一、引言
　　
　　数据中心作为信息技术的核心，承载着众多服务器、存储与网络设备，运行时会产生大量热量。制冷系统若无法及时散热，IT设备性能将大幅下降，甚至宕机，严重影响数据中心运转。而且，制冷系统能耗占比高，在传统数据中心里可达总能耗的40%以上。因此，制冷系统对数据中心至关重要。
　　
　　随着数据中心发展，传统散热方式渐显不足，急需创新节能、高效散热的制冷技术，以满足数据中心在散热和能耗方面的新需求。
　　
　　二、数据中心常见制冷技术
　　
　　1.传统风冷直膨系统
　　
　　1）技术原理
　　
　　风冷直膨空调系统是传统冷却方式，由内机、外机构成，其系统见图1所示。内机含压缩机、膨胀阀与蒸发器，外机即冷凝器。制冷剂在压缩机驱动下，于系统循环，历经液-气-液的两相相变完成制冷。在蒸发器，制冷剂吸收机房热量沸腾成蒸汽，压缩机将其压缩至冷凝压力，送至室外冷凝器，在此冷凝成液体并放热。
　　
　　2）优缺点
　　
　　优点：
　　
　　成本低：设备简单，由室内机、室外冷凝器组成，初投与后期维护成本均较低。
　　
　　安装便捷：无需复杂管道工程，安装简便，可快速部署。
　　
　　可靠性高：技术成熟，故障点少，运行稳定。
　　
　　缺点：
　　
　　制冷效率有限：数据中心功率密度攀升，风冷应对高热密度服务器散热，制冷力渐难满足需求。
　　
　　能耗较高：靠压缩机持续供冷，设备能耗高，大型数据中心此问题突出。
　　
　　3）应用情况
　　
　　风冷技术是当下应用广泛的数据中心制冷技术之一，尤适中小型数据中心，以及对成本敏感、功率密度要求不高的场景。如企业内部小型数据中心、部分互联网企业边缘数据中心，因服务器数量少、功率密度适中，风冷能较好满足基本制冷需求。
　　
　　2.风冷氟泵系统
　　
　　1）技术原理
　　
　　风冷氟泵技术巧妙融合风冷直膨系统与氟泵自然冷。当室外温度低于室内，氟泵开启，制冷剂径直进入风冷冷凝器与室外冷源换热，冷却成液态后借氟泵回到蒸发器继续换热，达成节能目标，其系统见图2所示。氟泵空调主要有三种运行模式：
　　
　　（1）压缩机制冷模式
　　
　　室外温度高于设定值，无法利用自然冷源时，机组如同传统风冷直膨空调，压缩机运转，压缩制冷剂送至冷凝器散热液化，经节流装置进入蒸发器蒸发吸热制冷。
　　
　　（2）混合制冷模式
　　
　　室外温度低于设定值，氟泵启动供冷，冷量不足时压缩机补充。氟泵利用室外低温空气，减轻压缩机负荷，提升系统能效。例如春秋季，室外温度适宜，部分冷量由氟泵提供，不足部分由压缩机补齐，满足数据中心制冷需求。
　　
　　（3）氟泵自然冷模式
　　
　　室外温度足够低、室内外温差大时，压缩机停止，氟泵开启进入全自然冷模式，仅靠氟泵驱动制冷剂循环，充分利用室外自然冷源，节能效果突出。
　　
　　2）优缺点
　　
　　优点：
　　
　　节能显著：室外温度低时利用自然冷源，大幅减少压缩机工作时长，降低能耗。
　　
　　控温精准：制冷效率高，温度控制精准，契合对温度要求严苛的数据中心。
　　
　　适用广泛：温度适应范围广，适用于各类规模数据中心。
　　
　　缺点：
　　
　　开启受限：氟泵开启受室内外温差制约，室外温度不够低时无法启动，仍需机械制冷。
　　
　　占地问题：依赖室外冷凝器散热，机房室外空间有限或大规模建设时，冷凝器摆放成应用阻碍。
　　
　　3）应用情况
　　
　　在数据中心领域，氟泵空调系统应用广泛。
　　
　　（1）气候维度：
　　
　　寒冷及温带地区：北方多地冬季，氟泵空调可切换至纯泵制冷模式。室外低温作天然冷源，氟泵驱动制冷剂循环，压缩机启动大幅减少，节能30%-50%，降低运营成本。
　　
