Varje server, grafikkort och switch i ett datacenter omvandlar elektricitet till värme, och den värmen måste lämna byggnaden utan att IT-utrustningen någonsin blir för varm. Kylaren är maskinen som gör den utströmningen möjlig. Den producerar det kylda vattnet som transporterar värme ut ur det vita utrymmet, och dess design avgör till stor del hur mycket elektricitet och vatten hela anläggningen förbrukar för att hålla sig sval.
För operatörer och anläggningsingenjörer är den praktiska frågan sällan om en anläggning behöver en kylare. Det handlar om vilken typ som passar belastningen, klimatet och vattensituationen. Den här artikeln håller sig till det beslutet och lämnar slingan på flisnivå, vätskekylning i datacenter, kylvätskefördelningsenheten och själva kylcykeln till sina egna separata diskussioner.
Var en kylare passar in i datacentrets kylkedja
En datacenterkylare är den kylmaskin som producerar kylt vatten och avger anläggningsvärme utomhus, och dess erforderliga drift beror på rackdensiteten och klimatet den betjänar. Inuti byggnaden samlar datorrumsluftbehandlare, radmonterade enheter eller en direkt-till-chip-kylplatta-slinga upp värme från utrustningen och leder den till en kylvattenkrets. Kylenhetens arbete börjar där vattnet återvänder varmt och slutar där värmen når utomhusmiljön.
Kylaggregatet är en länk, inte hela kedjan. Hur det utför den slutliga överlämningen till utomhusbruk är precis det som skiljer de två huvudsakliga kylaggregatfamiljerna åt, och den skillnaden driver de flesta kostnads- och effektivitetskonsekvenserna nedströms.
Luftkyld kontra vattenkyld: den verkliga skillnaden ligger vid värmeavvisning
Etiketterna luftkyld och vattenkyld beskriver vart en kylare skickar sin värme, inte hur servrarna kyls, och rätt val beror på vattentillgång och maximal omgivningstemperatur. En anläggning kan cirkulera kylt vatten i hela byggnaden och fortfarande vara "luftkyld", eftersom termen hänvisar till värmeavledningssteget snarare än racket.
En luftkyld kylare avger värme direkt till utomhusluften genom kondensorspolar och fläktar, så den behöver inget kyltorn och förbrukar lite eller inget vatten vid normal drift. En vattenkyld kylare leder värme till en kondensor-vattenslinga och ett kyltorn, där avdunstning gör den slutliga avledningen. Fördelen med vattenkylningseffektivitet är fysisk, inte marknadsföring: ett kyltorn avger värme mot utomhustemperaturen i vått tillstånd, som är lägre än den torra temperatur som en luftkyld kondensor måste arbeta mot, så köldmediet kondenserar vid en lägre temperatur och kompressorn drar mindre ström. Den fördelen kostar kontinuerlig vattenanvändning, rening och mer anläggningsinfrastruktur.
| Dimensionera | Luftkyld kylare | Vattenkyld kylare |
|---|---|---|
| Slutlig värmeavstötning | Uteluft via kondensorspolar | Kyltorn via avdunstning |
| Effektivitetsdrivare | Begränsad av torrtemperatur | Fördelar med lägre våttemperatur |
| Vattenförbrukning | Minimal vid normal drift | Kontinuerlig; behöver behandling och sanering |
| Omgivningskänslighet | Kapaciteten minskar när utomhusluften värms upp | Mer stabil i höga omgivningstemperaturer |
| Anläggningsinfrastruktur | Fristående, enklare att installera | Torn, kondensorslinga, pumpar, vattensystem |
| Typisk passform | Mindre platser, platser i utkanten eller platser med vattenbrist | Stora centrala anläggningar där vatten finns tillgängligt |
Ett vanligt dimensioneringsfel döljer sig i den här tabellen. I varma, torra klimat är en luftkyld kylmaskins kondensorsida det första som förlorar kapacitet när sommarens omgivningstemperatur är som högst. En anläggning som är dimensionerad för en mild dimensioneringsdag faller sedan under exakt de dagar då det är som viktigast. Verifieringssteget som förhindrar detta är att kontrollera den dimensionerande omgivningstemperaturen mot värsta tänkbara lokala förhållanden, inte årsmedelvärden.
Standarder och betygspunkter att bekräfta innan du jämför kylaggregat
Jämförelser av kylaggregat är endast meningsfulla mot namngivna bedömningsstandarder, eftersom två tillverkares siffror inte är jämförbara om de inte mättes på samma sätt. Innan du väger en anläggning mot en annan, bekräfta var varje siffra kommer ifrån.
- AHRI 550/590 (IP) eller 551/591 (SI) beräkna fabrikstillverkade vattenkylningspaket på ångkompressionscykeln, som täcker både luftkylda och vattenkylda enheter. De definierar fullasteffektivitet i kW/ton (där kW/ton ≈ 3,516 ÷ COP) plus dellastens IPLV och NPLV. Observera förbehållet som är inskrivet i själva standarden: IPLV representerar den genomsnittliga prestandan för ett enda kylaggregat, så en byggnadsspecifik analys förutsäger den verkliga energianvändningen mer exakt.
