模块化数据中心如何利用可扩展冷却技术
模块化数据中心 通过优先考虑可扩展性和效率，这些技术正在重塑冷却系统的运行方式。与传统配置不同，这些中心通过实施以下措施来避免过大且闲置的冷却容量： "按需付费" 该模型。这种方法可以降低能源消耗和成本，其中制冷仅占总能耗的 25–40%。.
主要策略包括：
- 模块化冷却设计从小规模开始，根据需要逐步扩大，避免浪费资源。.
- 变速部件压缩机和风扇会根据实时需求调整输出，从而降低电源使用效率 (PUE)。.
- 先进的冷却方法: 诸如冷水系统、直接液冷和浸没式冷却等方案可满足高密度工作负载的需求。.
例如：
- 精密空气冷却 适合中等需求，PUE 为 1.3–1.5。.
- 浸没式冷却 支持极高的密度（每机架 100kW 以上），PUE 低至 1.02。.
这些系统也集成了 可再生能源 和 区域冷却 为了进一步提高效率，确保快速部署和节能。无论是处理人工智能工作负载还是边缘计算，模块化设计都能提供量身定制的冷却解决方案，同时降低成本和能源消耗。.
适用于现代数据中心的模块化、灵活、可扩展的空气和液体冷却系统 | Vertiv™ CoolPhase
模块化冷却设计的核心原则
模块化数据中心的可扩展冷却系统基于两个关键理念： 模块化建造 和 即时输出调整. 这些原则共同作用，有助于减少浪费，提高效率。.
模块化设计便于扩展
可以将模块化设计视为一种"积木式"方法。运营商可以从所需的功能入手，并随着 IT 需求的增长进行扩展。模块化系统无需预先安装庞大的冷却系统，避免了闲置设备无谓耗能的问题。.
以AIRSYS Optima2™系统为例。它最多可实现 16个单位 这些模块既可独立运行，也可作为一个整体系统运行。当需求增加时，运营商可以通过标准化的连接无缝添加更多模块。数据中心能源工程师比尔·科西克指出，虽然为每个模块增加冗余会增加复杂性，但其优势显而易见：互连的模块可以共享备用容量，从而确保正常运行时间，而无需大型冗余的中央数据中心。.
这种模块化方法还解决了另一个挑战：劳动力短缺。工厂预制的冷却单元运抵目的地。 预先测试和预先调试, 这样就避免了现场施工的延误和潜在错误。对于缺乏熟练技术人员的偏远地区来说，这种即插即用的解决方案通常是最实用的选择。.
但物理模块化只是成功的一半。效率还取决于能够实时适应的组件。.
用于需求调节的变速组件
变速压缩机、风扇和水泵是可扩展冷却系统的核心部件。与固定速度、非此即彼的运行方式（既浪费能源又加速设备损耗）不同，变速组件能够持续调节输出功率，以满足当前的散热需求。当IT设备运行温度较低时，这些组件会降低功率；当工作负载激增时，它们则会相应地提高功率。.
"变速压缩机和风扇是可扩展冷却系统的关键组件。与传统的定速设备不同，变速压缩机和风扇可以根据实时冷却需求调节输出功率，从而实现精确的温度控制。"——AIRSYS
这种实时适应能力保持 电源使用效率 (PUE) 即使数据中心未满负荷运行，其能耗也很低。在 N+2 模块化架构中，每个单元在部分负载下都能高效运行，性能优于传统的单台冷水机组系统。通过持续根据需求调整输出，变速组件有助于降低 PUE 值、减少运营成本、延长设备寿命，并保护 IT 硬件免受温度波动的损害。.
可扩展冷却的关键技术
模块化数据中心冷却技术：效率和密度比较
模块化数据中心依靠量身定制的冷却解决方案来满足不同的密度和需求，使运营商更容易选择最适合自身需求的方案。.
精密空气冷却 通常是首选方案。例如，AIRSYS Optima2™ 的 PUE（电源使用效率）为 1.3–1.5，适用于低到中等机架密度。它在各种工作负载下都能提供可靠的性能。然而，虽然风冷散热效率高，但在高密度应用场景下，与液冷系统相比仍有不足。.
冷冻水系统 水冷系统在高密度部署中越来越受欢迎。这些系统将冷却组件移至服务器机房外部，降低了制冷剂泄漏等风险，并实现了灵活的管道配置。Vertiv 的 Jorge Aguilar 强调了水冷系统日益增长的吸引力，他表示："水冷正成为大规模高性能计算应用的首选冷却方式。"这些系统的部分 PUE 值低于 1.1，在开放式布局中表现出色，使其成为模块化扩展的理想选择。当密度需求增加时，液冷解决方案就变得至关重要。.
