隨著數據中心對運算能力的需求不斷增長，如何有效且經濟地管理機房的熱能已成為關鍵挑戰。傳統的冷卻方式如CRAC/CRAH空調，在應對早期較低機櫃密度的數據中心時表現尚可，但面對現今高密度運算的需求，其效率已不再是最佳選擇。在2025年，數據中心管理者和機房工程師需要重新評估和升級冷卻策略。因此，我們深入探討數據中心機房的14個水電冷卻方案，旨在幫助您找到最適合您設施的解決方案。
這些方案涵蓋了從優化現有基礎設施（例如透過精確控制氣流、冷熱通道分離），到採用更先進的技術（例如液冷、自然冷卻）等多個層面。例如，如同洗冷氣價格一樣，定期維護和清洗現有的空調系統可以顯著提升其效率，降低能源消耗。另一方面，對於新建或升級的數據中心，考慮模組化冷卻系統和智能化控制，能有效適應不斷變化的需求，並提高整體能源效率和可靠性。此外，冷卻水塔的優化和自由冷卻系統的應用，也是提升水資源利用效率的重要方向。在選擇或升級冷卻方案時，務必考量數據中心的具體需求、預算限制和長期運營成本。
實用建議： 在評估新的冷卻技術時，除了考慮初始投資成本，更要關注其長期運營成本和潛在的節能效益。例如，液冷技術雖然初期投入較高，但能顯著降低能耗，提高伺服器密度，從而降低整體擁有成本。同時，定期進行風險評估和制定應急預案，確保在冷卻系統出現故障時，數據中心仍能保持穩定運行。
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這篇文章的實用建議如下(更多細節請繼續往下閱讀)
1. 評估現有冷卻系統的效率並制定升級計劃： 針對現有的數據中心機房，首先進行全面的能效評估，特別是針對傳統的CRAC/CRAH系統。參考ASHRAE等專業機構的標準，找出氣流組織、冷熱通道管理上的瓶頸。接著，根據評估結果，制定明確的升級計劃，例如封閉冷熱通道、採用變頻壓縮機和EC風扇等節能組件。如果預算允許，可以考慮整合自然冷卻或間接蒸發冷卻技術，以降低對傳統製冷設備的依賴。
2. 在新建設或升級數據中心時，優先考慮液冷技術： 對於新建或計劃進行重大升級的數據中心，應積極考慮液冷技術，如直接芯片冷卻或浸沒式冷卻。儘管初期投資可能較高，但液冷技術能顯著提高冷卻效率、降低能耗，並實現更高的伺服器密度。在評估液冷方案時，除了初始成本，還需要關注其長期運營成本和潛在的節能效益。同時，與供應商充分溝通，了解其液冷解決方案的維護要求和可靠性保障。
3. 定期進行風險評估和制定應急預案： 無論採用何種冷卻方案，數據中心管理者都應定期進行風險評估，識別潛在的冷卻系統故障風險。針對這些風險，制定詳細的應急預案，包括備用冷卻設備、緊急維修流程等。同時，利用AI和機器學習技術，對冷卻系統進行智能化監控和預測性維護，以便在故障發生前及時發現並處理，確保數據中心在任何情況下都能保持穩定運行。
冷卻方案1：CRAC/CRAH機房精密空調解析與優化
在數據中心機房中，CRAC（Computer Room Air Conditioner）和 CRAH（Computer Room Air Handler）機房精密空調系統，是歷史悠久且應用廣泛的冷卻解決方案。儘管近年來湧現了許多更先進的冷卻技術，CRAC/CRAH 仍然是許多數據中心，尤其是傳統型數據中心的首選。本段將深入解析 CRAC/CRAH 的原理、優缺點，並探討在 2025 年，如何透過優化措施，使其在能耗效率和可靠性方面達到最佳表現。
CRAC/CRAH 系統的基本原理
CRAC 和 CRAH 系統的主要功能，是移除數據中心內部 IT 設備產生的熱量，維持機房內穩定的溫度和濕度，確保伺服器和其他設備能夠在最佳環境下運行。它們的運作原理大致如下：
- CRAC：CRAC 是一種包含壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥的完整製冷系統。它將機房內的熱空氣吸入，通過蒸發器冷卻後，再將冷空氣送回機房。CRAC 通常具有精確的溫度和濕度控制功能。