- ASHRAE-standard 90.4 är energistandarden för datacenter och gäller för anläggningar med en konditionerad golvdensitet på över 20 W/ft² och en IT-belastning på 10 kW. Den bedömer anläggningen utifrån den mekaniska lastkomponenten, förhållandet mellan kyl-, fläkt-, pump- och värmeavledningsenergi och IT-utrustningens energi. ASHRAE anger att MLC inte är direkt analog med PUE, så behandla de två som separata kontroller.
- ASHRAE TC 9.9 Termiska riktlinjer Ställ in de tillåtna framledningstemperaturerna och fuktighetskuverten som avgör hur varmt det kylda vattnet kan köras, vilket i sin tur styr hur många timmar frikylning anläggningen kan göra anspråk på.
- Green Grid PUE och WUE rama in avvägningen mellan energi och vatten som diskuteras nedan.
En kort checklista för förhandsval hindrar dessa från att bli abstrakta: torr- och våttemperaturer på designdagen, måltemperaturer för kylt vatten, fullast kW/ton och IPLV/NPLV vid faktiska platsförhållanden, redundansnivå och resulterande antal enheter, samt vattenbudget inklusive påfyllning, urblåsning och behandling.
Variablerna som avgör vilken kylmaskinstyp som passar din anläggning
Valet av kylaggregat beror på en handfull interagerande platsvariabler snarare än en enda bästa teknik. Kylbelastningen sätter utgångspunkten: luftkylda enheter används vanligtvis med mindre och medelhög kapacitet, medan de största centrala anläggningarna oftare använder vattenkylning, även om publicerade intervall varierar beroende på tillverkare och övergången förändras när redundans tillämpas. Klimatet påverkar sedan resultatet, eftersom den luftkylda kapaciteten sjunker när torrlampan når sin topp, så en lång varm sommar driver matematiken mot vattenkylning eller hybridavstötning.
Vattentillgången är ofta den avgörande begränsningen. Där vatten är knappt, dyrt eller reglerat, undviker en luftkyld eller sluten kretsloppskonstruktion det kontinuerliga tornförbrukningen och den tillståndsbelastning som följer med det. Anläggningsutrymme och struktur fungerar på samma sätt: torn, kondensorrör och pumpar kräver utrymme och strukturellt stöd, så ett begränsat tak eller en eftermontering gynnar ofta en fristående luftkyld anläggning. Redundans multiplicerar allt detta, eftersom ett N+1- eller 2N-mål ökar antalet enheter och fotavtrycket tillräckligt för att den billigare enskilda maskinen kan förlora på den totala installerade kostnaden.
De återkommande specifikationsmisstagen är en direkt följd av att man hoppar över en av dessa variabler: dimensionering enbart efter IT-lasttonnage, validering mot genomsnittlig snarare än maximal omgivningstemperatur, ignorering av våtlampstemperatur, glömmer det fotavtryck som redundans tillför och aldrig bekräftar returvattentemperaturen som kylarkitekturen faktiskt kommer att leverera.
Frikylning och dellastbeteende, vart energin faktiskt går
En kylmaskins verkliga energianvändning styrs av dellastprestanda och frikylningstimmar, vilka beror på klimat och kylvattnets börvärde mycket mer än på den nominella verkningsgraden vid full belastning. Datacentrets belastning körs på dellast större delen av året, så beteendet vid 40 eller 60 procents kapacitet spelar större roll än klassificeringen vid 100 procent, och IPLV finns just för att beskriva det intervallet.
Frikyla är den hävstång som skiljer en effektiv anläggning från en dyr anläggning. När utomhusförhållandena är tillräckligt svala kan en kylare minska eller stoppa mekanisk kompression och låta omgivningsförhållandena kyla vattnet. I tempererade klimat minskar kompressorns energiförbrukning under en stor del av året. Att höja börvärdet för kylvattnet vidgar det fönstret, och väl separerade varma och kalla gångar gör att anläggningen går varmare utan att riskera IT-utrustningen.
Avvägningen ligger i två mätvärden. PUE är lika med anläggningens totala energiförbrukning dividerad med IT-utrustningens energi, och WUE är lika med platsens årliga vattenförbrukning dividerad med IT-utrustningens energi, rapporterad i liter per kWh. En konstruktion kan vinna på den ena och förlora på den andra, så en vattenkyld anläggning med utmärkt PUE kan bära på en tung WUE som fallerar i en vattenstressad region. I hybridanläggningar med luft och vätska kan enbart PUE också underskatta bilden, vilket är anledningen till att kompletterande mått som effektivitet av total effektförbrukning ibland läggs till. Variabeln som är värd att bekräfta tidigt är vilket mätvärde platsen faktiskt bedöms utifrån.
Hur kylare och kylning på chipnivå fördelar arbetet när racken blir tätare
Allt eftersom racktätheterna överstiger vad rumsluften kan bära, matar kylanläggningen i allt högre grad en vätskeslinga på flisnivå istället för att kyla luft direkt, men dess roll som värmeavledningsryggrad förändras inte. I ett direkt-till-chip-arrangemang, kalla plattor fångar värme vid processorn, en kylvätskefördelningsenhet hanterar teknikkylningsslingan, och en kylare eller torrkylare avleder den värmen utomhus. Kylaren sitter fortfarande i slutet av kedjan.
