷凝器散热，并配备自然冷却器，实现节能运行。

间接蒸发式冷却塔，通过在冷却塔进风侧增设预冷换热器或表面冷却器，在一些干冷地区，冷却水出口温度等于或低于环境湿球温度，增加自然冷却时间，实现节能运行。

以上就是数据中心冷却系统的演进路线。

数据中心高效主机设备的演进路线已从传统的水冷式冷却塔转变为部分采用间接蒸发式冷却塔以延长自然冷却时间。 冷水机组也从最早的定频冷水机组，发展到变频冷水机组、磁悬浮冷水机组，再到现在的高压变频离心机组和空气悬浮冷水机组等，并不断衍生出节能产品。

数据中心高效末端冷却方式的演进路线是最早的机房级精密空调，封闭的冷热通道通过气流组织实现节能。 从机房级到行级，靠近机柜，再到机柜级背板，最后到芯片级液冷。

制冷系统常见故障分析

据CDCC调查数据显示，数据中心冷却水系统中水泵的故障率最高，占52.9%，控制系统、冷水机组和供水系统的故障率各占30%以上。 有冷冻水机房、冷却塔、水处理系统、冷储罐等专用空调。 调查数据是两年内至少发生过一次的数据。

据数据中心空冷系统故障研究统计，压缩机故障占67.6%，室外风扇占29.4%，控制系统占26.5%，室内风扇占17.6%，内部使用的通用设备故障率五年相对较低，这么高的压缩机故障率应该安装五年以上。 由于室外风机工作环境恶劣，故障率高，控制系统也同样如此。

设计问题占制冷系统故障主要原因的26.5%。 相信设计院的同事看到这个数据都会心疼。 首先，从设计角度来说，应该选择专业的设计机构。 在规划建筑方案时，采用合理的布局，在管井、空间等方面考虑一定的冗余，这样在系统以及设备的后期扩展中就不会再出现设计问题。 ，使用寿命长的问题，平时运维要跟进，及时更新，做好设备维护等工作。

接下来对各个单数据中心的故障进行简要分析。

从数据中心冷却水系统故障比例来看冷水机组 楼宇自控，水泵故障占52.9%。 水泵非常简单。 为什么失败率这么高？ 我们先来说说端吸泵。 目前，小型机房工程多选用端吸泵。 端吸泵的标准连接方法可参考示例图。 在我们的项目案例中，水泵出口有异径接头和软连接。 有些项目由于空间有限，现场施工时通常不建议将柔性接头连接到立管上，因为这种情况下立管的底部支撑需要弹性固定，不能直接固定。 建议遵循专业标准进行水泵安装。

端吸泵连接示例图（标准连接）

双吸泵多用于数据中心。 双吸泵通常有弹簧减震器、减震器和泵座。 连接管道出口处除伸缩缝外还应加异径接头，加软连接。

双吸泵连接示例图

双吸泵减震基础

水泵的常见故障与连接管的安装密切相关。 正确的连接方法不能直接用弯头给水泵供水，而必须有一定的直管段，水泵的吸入管应防止气蚀。 进出泵的管道必须充分控制，使流量不致过高，管道连接处不能产生气穴，以免运行时产生噪音，引起泵振动。

数据中心冷水机常见故障

冷凝器结垢

常见故障是冷水机温差小。 北方水质较硬，南方水质稍好。 如果清洁不到位，微小的温差就会在10℃以上。 冷水机的小温差是指冷凝器制冷剂的饱和温度和冷凝器的冷却效果。 出水温度差异，新冷水机温差较小，约为1.5℃。 建议实际运行中冷水机的小温差控制在3℃左右，可以在一定程度上缓解冷凝器的结垢情况。 小温差增大，需要定期清洗冷凝器，如果传感器出现故障则需要更换传感器。

机组老化和漏电问题

1、机组加减机、导叶电机因老化而老化，需定期检查；

2、如果冷水机是封闭式电机，轴封和电机布置在外壳内，冷却水温度过低，润滑油容易跑入冷凝器等，则需要由冷却水侧电动阀控制，请厂家及时处理；

3、制冷剂泄漏问题，主要泄漏是连接管道、安全阀等接头密封造成的氟的泄漏，需要定期检查接头的密封情况。

蒸发压力太低

冷水回水温度过低，调整设定值；

冷水流量不足，检查水系统；

蒸发器换热器结垢严重，应清洗蒸发器管道；

节流阀开度不足，应调整节流阀开度；

传感器故障，需要更换传感器；

制冷剂泄漏、检漏、泄漏修复、制冷剂补充；

冷凝压力低，应调节冷却塔风机风量。

冷凝压力过高

冷却水入口温度过高，检查冷却塔工作状况；

冷却水流量不足，检查水系统；

冷凝器换热管结垢严重，应拆除；

若有空气等不凝性气体，应回收制冷剂，抽真空并重新充注；

节流阀开度不够，调整节流阀开度；

制冷剂加注过多，应回收多余的制冷剂；

冷凝器脏堵，应清洗冷凝器管道。

数据中心控制系统常见故障

数据中心控制系统的关键是设计深化方法和施工安装质量、控制模块的冗余度、流量计等设备的精度以及合理的点位和布线。 数据中心的管道流量计要求精度为0.5%，温度计必须达到±0.2。 系统设计时必须考虑原则上控制系统的故障不能影响制冷系统的正常运行。 群控控制器设置主备，辅泵控制器设置主备，数据中心主控制器需要冗余配置。