　　亚热带及部分温带地区：长三角等地春秋季，氟泵空调采用混合制冷模式。依据实时温度和数据中心制冷需求，协调氟泵与压缩机工作。氟泵利用室外相对低温空气散热，不足时压缩机补充，保障适宜温度，优化PUE值。
　　
　　（2）数据中心规模维度：
　　
　　大型数据中心：设备多、制冷需求大且稳定性要求高。氟泵空调系统凭借灵活切换运行模式，保障制冷稳定并控制能耗成本。低温时段用节能模式，炎热时压缩机全力制冷，众多知名大型数据中心已引入助力绿色运营。
　　
　　中小型数据中心：虽制冷需求相对小，但也需合适温度环境。该系统可依实际需求与环境温度灵活调整模式，满足制冷同时利用自然冷源降能耗，实现可持续发展。
　　
　　3.冷冻水系统
　　
　　1）技术原理
　　
　　数据中心冷冻水系统依靠冷冻水的循环达成制冷。制冷机组产出低温冷冻水，借由管道输往数据中心内的空调末端，像精密空调。在末端，冷冻水吸收热量，降低室内空气温度，为数据中心降温。吸收热量后的冷冻水回流至制冷机组，经再次冷却变回低温，周而复始。
　　
　　2）优缺点
　　
　　优点：
　　
　　制冷效果稳定：能稳定营造低温环境，契合数据中心严苛的温控要求，确保设备在适宜温度下平稳运行。
　　
　　可扩展性强：无论数据中心规模大小，都能依实际制冷需求，增减或调整制冷机组、管道等设备配置，适应其发展变化。
　　
　　集中管理控制：可在集中控制平台对整个系统监控管理，包括调控制冷机组运行参数、控制冷冻水流量，方便运维操作。
　　
　　缺点：
　　
　　初投资成本高：需购置并安装制冷机组、大量管道、水泵等设备，前期资金投入大。
　　
　　运行维护复杂：系统设备多、管道网络复杂，故障排查与修复难度大，需专业运维人员，维护成本较高。
　　
　　存在漏水风险：众多水管路存在破裂、接口漏水风险，一旦漏水，会严重损害数据中心设备。
　　
　　3）应用情况
　　
　　当下，大型数据中心多采用冷冻水系统制冷。云计算、大数据业务蓬勃发展，数据中心规模扩张，设备发热量猛增。冷冻水系统制冷能力强且稳定，能将低温冷冻水通过管道送至服务器机柜旁的空调末端，有效散热，保障设备稳定运行，降低过热故障风险。亚马逊、谷歌等国际知名数据中心，以及国内众多大型互联网企业的数据中心，均配备高效冷冻水系统。
　　
　　节能方面，许多数据中心结合当地气候优化冷冻水系统。寒冷地区，利用室外低温空气经板式换热器预冷冷冻水，减少制冷机组运行时间；温带地区，依季节调整运行模式，春秋季搭配自然冷源与机械制冷。
　　
　　为提升制冷效率与可靠性，部分数据中心持续升级改造冷冻水系统，采用先进磁悬浮冷机、优化管道布局、完善智能监控与控制系统等，以更好适应数据中心业务增长和能源管理需求。冷冻水系统已成为数据中心保障设备稳定、实现节能的关键制冷方式。
　　
　　4.液冷系统
　　
　　1）技术原理
　　
　　数据中心液冷技术，利用液体高比热容、良好热传导性实现高效散热。设备运行产生热量，传递给紧密接触的冷却液，冷却液在循环动力装置（如泵）作用下，于封闭回路持续流动带走热量。冷却介质与外界环境（冷空气、冷水等）热交换，散发掉热量，温度监测与控制系统确保冷却液温度适宜，保障设备稳定运行。主要应用形式有以下两种：
　　
　　直接液冷：冷却液直接接触发热芯片等关键部件，像浸没式液冷，服务器直接浸泡在冷却液中，靠液体流动带走热量，适用于高性能计算这类对散热要求极高的场景。
　　
　　间接液冷：常见如冷板式液冷，其系统见图3所示，在设备发热元件上安装特制冷板，冷却液在冷板内循环，热量经冷板传递给冷却液。这种方式灵活，对现有数据中心设备改造兼容性好，广泛用于常规数据中心机房，有效降低设备温度，维持数据中心稳定运行。
　　
　　2）优缺点
　　
　　优点：
　　