Ett randvillkor misstolkas ofta: direkt-till-chip-kylning betyder inte automatiskt kallare kylt vatten. Beroende på kylplattans design, CDU-infartstemperatur, kylvätsketyp och flisens inloppsgränser tillåter vissa arkitekturer märkbart varmare kylvatten- eller sekundärkretstemperaturer, vilket kan utöka frikylning och lyfteffektivitet. Dessa varmare börvärden är arkitekturspecifika resultat, inte universella designvärden, så de måste bekräftas för den faktiska slingan snarare än antas. Det som förblir konstant är att kylaggregatet måste matchas med den kylarkitektur det betjänar: tätare rack och en specifik kylvätsketemperatur ändrar returvattenförhållandena som anläggningen måste hantera.
Att återställa kylaggregatets beslutsfattande till den last den betjänar
Valet av kylaggregat beror på tre sammankopplade variabler: var värme avges, vad klimat- och vattensituationen tillåter och hur lasten stegas för redundans. Luftkyld eller vattenkyld är ett lämpligt beslut för en specifik plats, bekräftat mot AHRI-klassade fulllast- och dellastvärden och en ASHRAE 90.4-vy av den totala mekaniska lasten, inte en kvalitetsrankning.
På Trumonytechs arbetar vi på spån-till-kylvätskesidan av denna kedja, i kalla plattor och material för termiska gränssnitt den där handvärmen till slingan som kylaggregatet slutligen avvisar. Ur den synvinkeln visar sig en variabel gång på gång vara avgörande innan ett kylaggregat ens specificeras: returvattentemperaturen, eftersom den anger kylaggregatets förångartillstånd, tillgängliga frikylningstimmar, CDU-infartstemperaturen och kylplattans inlopp som flisorna faktiskt ser. Bygg flisnivåslingan runt en optimistisk kylvätsketemperatur så kan en korrekt klassad anläggning fortfarande ha det svårt.
Om du matchar en kylarkitektur med en kylanläggning är det praktiska nästa steget att fastställa designen för torr- och våttemperaturer, måltemperaturer för kylt vattentillförsel och retur samt redundansnivån innan du jämför utrustning. På chipsidan, dela kylplattans värmebelastning, chipets TDP, kylvätsketyp, måltemperaturer för CDU:ns inlopp och utlopp, TIM-tjocklek och värmeledningsförmåga samt tryckfallsbudgeten, så kan vårt teknikteam hjälpa till att anpassa kyldesignen på chipnivå till den värmeavledningsanläggning du planerar.
VANLIGA FRÅGOR
Är datacenterkylare luftkylda eller vattenkylda?
Båda finns, och etiketten beskriver hur kylaggregatet avger värme till omgivningen, inte hur servrar kyls. Luftkylda kylaggregat skickar värme till utomhusluften; vattenkylda kylaggregat skickar den till ett kyltorn. Många luftkylda datacenter cirkulerar fortfarande kylt vatten inomhus.
Vad är skillnaden mellan en torrkylare och en luftkyld kylare?
En kylmedelskylare avger värme från en vätskeslinga till utomhusluften utan sin egen kylcykel, så den kan bara kyla vätskan till omgivningstemperatur. En luftkyld kylare innehåller en ångkompressionscykel och kan producera kylt vatten under omgivningstemperatur, vilket en kylmedelskylare inte kan. Många högdensitetskonstruktioner använder kylmedelskylare för frikylning och en kylare för de timmar då omgivningstemperaturen är för varm.
Använder luftkylda kylaggregat vatten?
Luftkylda kylaggregat använder lite eller inget vatten vid normal drift, vilket är deras största fördel i områden med vattenbrist. Vissa konstruktioner har adiabatisk eller sprayförkylning som använder små mängder vatten endast under högtrafik för att skydda kapaciteten.
Kan direkt-till-chip-kylning använda varmt vatten?
I många fall ja, eftersom värmeinfångning vid chipet tål högre kylvätsketemperaturer än rumsluftkylning. Den uppnåeliga temperaturen beror på kylplattans design, CDU-infartstemperatur, kylvätsketyp och chipets inloppsgräns, så den bör bekräftas per arkitektur snarare än antas.
Har en vattenkyld kylare alltid ett bättre PUE?
Inte alltid, eftersom PUE beror på klimat, börvärden och frikylningstimmar samt kylaggregatets typ. En vattenkyld anläggning är ofta mer energieffektiv, men den kan ha en hög WUE, och i kalla klimat kan en luftkyld anläggning med många frikylningstimmar minska mycket av gapet.
Behövs kylare fortfarande med direkt-till-chip-vätskekylning?
En kylare eller motsvarande värmeavledningsanordning behövs fortfarande, eftersom direkt-till-chip-kylning flyttar värme närmare processorn men inte avlägsnar den från byggnaden. Kylplattans slinga och kylvätskefördelningsenheten matar tillbaka värme till kylaren, som avleder den utomhus.