对于人工智能和高性能计算等高密度工作负载，, 直接液冷 和 浸没式冷却 成为焦点。直接芯片冷却系统采用带有特殊流体通道的冷板，直接从热源抽取热量。例如，HoMEDUCS 项目旨在实现低于 5% 的总冷却功率，且无需用水。浸没式冷却更进一步，将整个服务器浸入介电液体中。这省去了风扇和散热器。一个值得注意的例子是 KDDI 公司在 2022-2023 年与技嘉合作部署的方案，该方案实现了低至 1.02 的 PUE 值，同时支持高达 100kW 的机架密度。这种方法不仅将硬件寿命延长了 30%，而且由于避免了振动和温度波动，故障率降低了 60%。.
| 技术 | 效率（PUE） | 密度支撑 | 关键可扩展性特性 |
|---|---|---|---|
| 精密空气冷却 | 1.3–1.5 | 低至中等 | 模块化"按需扩展"单元 |
| 冷冻水系统 | <1.1 pPUE | 中等至高 | 集中式室外机；柔性管道 |
| 直接液冷 | <1.05 | 高的 | 直接芯片级散热 |
| 浸入式冷却 | ~1.02 | 非常高（100kW+） | 无风扇设计；节点密度提升2倍 |
除了这些既定方法之外，, 辐射冷却 辐射冷却板提供了一种可持续的替代方案，尤其适用于水资源匮乏的地区。即使在阳光直射下，辐射冷却板也能将液体温度降低到环境温度以下，其原理是将热量辐射到空间中，而无需电力。HoMEDUCS 项目在模块屋顶上安装了 Skycool 辐射冷却板，为缺水地区的模块化建筑提供了环保优势。.
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模块化设置中的实施策略
电源和冷却标准化接口
模块化数据中心最突出的优势之一是…… 即插即用设计. 这些工厂预装的模块配备了标准化的预测试接口，这意味着现场只需进行基本的电源和网络连接即可。这种简化的方案省去了复杂的现场电气和管道施工，而这些施工通常需要专业人员。.
"采用预制构件施工方式可以提前确定设计方案，从而避免变更订单。"——PCX公司
标准化接口还允许您 高效地扩大冷却能力, 从而实现更快、更经济高效的部署。凭借通用接口，各模块可以无缝互连，共享整个设施的备用容量。这既确保了高可靠性，又避免了冗余设备的需要。.
当电源模块和冷却模块采用尺寸相同的组件构建时，"模块中模块"策略效果最佳。这种统一性不仅简化了未来的扩展，也使团队的维护培训更加便捷。接口标准化后，下一步是进行精确的气流分析，以进一步优化模块化设计。.
计算流体动力学在气流优化中的应用
在建立标准化部署方案后，计算流体动力学 (CFD) 建模成为优化模块化装置中气流的重要工具。CFD 可以帮助您分析空气流动。 之前 部署物理设备，有助于找出两个常见问题：短路（冷空气绕过服务器并返回未使用的服务器）和循环热空气，这会导致服务器出现热点。.
在模块化环境中，CFD 充当…… 防范效率低下和风险. 您可以模拟各种运行场景并虚拟测试替代布局，这在规划一个冷却系统可能发生故障的情况时特别有帮助。.
"对这些场景进行建模和分析后，结果将使优化策略更加清晰，并为后续的技术和财务工作奠定基础。"——数据中心能源工程师 Bill Kosik
利用 CFD 数据，您可以微调关键要素，例如穿孔地板砖的铺设位置，并识别架空地板或天花板空间中电缆、电线或管道造成的气流阻塞。此外，根据实际机架进水温度调整 CRAC/CRAH 冷水阀设定值，可以实现更高的精度。将此方法与可根据预测需求动态调节的变速风机相结合，有助于实现低于 1.1 的部分 PUE 值，从而显著提高效率。.
运营效益和优化
通过可再生能源并网降低PUE
数据中心的冷却系统能耗占总能耗的 25–40%。通过将可扩展的冷却解决方案与太阳能或风能等可再生能源相结合，运营商可以显著降低间接用水量和运营成本。与需要大量用水的燃煤电厂不同，太阳能和风能无需用水。.
加州大学戴维斯分校的HoMEDUCS项目展示了如何将Skycool面板与聚合物热交换器和冷板集成，从而将制冷能耗降低到总功率低于5%，且完全无需用水。Narayanan博士解释了其背后的科学原理：
"如果电脑芯片的温度是 80 摄氏度，即使室外环境温度只有 40 摄氏度……这种（温差）也可以用来将热量从芯片上带走。"
这些采用可再生能源的设计方案为先进的制冷配置开辟了道路。Vertiv 的 SmartMod Max 就是一个绝佳的例子，它采用 HFO 混合制冷剂和集中式室外组件，即使在高密度 AI 工作负载下，也能实现低于 1.1 的部分 PUE 值。通过将工厂组装的组件与预测的负载相匹配，该系统消除了容量浪费。此外，诸如蓄热罐之类的优化措施可以将制冷需求转移到可再生能源更充足或室外温度更低的非高峰时段。.
针对不同机架密度的区域冷却
根据工作负载密度定制冷却策略是优化运行的另一种方法。基于区域的冷却通过使冷却方式与特定的热负荷相匹配，从而确保高效的能源利用。例如：
- 行内冷却 适用于产生 10-20 kW 热量的机架。.