　　热传导效率高：液体比热容远大于空气，能吸收传递更多热量，快速带走数据中心设备热量。处理高功率服务器时，可让芯片等发热元件温度稳定，避免过热导致性能下降或设备故障。
　　
　　精准散热：能直接冷却发热源，冷板式液冷中，冷却液直接接触CPU、GPU等高热流密度元件，热量传递精准，散热均匀，避免局部热点。
　　
　　支持高密度部署：随着数据中心业务发展，设备密度要求提升。液冷技术解决高密度设备散热难题，为数据中心升级扩展提供支持，可在相同空间布置更多设备，提高空间利用率，降低单位设备散热成本。
　　
　　缺点：
　　
　　初始投资成本高：液冷技术设备及建设成本高昂，液冷服务器等组件价格贵。改造现有风冷数据中心难度大、花费多，涉及机房布局等多方面改动，经济负担沉重。
　　
　　维护难度较大：液冷系统维护复杂，冷却液需精细管理，参数偏差影响散热与设备保护，还有变质风险。系统密封要求高，故障排查复杂，增加运维成本与精力。
　　
　　兼容性和标准化问题：液冷技术应用尚未完全标准化，不同厂商设备在规格等方面存在差异，选型测试耗时费力。缺乏统一标准，既不利于数据中心采用，也限制其推广应用，阻碍行业发展。
　　
　　3）应用情况
　　
　　在数据中心领域，液冷技术逐渐被接受，应用情况与现状呈现多方面特点。
　　
　　应用方面：冷板式液冷应用较广，能精确冷却发热元件，但缺乏验证标准，成本偏高。浸没式液冷散热效果更好，却因初期成本高、产业成熟度低，多被大型互联网公司小批量尝试。喷淋式液冷也有应用，但占比小。
　　
　　使用现状：液冷技术优势突出。具备高效节能特性，相比传统风冷大幅降低能源消耗，契合绿色数据中心要求。能稳定服务器发热元件温度，提升设备稳定性，余热还能接入其他系统创造附加经济价值。
　　
　　随着人工智能、大数据发展，数据中心算力需求大增，服务器发热量剧增。液冷技术能应对高密度、高功率散热需求，市场需求日益增长。国内外众多企业和服务商加大投入与研发，推动产业加速发展。
　　
　　然而，液冷技术目前面临挑战。标准化不足致整体成本居高不下，运维因设备多样、缺乏统一监控标准且故障影响严重而复杂，再加上初始投资成本高，包括设备购置及改造费用等，这些在一定程度上限制了液冷技术在数据中心领域的快速普及。但总体来看，其发展潜力依旧可观。
　　
　　5.间接蒸发冷却
　　
　　1）技术原理
　　
　　间接蒸发冷却技术基于水蒸发吸热达成制冷。系统内有干、湿两个独立空气通道。室外干空气经干通道进入数据中心，室内热空气则走湿通道。湿通道中，水喷向气流，蒸发吸热致空气降温，随后通过热交换器，湿通道冷空气与干通道干空气换热，干空气降温后进入数据中心制冷，湿通道热空气排出，原理详见图4所示。
　　
　　2）优缺点
　　
　　优点：
　　
　　节能显著：利用水蒸发自然原理，无需像传统空调靠大量电能压缩制冷，在适宜气候下，能大幅降低数据中心制冷能耗。
　　
　　环保无污染：不采用氟利昂等污染环境的制冷剂，契合环保要求。
　　
　　对室内环境友好：室内外空气通过换热芯体间接换热，室外灰尘、杂质、污染物无法进入，保证数据中心空气洁净，利于服务器等设备稳定运行，且不影响室内湿度，避免电子设备因湿度变化受损。
　　
　　缺点：
　　
　　受环境制约：制冷效果受室外湿度、温度等气候条件影响大，高湿度地区或高温高湿季节，制冷效率明显降低。
　　
　　占地大：为确保足够换热面积与空气流通量，设备体积大，需占用较多机房或建筑外部空间，在土地资源紧张地区受限。
　　
　　换热芯体问题：一次空气与水不直接接触，但长期运行，水中杂质、微生物易附着在换热芯体表面结垢，影响换热效率；若水中含腐蚀性物质，还会腐蚀芯体，缩短设备寿命。
　　
　　3）应用情况
　　
