数据中心冷却：冷却类型和对测量技术的要求
冷却系统和技术
数据中心冷却系统是 IT 运维中最为关键且能耗最高的环节之一，通常占总能耗的30%以上。选择合适的冷却系统对运行效率和操作可靠性有决定性影响。而所采用的冷却系统又决定了需要在哪些测量点安装何种传感器。本文就此提供了如下概述：
- 常见的数据中心冷却系统类型；
- 冷却系统对测量技术的要求；
- E+E 传感器如何支持数据中心实现稳定、符合标准的运行；
冷却：数据中心能效和稳定性的最大杠杆
国际能源署 (IEA) 的预测显示，到2030年全球数据中心电力消耗将达到翻倍。面对这一快速增长的能源需求，实现高效冷却正成为数据中心经济且可持续运营的决定性因素。其要求相当严苛：
- 配置不当或监测不足的系统不仅导致高额运营成本，还会增加故障风险。调查显示31%的数据中心每年经历至少一次断电。
- 服务器送风温度每提高 1 °C，即可降低高达9%的制冷能耗。然而，只有在对整个数据中心的温度进行准确、全面的监控时，这一巨大的节能潜力才能安全实现。
- 关键行业标准和运营指南，尤其是ASHRAE（美国供热、制冷和空调工程师学会）发布的准则和欧洲 EN 50600 的系列标准，对数据中心的温度和湿度做出了明确规定。
任何不对数据中心冷却系统进行监测的运营商，就是在浪费能源，且其数据中心面临极大的断电风险。
风冷：数据中心冷却领域的成熟方案
风冷仍然是大多数现有数据中心设施中的标准冷却方案。基于风冷设计的数据中心采用冷热通道隔离的原则，即让冷却的送风与服务器排出的热风进行严格分离。
冷通道与热通道的隔离
通道隔离有两种方式，其原理各不相同：
- 冷通道隔离（CAC）：将服务器获取冷却送风的冷通道进行封闭，使其与数据中心其他区域隔离。这可以有效防止冷空气在到达服务器之前与环境的热空气混合。
- 热通道隔离（HAC）：使用对热通道进行封闭的方法。服务器排出的热风被收集并直接送返至冷却系统。这样可使数据中心其他区域的温度保持较低水平。
两种方法均旨在提高返回制冷系统的回风温度，从而提升其效率。冷通道隔离（CAC）和热通道隔离（HAC）之间的选择，通常取决于建筑结构条件和 IT 基础设施的具体布局。
风冷系统对测量技术的要求
这种冷却方案面临的最大挑战在于避免旁通气流和泄漏，这两者都会大幅降低冷却效率。通道之间未被察觉的空气交换意味着制冷系统必须提供超出实际需求的冷却风量。
为支持数据中心实现高效、安全的风冷，对以下参数进行精密监测至关重要：：
- 差压：冷通道内保持 10 至 20 Pa 的稳定正压，可确保冷空气仅流经服务器机柜。
- 温度和湿度：遵循 ASHRAE 指南（18-27°C，20-80% RH）可以保护 IT 设备免受热点、腐蚀和静电放电导致的故障。
液冷：数据中心冷却的未来
随着机柜密度的增加，尤其是人工智能应用的驱动，风冷正逐渐接近其物理极限。业内预计，在未来5到10年内液冷技术将逐步补充甚至取代传统的风冷方案。在数据中心的液冷系统中，散热效率将得到显著提升。
液冷系统的类型
液冷系统可根据其复杂程度和效率分为几种不同的方式：
- 直接液体冷却（DLC）/直接芯片冷却：冷却液通过细管和所谓的冷板直接输送至 CPU 和 GPU 等发热量最大的组件，液体吸收热量并将其带走。
- 浸没冷却：这是数据中心最高效且彻底的冷却方法。整个服务器或 IT 组件直接浸没在不导电的冷却液中，从而实现最大化热传递。
- 两相液冷：作为更为高级的冷却方法，可以应用于直接芯片冷却和浸没式冷却。冷却液直接在组件的发热表面蒸发。液体到气体的相变过程可从硬件中带走极高的热量。
液冷系统对测量技术的要求
数据中心采用液冷带来了新的测量挑战：
- 冷凝风险：在液体冷却系统中，必须准确监控机柜内的露点，以防止在关键部件表面产生冷凝。
- 冷却塔效率：为优化冷却塔的运行，精密测量湿球温度对于控制蒸发冷却至关重要。
- 冷却液质量：一个关键问题是冷却液中的水分含量。持续监测冷却液质量，例如使用 E+E 油中水分传感器，是保障冷却介质性能的必要条件。
E+E 传感器如何支持实现高效和安全的数据中心冷却
不同的冷却系统对传感器技术有着不同的要求。但决定性因素不仅在于测量什么，传感器的安装位置同样至关重要。传感器安装位置不当或精度不足，可能导致 IT 设备过冷或过热。要实现节能且防故障的运行，必须采用精密且长期稳定的传感器。温度测量精度提高 0.5 °C，即可使制冷能耗降低 4-5%。
E+E 传感器专为适应数据中心7x24小时不间断运行而开发，具备以下优势：
- 高测量精度，直接提升节能潜力（温度精度可达 ±0.1 °C）；
- 传感器镀膜提供防腐蚀保护；
- 具备自动恢复和冷凝保护功能，实现无漂移的高长期稳定性；
- 符合 ASHRAE、DIN EN 50600 / ISO/IEC 22237 标准；
- 可集成于 BMS/BAS 系统（Modbus RTU）；
怎样为冷却系统选择合适的 E+E 传感器？
针对数据中心不同类型的冷却系统，E+E Elektronik 提供相应的传感器解决方案。以下是各系统的关键监测参数及推荐传感器汇总：
| 冷却系统 | 关键测量参数 | 为什么重要 | E+E 传感器推荐 |
| 风冷 | 机柜进/出口温度 | 热点探测，ASHRAE 合规性（18-27°C） | EE074，HTS401，EE451 |
| 相对湿度 | 静电放电保护，防腐蚀和防冷凝（最佳范围 50-55% RH） | EE072，HTS401 | |
| 冷通道与热通道之间的差压 | 确保压力梯度（10-20 Pa），检测泄漏 | EE610 | |
| 架空地板下方/机柜入口风速 | 风扇控制，防止回流（0-1 m/s），优化能效 | EE671，EE650，EE660 | |
| 液冷/直接芯片冷却（DLC） | 冷却水供/回水温度 | 热交换器控制，监控系统效率 | EE074，EE431，EE471 |
| 机柜内露点温度 | 防止 CPU 机柜产生冷凝（>30 kW） | EE072，EE046 冷凝监测器 | |
| 冷却塔/自然冷却 | 室外温度+湿度 | 是否启用自然冷却策略( PUE 小于1.2) | EE260，EE451 |
| 浸没冷却 | 冷却液中的水分含量 | 监测介电液质量，检测泄露 | EE364 / MOP301 |
表 1：E+E 传感器在数据中心的潜在应用
数据中心冷却需要特定应用的测量技术
数据中心行业选择冷却系统是一项战略决策。风冷仍然是众多现有系统的标准配置。而液冷在高密度数据中心应用中正变得越来越重要。所有冷却方案的共同点是：缺乏有效的传感器监测数据，任何冷却系统都无法实现安全、高效且合规的运行。这需要适用的传感器测量技术。
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