- CRAH：CRAH 則更像是一個空氣處理單元，它本身不具備製冷能力，而是依賴外部的冷卻水或冷媒供應。CRAH 將機房內的熱空氣吸入，通過冷卻盤管（coil）進行冷卻，再將冷空氣送回機房。
CRAC/CRAH 系統的優缺點
CRAC/CRAH 系統作為一種成熟的技術，具有以下優點：
- 成熟可靠：經過多年的發展和應用，CRAC/CRAH 系統的技術已經非常成熟，具有較高的可靠性和穩定性。
- 易於維護：CRAC/CRAH 系統的結構相對簡單，維護和維修也相對容易，技術人員容易上手。
- 適用性廣：CRAC/CRAH 系統適用於各種規模的數據中心，可以根據實際需求進行配置和調整。
- 精確控制：CRAC 系統通常具有精確的溫度和濕度控制功能，可以滿足對環境要求較高的 IT 設備的需求。
然而，CRAC/CRAH 系統也存在一些缺點：
- 能耗較高：CRAC/CRAH 系統通常採用傳統的製冷技術，能耗相對較高，尤其是在高密度部署的數據中心中。
- 冷卻效率有限：傳統的 CRAC/CRAH 系統在冷卻高熱密度設備時，效率可能不足，容易出現局部過熱現象。
- 佔用空間：CRAC/CRAH 系統的體積通常較大，會佔用一定的機房空間。
- 冷熱通道管理：需要良好的冷熱通道管理，才能確保冷卻效率，否則容易造成冷熱空氣混合，降低冷卻效果。
2025 年 CRAC/CRAH 系統的優化策略
為了在 2025 年持續發揮 CRAC/CRAH 系統的價值，並克服其固有的缺點，可以採取以下優化策略：
- 優化氣流組織：
- 冷熱通道封閉：透過封閉冷熱通道，防止冷熱空氣混合，提高冷卻效率。
- 氣流管理：根據機櫃的熱負載分佈，調整 CRAC/CRAH 的送風方向和風量，確保冷空氣能夠有效地到達需要冷卻的設備。
- 採用節能組件：
- 變頻壓縮機：使用變頻壓縮機，根據實際的冷卻需求調整壓縮機的轉速，降低能耗。
- EC 風扇：採用 EC（電子換向）風扇，EC風扇比起傳統風扇更節能，且能精準控制風量。
- 智能化控制：
- AI 監控：利用 AI 和機器學習技術，即時監控數據中心的溫度、濕度和能耗等數據，並根據數據分析結果，自動調整 CRAC/CRAH 的運行參數。
- 預測性維護：通過監控 CRAC/CRAH 的運行狀態，預測潛在的故障，並在故障發生前進行維護，提高系統的可靠性。
- 整合自然冷卻：
- 自由冷卻：在氣候條件允許的情況下，利用室外冷空氣進行冷卻，減少對壓縮機的依賴，降低能耗。
- 間接蒸發冷卻：結合間接蒸發冷卻技術，利用水的蒸發來降低空氣溫度，提高冷卻效率。
- 定期維護和保養：
- 清洗冷卻盤管：定期清洗冷卻盤管，去除灰塵和污垢，保持良好的熱交換效率。
- 檢查冷媒：定期檢查冷媒的壓力和洩漏情況，確保系統的正常運行。
透過上述的優化措施，即使是傳統的 CRAC/CRAH 系統，也能在 2025 年的數據中心機房中，持續發揮重要的作用，並在能耗效率和可靠性方面達到更高的水平。有關更多冷卻系統的節能技術，您可以參考美國冷凍空調工程師協會（ASHRAE）的相關標準和指南，以獲得更深入的瞭解。
冷卻方案2：冷卻水塔系統的設計、選擇與維護
冷卻水塔系統在數據中心扮演著至關重要的角色，主要功能是散熱。透過將製冷設備排出的熱水進行冷卻，再將冷卻後的水重新送回製冷設備，形成一個循環，從而維持數據中心內部設備的正常運作溫度。一個設計完善且維護良好的冷卻水塔系統，能有效提高數據中心的能源效率，降低運營成本，並延長設備的使用壽命。以下將詳細探討冷卻水塔系統的設計、選擇與維護要點：
冷卻水塔的類型選擇
根據不同的設計和運作方式，冷卻水塔可分為多種類型，常見的包括：
- 開放式冷卻水塔： 水直接與空氣接觸，冷卻效率高，但蒸發量大，易受環境污染。