　　近年来，间接蒸发冷却技术在数据中心应用渐多。实际应用常结合地区气候。在我国西北等凉爽干燥地区，可充分利用自然冷源，延长自然冷却时间。特制热交换设备让室外与室内回风间接换热，室外空气蒸发吸热使室内回风降温，减少机械制冷运行，降低能耗，提升能源效率，助力优化PUE指标。
　　
　　许多大型数据中心已采用，其模块化设计便于依规模与冷却需求灵活配置扩展。该技术保障设备运行温度效果好，室内外空气间接交换，避免室外杂质影响设备，且不改变室内湿度完成冷却。
　　
　　但目前应用存在局限。一方面，初投资成本高，给中小规模数据中心带来经济压力，阻碍广泛应用。另一方面，炎热潮湿地区或高温季节，室外空气湿球温度高，制冷效果差，常需搭配其他制冷手段满足全部制冷需求。总之，间接蒸发冷却技术在数据中心已见成效，但还需优化推广以适应更多场景。
　　
　　三、数据中心制冷技术发展趋势
　　
　　1）自然冷源利用增加
　　
　　数据中心制冷技术发展，自然冷源利用将迎来突破。一方面，借助技术进步，制冷系统会更智能地利用自然冷源，像在过渡季和冬季，优化控制与换热设备，多利用室外冷空气或冷水，减少机械制冷时长，提升能效、降低能耗与成本。另一方面，自然冷源技术不再受限，通过创新与系统优化，从传统地区拓展至更多不同气候区域，复杂气候地区也能有效利用自然冷源。
　　
　　2）液冷技术普及加快
　　
　　未来，数据中心液冷技术前景广阔。冷板式液冷因性能与成本平衡佳，将迈向成熟。其预制化程度持续提升，能更快安装交付，契合数据中心快速建设需求。冷板设计与制造工艺也会优化，增进冷却液与发热部件接触效率，强化散热，降低能耗。浸没式液冷凭借高效散热，应用将更为广泛。随着冷却液技术发展，其性能提升，绝缘性更好、粘度更低、热传导率更高，成本还逐渐下降，能满足更多数据中心，尤其是对散热要求苛刻的高性能计算数据中心需求。
　　
　　3）制冷系统智能化与自动化
　　
　　未来数据中心制冷系统将高度智能。它配备智能监控设备与管理系统，实时监测制冷设备运行状态、冷却液参数及机房温度分布等。借大数据分析和人工智能算法处理数据，预测潜在故障并提前维护。而且，该系统能依据负载、室外环境自动调节制冷量与运行参数，实现精确制冷；还会随能源价格波动，自动择取最优制冷模式与策略，降低能源成本。
　　
　　4）余热回收利用增多
　　
　　能源再利用与绿色发展是数据中心未来趋势。运行中数据中心会产生大量余热，未来将着重利用余热回收技术，把余热转化为热水、蒸汽，用于周边建筑供暖、热水供应，提升能源综合利用效率，减少浪费，实现能源循环。同时，余热回收技术还会与分布式能源系统结合，像用余热驱动制冷机为数据中心供冷，或与太阳能、风能等互补，构建高效绿色的能源供应体系。
　　
　　四、结论
　　
　　数据中心制冷技术一直在持续发展与创新。当下常见的传统风冷、风冷氟泵、冷冻水、液冷、间接蒸发冷却等技术，均各有其优缺点，且适用于不同的应用场景。
　　
　　随着数据中心规模的不断扩大、功率密度的持续提高以及对节能环保要求的日益提升，未来数据中心制冷技术必将朝着更高效率、更节能环保、更具适应性的方向迈进，多种制冷技术的混合应用也无疑会成为主流趋势。
　　
　　在后续的研究与实践过程中，有必要不断优化现有的各类制冷技术，积极探索新型制冷技术，全力提升系统的可靠性与适应性，以此来充分满足数据中心日益增长的散热需求，切实保障数据中心能够正常运行。
　　
　　作者简介
　　
　　田军，毕业于南京邮电大学，中国联通山东滨州公司副总经理，正高级工程师，工程硕士学位，山东省技术能手，山东省优秀科技工作者，主要从事数据中心基础设施电源空调、云创新网络研究与建设管理工作。
　　
　　编辑：Harris