- 被动式后门热交换器 可处理 20–30 kW 的负载。.
- 液体浸没式冷却 非常适合功率超过 50 kW 的机架。.
此外，冷热通道封闭设计可降低冷水机组高达 20% 的能耗。为最大限度地提高效率，可在冷通道安装穿孔地板砖，并根据设备的具体需求调整气流速率。在机架入口处使用传感器进行精确的温度读数，而不是依赖一般的室温，并为冷却风扇配备变频驱动器，以便根据每个区域记录的最高进气温度动态调节风扇转速。.
这 落基山国家实验室 这提供了一个令人信服的策略应用实例。通过使用结合直接液冷、空冷散热和开放式冷却塔的混合系统，他们实现了令人印象深刻的PUE值。 1.06 以及用水效率 0.7. 这表明，如果根据设施的具体密度分布情况来设计定制的、针对特定区域的冷却解决方案，就可以同时实现节能和节水。.
结论
可扩展冷却技术正在重塑模块化数据中心实现效率提升和扩展的方式。通过根据实际 IT 负载定制冷却能力，运营商可以避免传统架构中常见的资源浪费，从而加快部署速度并降低初始成本。.
对于高密度人工智能工作负载而言，液冷和浸没式冷却堪称颠覆性技术。这些方法能够有效应对空气冷却系统难以处理的高温。特别是浸没式冷却，其PUE值可低至1.02，同时还能降低运行成本并延长硬件寿命。虽然前期投入较高，但其长远效益使其成为明智之选。.
可持续性是另一项关键优势。辐射冷却板和闭环热交换器等先进系统无需用水，从而避免了蒸发式冷却方式带来的环境问题——这在干旱地区尤为重要。与可再生能源结合使用时，这些解决方案可将制冷能耗大幅降低至 5% 以下，较通常的 25–40% 显著下降。这种效率不仅有利于环境，还能提高运行灵活性。.
可扩展冷却系统的模块化设计进一步增强了其适应性。冷却单元可以无缝添加、更换或维护，从而轻松应对不断变化的 IT 需求。预计到 2050 年，全球冷却需求将增长 45%，因此这种灵活性不再是可选项，而是保持领先地位的必要条件。.
选择可扩展的冷却解决方案，可确保数据中心保持高效运行并面向未来。无论是适用于中等工作负载的行内冷却，还是适用于高性能计算的浸没式冷却系统，这些尺寸合适的解决方案都能立即带来效益，无需昂贵的升级。.
服务器 将这些先进的冷却策略集成到其模块化数据中心中，从而确保效率和可持续性。了解更多信息，请访问 服务器.
常见问题解答
模块化数据中心中可扩展冷却系统的优势是什么？
可扩展的冷却系统使模块化数据中心能够根据当前工作负载调整冷却能力，从而高效地满足不断变化的计算需求。这些系统采用模块化和冗余组件构建，使运营商无需更换现有设备即可扩展或调整基础设施（例如冷水机组或空气处理机组）。这种方法既能确保当前的卓越性能，又能为未来的增长预留空间。.
可扩展冷却的最大优势之一在于其降低能耗的能力，这直接降低了电力成本并减少了碳排放。考虑到冷却过程可能消耗数据中心高达 40% 的电力，这项技术可谓颠覆性的变革。除了节能之外，像冷水循环这样的高效系统还能减少用水量——这在像美国西南部这样缺水的地区尤为重要。模块化设计通过避免过度配置进一步提升了效率，使企业能够根据高密度工作负载的需求逐步扩展容量，同时确保可靠性。Serverion 将这些先进的冷却技术融入其模块化数据中心，为全美各地提供节能高效的高性能托管服务。.
在模块化数据中心冷却系统中采用变速组件有哪些好处？
变速组件（例如风扇、水泵和压缩机）使模块化数据中心能够根据实际 IT 负载动态调整冷却输出。这些组件并非以恒定功率运行，而是可以根据需要提高或降低功率。其结果如何？降低能源浪费，提高效率。 电源使用效率 (PUE), 通过减少用水量和碳排放，降低电费，减少环境足迹。.
除了节能之外，这些系统还能提供精确的温度控制，有助于防止过冷或局部过热，从而避免对设备造成损害。此外，由于机械应力更小，这些组件的使用寿命往往更长，维护需求也更低。随着数据中心需求的增长，变速系统只需调整组件转速即可适应，从而避免昂贵的升级。.
为什么浸没式冷却是高密度工作负载的理想选择？
浸没式冷却非常适合高密度工作负载，因为它通过将服务器组件浸入非导电液体中来高效地带走热量。这样一来，就无需使用风扇和散热片等传统冷却工具，从而可以在每个机架中集中更高的计算能力。.
此外，这种方法可以让服务器在高温下运行而不会降低能效。这不仅能提升CPU性能，也使浸没式冷却成为满足当今高性能数据中心严苛需求的绝佳选择。.