- 封閉式冷卻水塔： 水在封閉的管道內循環，通過管道壁與空氣進行熱交換，減少蒸發損失和污染。
- 機械通風式冷卻水塔： 利用風扇強制空氣流動，提高冷卻效率。
- 自然通風式冷卻水塔： 依靠自然風力進行通風，節能但冷卻效率較低。
選擇何種類型的冷卻水塔，需要綜合考慮數據中心的規模、地理位置、氣候條件、用水成本、環保要求等多重因素。例如，對於用水成本較高的地區，封閉式冷卻水塔可能更具優勢。此外，還需評估數據中心未來的擴容需求，預留足夠的冷卻能力。
冷卻水塔系統的設計要點
冷卻水塔系統的設計直接影響其冷卻效率和可靠性。
冷卻水塔系統的維護與管理
定期的維護與管理是確保冷卻水塔系統穩定運行的關鍵。以下是一些建議：
- 定期清洗： 清洗冷卻水塔內部和填料，去除積累的污垢和水垢，提高冷卻效率。
- 檢查風扇： 檢查風扇的運轉是否正常，清潔風扇葉片，確保通風良好。
- 水質監測： 定期檢測水質，調整水處理方案，防止腐蝕和微生物滋生。
- 洩漏檢查： 檢查管道和閥門是否有洩漏，及時修復，避免水資源浪費。
- 定期維護計畫： 建立完善的維護計畫，包括定期檢查、清潔、潤滑和更換易損件，確保系統長期穩定運行。
您可以參考 ASHRAE (美國冷凍空調工程師協會) 的相關標準與指南，獲取更多關於冷卻水塔系統設計與維護的專業知識。
數據中心機房的14個水電冷卻方案. Photos provided by unsplash
冷卻方案3：液冷技術：浸沒式與直接晶片冷卻的比較分析
隨著數據中心伺服器的功率密度不斷增加，傳統的風冷散熱方案已經難以滿足需求。液冷技術應運而生，成為一種更高效、更節能的替代方案。在眾多液冷技術中，浸沒式冷卻和直接晶片冷卻（Direct-to-Chip Cooling，簡稱D2C）是兩種備受關注的方案。那麼，它們之間有什麼區別？又該如何選擇呢？
浸沒式冷卻：伺服器「泡澡」
浸沒式冷卻，顧名思義，就是將伺服器（或其部分組件）直接浸泡在非導電的冷卻液中。這種冷卻液通常是礦物油、合成油或碳氫化合物等介電液體，具有良好的導熱性能。根據冷卻液的相變過程，浸沒式冷卻又分為單相浸沒式冷卻和兩相浸沒式冷卻兩種。
- 單相浸沒式冷卻：冷卻液在整個冷卻過程中始終保持液態，通過液體的循環流動將熱量帶走。
- 兩相浸沒式冷卻：冷卻液在接觸高熱組件時會汽化，吸收大量熱量，然後蒸汽流動到冷凝器，冷凝後返回液體狀態，形成循環。
優點：
- 極高的冷卻效率：由於液體直接接觸發熱組件，散熱效率遠高於風冷。浸沒式液冷的PUE值可降至1.1以下，能耗顯著降低。
- 支持高密度部署：能夠有效冷卻高功率密度的伺服器，滿足AI、高性能計算等應用需求。
- 降低噪音：無需風扇，運行噪音極低。
- 延長硬件壽命：更穩定的溫度環境能減少硬件組件的熱應力，延長使用壽命。
缺點：
- 初期投資較高：浸沒式冷卻系統的設備和冷卻液成本相對較高。根據報導指出，初期投資可能為傳統風冷系統的3倍。
- 維護複雜：伺服器維護需要將其從冷卻液中取出，操作相對繁瑣。在浸沒式液冷系統中，若要對伺服器的硬體元件進行維護時，必須把這些運算設備從冷卻槽拉出、進行吊掛，之後等待瀝乾，需要10到15分鐘，甚至20分鐘之久，而且往往需透過機器手臂的幫忙，以便將伺服器從冷卻液槽體中搬出。
- 冷卻液選擇：冷卻液的選擇需要仔細評估其導熱性、絕緣性、化學穩定性以及環保性。
適用場景：
- 高性能計算 (HPC)
- AI 訓練
- 雲端運算
- 對能源效率有極高要求的數據中心
直接晶片冷卻：精準製冷
直接晶片冷卻（D2C），也稱為冷板式冷卻，是將冷板直接安裝在CPU、GPU等發熱組件上，通過冷卻液在冷板內循環流動，將熱量帶走。 然後將冷卻後的液體透過水對氣或水對水等方式冷卻，再次送回冷板，反覆循環以達到散熱效果。
優點：
- 精確冷卻：針對特定發熱組件進行精準冷卻，效率較高。
- 易於維護：伺服器維護更換相對方便。