控制系统常见故障有冷却水流量计量问题、传感器问题、阀门故障、电动阀门开关不动作、强电线弱干线干扰等考虑。

数据中心冷却塔常见故障

进气格栅防冻剂

格栅外侧防冻措施和格栅内侧防冻措施。

防冻水盘

通过设计控制出水温度（不能太低）； 为水盘安装电加热器，防止水盘内的水结冰。 通常冷却塔的最低出水温度不低于6℃左右。

包装防冻剂

要控制循环水量。 减少水流量会导致通过填料的水流不平衡，应定期检查设备的配水系统，确认设备的配水均匀。

其他部位防冻剂

主要针对浮球阀的防冻，选择安装电子水位控制器来代替标准的机械浮球补水装置，控制精度高并解决结冰问题。

图：数据中心冷却塔常见故障及解决方法

数据中心机房水冷空调常见故障

水冷常见故障比较简单，主要是水温和流量问题，其中包括水阀故障

温度传感器、水浸传感器故障、油分离器漏油、温度传感器连接松动导致温度显示不正常、压力传感器故障、BA监测线断线等，如有出现应及时处理出现上述故障。

数据中心冷库常见故障

冷库的易损部件有液位传感器、压力传感器、温度传感器装置，在系统安装和运行维护时需要特别注意。

数据中心水处理要求及常见问题

数据中心水源包括：

市政自来水：一般用于冷却塔补水；

软化水：一般用于冷冻水恒压补水、加湿补水、间接蒸发冷却等；

去离子水：一般用于液冷系统板更换二次侧，部分间接蒸发冷却水补充；

中水：一般用于冷却塔补水和间接蒸发冷却补水。

水处理方案首先要严格按照规范执行，一切水处理必须根据工程实际情况和工程水源地实际情况进行。

数据中心水处理问题及常见解决方案

水处理的主要问题包括冷凝器结垢、管道设备腐蚀、微生物生长等，其他问题还包括维持浓缩比低、污水排放量大，特别是在水质硬度高、碱度高的北方； 水质控制较差，人工工作量大且存在安全隐患。 建议选择智能设备，防止弱酸对设备造成腐蚀； 废水应排入污水系统，不达标的不能直接排放，污染环境； 化学品储罐需要纳入危险废物管理。 常见的水处理方法有：1.预膜清洗（二次镀锌）2.配套球清洗装置的机组3.加药系统4.侧过滤系统（砂滤器）5.软化水系统6.冷却塔吹扫系统7、脉冲电磁波系统8、全过滤一体化水处理设备等。水处理方案需要根据工程实际情况选择合理的处理方案。

数据中心风冷系统故障分析

风冷系统面临的主要问题是压缩机的故障。 造成故障的主要原因包括安装问题：建议采用氮气保护焊接工艺，保证铜管的清洁度，以保证管道的清洁度。 管道内的焊渣对压缩机影响较大； 二是润滑故障。 问题：由于管路较长，回油不足，鉴于安装管路较长，安装条件较差，建议机组加装油分离器、储液罐等附件，以保证压缩机的正常运行。 其他包括低气流警报、电源相序警报和传感器故障。

风冷系统的常见故障还包括夏季高电压报警、冬季低电压报警等。 如果风冷系统出现上述故障，需要及时复位。

调查样本中并未涉及热管系统，但热管系统在数据中心已有一定程度的应用。 热管系统的常见故障主要是管道安装不合理的问题。 需要注意的是，重力热管系统的管道安装保证坡度要求，严禁穿越管道造成制冷剂管道积液。此外，还存在出风口温度异常、风机等问题。故障、设备通讯异常、制冷剂泄漏等，发现问题需要及时关注和处理。

间接蒸发冷却的主要故障点：

1、传热效率下降，制冷能力不足

2、换热器阻力增大导致风压不足导致制冷量不足

3、设备、管道密封造成的结冰问题

4、定期清洁，运维工作量大

间接蒸发冷却水系统常见问题：

1、换热器结垢

2、换热芯体表面盐分分析及水分布不均匀

3、由于空气灰尘、柳絮等原因导致水盘积灰、管道堵塞。

4、微生物堵塞换热芯

水化系统解决方案：

1、软化处理：

采用离子交换树脂，有效去除盐垢

问题：无法处理沉积物、盐结晶和微生物腐蚀

2.反渗透处理：

采用反渗透膜，去离子，有效抑制结垢、盐结晶和沉积

问题：出水仍存在微生物腐蚀风险，出水呈弱酸性，对设备存在腐蚀风险

日常维护解决方案：

1、设置合理的浓度倍数：设置在线水质监测，根据PH值、电导率等自动控制污水排放。

2、定期对机组进行化学加药处理，减少灰尘、污垢等风险

3、定期进行常规水质检测，及时解决系统问题

结论：

数据中心制冷系统常见故障：

设计：首先，在包括合理的系统设计、正确的设备选型和配置、优化的管道系统和控制系统在内的专业设计方案的前提下，在施工和调试过程中积极配合施工安装，解决不合理的问题，最大限度地减少设计问题

设备：产品配置应满足设计要求，产品性能可靠，智能控制是关键

运维：严格执行管理流程，提高分析和处理问题的能力，积累经验，不断提高运维技术水平，积极跟踪长寿命设备的状况，及时解决系统故障及时地。

随着“国家双碳”政策和“东算西算”战略的快速推进，未来数据中心制冷系统低碳节能技术将迎来新的机遇和挑战，要求建设、设计、运维、设备制造商等各方将共同努力，推动新技术应用，确保数据中心制冷系统安全、可靠、节能运行。