- 兼容性較好：可與現有的數據中心基礎設施兼容。
- 節省空間：可減少IT系統的佔用空間。
缺點：
- 冷卻能力有限：相較於浸沒式冷卻，散熱能力較弱。
- PUE值相對較高：PUE值通常在1.2以上，節能效果不如浸沒式冷卻。
- 存在洩漏風險：冷卻液管路存在洩漏風險，可能損壞硬件。
適用場景：
- 高密度伺服器
- 對維護性要求較高的數據中心
- 需要逐步升級冷卻系統的數據中心
如何選擇？
在選擇浸沒式冷卻還是直接晶片冷卻時，需要綜合考慮以下因素：
- 散熱需求：如果需要極高的散熱能力，例如應對高功率密度的AI伺服器，浸沒式冷卻是更好的選擇。
- 預算：浸沒式冷卻的初期投資較高，需要仔細評估預算。
- 維護性：如果需要頻繁維護更換伺服器，直接晶片冷卻更方便。
- 現有基礎設施：直接晶片冷卻對現有基礎設施的改動較小，更易於部署。
總體而言，浸沒式冷卻和直接晶片冷卻各有優劣，適用於不同的應用場景。在規劃數據中心冷卻方案時，需要根據自身的需求和預算，仔細評估並做出明智的選擇。隨著技術的不斷發展，液冷技術將在未來的數據中心中扮演越來越重要的角色。根據業界專家的分析，隨著NVIDIA Blackwell系列晶片的推出，液冷普及率可望在年底到達10% 。
| 特性 | 浸沒式冷卻 | 直接晶片冷卻 (D2C) |
|---|---|---|
| 描述 | 將伺服器浸泡在非導電冷卻液中。 | 將冷板直接安裝在發熱組件上，通過冷卻液循環帶走熱量。 |
| 優點 |
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| 缺點 |
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| 適用場景 |
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| 選擇考量因素 |
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冷卻方案4：新風自然冷卻在數據中心機房的應用
新風自然冷卻是一種利用室外低溫空氣直接或間接為數據中心機房降溫的節能技術。在氣候條件適宜的地區，這種方法可以顯著降低對傳統製冷設備的依賴，從而降低能源消耗和運營成本。讓我們一起深入探討新風自然冷卻在數據中心機房的應用。
新風自然冷卻的原理
新風自然冷卻的核心原理是利用室外低於機房回風溫度的空氣。常見的方式有兩種：
- 直接式自然冷卻：將經過濾的室外空氣直接引入機房，驅散熱量。
- 間接式自然冷卻：利用熱交換器，將室外冷空氣的冷量傳遞給機房內的循環空氣或冷卻水，避免室外空氣直接接觸IT設備。
新風自然冷卻的優點
採用新風自然冷卻具有以下顯著優點：
- 節能降耗：大幅降低製冷系統的能耗，節省運營成本。
- 環境友好：減少碳排放，符合綠色數據中心的發展趨勢。
- 提高可靠性：在某些情況下，可作為製冷系統的備份，提高數據中心的整體可靠性。
新風自然冷卻的適用性評估
並非所有數據中心都適合採用新風自然冷卻，需要綜合評估以下因素：
- 氣候條件：年平均氣溫較低、低濕度的地區更適合採用。
- 空氣品質：需要對引入的空氣進行過濾，確保符合IT設備的運行要求。
- 地理位置：靠近污染源的地區可能不適合直接引入室外空氣。
- 數據中心設計：需要對機房的氣流組織進行優化，確保冷卻效果。
新風自然冷卻的設計要點
在設計新風自然冷卻系統時，需要考慮以下關鍵因素：
- 過濾系統：選擇高效的過濾器，去除空氣中的灰塵、顆粒物和有害氣體。
- 氣流控制：合理設計風道和風口，確保冷空氣均勻分佈。
- 濕度控制：在濕度較高的地區，需要加裝除濕設備，防止凝露產生。
- 控制系統：採用智能控制系統，根據室外溫度和濕度自動調節新風量。
- 備用方案：在自然冷卻無法滿足需求時，自動切換到傳統製冷系統。
2025年最佳實踐與技術發展
隨著技術的進步，新風自然冷卻也在不斷發展。2025年的最佳實踐包括：
- 預測性維護：利用感測器和數據分析，預測過濾器的更換週期，減少維護成本。
- 智能化控制：應用AI和機器學習技術，優化新風系統的運行參數，提高節能效果。
- 模組化設計：採用模組化的新風處理單元，方便擴展和維護。
例如，有些廠商開始提供整合了高效過濾、濕度控制和智能控制的新風處理模組，可根據數據中心的需求進行定製。
為了確保新風自然冷卻系統的有效性和可靠性，定期的監控和維護至關重要。這包括定期檢查和更換過濾器，檢查風道和風口的密封性，以及校準控制系統的感測器。透過這些措施，可以確保系統以最佳狀態運行，並最大限度地發揮其節能潛力。
此外，數據中心管理者和IT專業人員應密切關注行業趨勢和技術發展，以便及時更新和優化其冷卻策略。例如，新興的間接蒸發冷卻技術和相變材料等，都可能為新風自然冷卻帶來新的可能性。
在綜合考慮氣候條件、空氣品質和數據中心設計等因素後，合理地應用新風自然冷卻技術，可以為數據中心帶來顯著的經濟和環境效益。它不僅能降低能源消耗和運營成本，還能減少碳排放，符合綠色數據中心的發展趨勢，有助於企業實現可持續發展的目標。
數據中心機房的14個水電冷卻方案結論
在不斷追求更高效率與更低成本的數據中心世界中，我們深入探討了數據中心機房的14個水電冷卻方案，
選擇正確的冷卻方案，不僅能有效降低能源消耗，還能提高數據中心的可靠性和穩定性。如同定期洗冷氣價格一樣，數據中心冷卻系統的維護與保養也是至關重要的，能確保其長期高效運行。此外，良好的機房環境也能提升設備的使用壽命，就像選擇優質的實木地板價格一樣，長遠來看，是對整體環境品質的一種投資。
在2025年，數據中心管理者和IT專業人員需要密切關注行業趨勢，勇於嘗試新的技術和方法，才能在激烈的市場競爭中保持領先地位。根據您的具體需求和預算限制，選擇最適合您的水電冷卻方案，打造高效、可靠、綠色的數據中心機房。
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數據中心機房的14個水電冷卻方案 常見問題快速FAQ
1. CRAC/CRAH 機房精密空調有哪些優點和缺點？在 2025 年應該如何優化？
優點：CRAC/CRAH 系統技術成熟可靠、易於維護、適用性廣，且通常具有精確的溫度和濕度控制功能。
缺點：能耗相對較高，尤其在高密度部署的數據中心中；冷卻效率有限，佔用空間較大，需要良好的冷熱通道管理。
2025 年優化策略：優化氣流組織（冷熱通道封閉、氣流管理）、採用節能組件（變頻壓縮機、EC 風扇）、實施智能化控制（AI 監控、預測性維護）、整合自然冷卻（自由冷卻、間接蒸發冷卻），以及定期維護和保養（清洗冷卻盤管、檢查冷媒）。
2. 在選擇冷卻水塔時，有哪些類型可以選擇？如何根據數據中心的需求進行選擇？
冷卻水塔常見類型包括：開放式冷卻水塔、封閉式冷卻水塔、機械通風式冷卻水塔、自然通風式冷卻水塔。
選擇考量：需要綜合考慮數據中心的規模、地理位置、氣候條件、用水成本、環保要求等多重因素。例如，對於用水成本較高的地區，封閉式冷卻水塔可能更具優勢。此外，還需評估數據中心未來的擴容需求，預留足夠的冷卻能力。
3. 浸沒式冷卻和直接晶片冷卻 (D2C) 有什麼區別？我應該如何選擇？
浸沒式冷卻：將伺服器直接浸泡在非導電的冷卻液中，冷卻效率極高，支持高密度部署，但初期投資較高，維護較複雜。
直接晶片冷卻 (D2C)：將冷板直接安裝在CPU、GPU等發熱組件上，通過冷卻液在冷板內循環流動散熱，精確冷卻，易於維護，但冷卻能力有限，PUE 值相對較高。
如何選擇：根據散熱需求、預算、維護性要求以及現有基礎設施進行綜合考量。如果需要極高的散熱能力且預算充足，浸沒式冷卻是更好的選擇；如果需要頻繁維護更換伺服器，直接晶片冷卻更方便。
