随着全球数据处理需求的持续飙升，数据中心已成为支撑从云计算到人工智能等各个领域的关键基础设施。然而，这种增长也带来了巨大的挑战：管理数千台高性能服务器和网络设备全天候运行所产生的巨大热量。如果没有适当的冷却，数据中心可能会过热，从而导致设备故障、性能下降和能耗增加。
在本文中，我们将探讨各种水基冷却方法，这些方法因其效率和可持续性而广受欢迎，相比传统的空气冷却技术更是如此。从冷冻水系统和冷却塔到先进的液体冷却以及海水和地热冷却等环保解决方案，我们将探讨这些技术的工作原理、实际应用以及它们在降低能耗和环境影响方面的优势。
我们先从常用的冷冻水系统开始。它们使水在管道和热交换器中循环，吸收数据中心空气中的热量。然后，热量通过冷却塔蒸发出来。例如，Facebook 位于俄勒冈州普林维尔的数据中心采用了冷冻水系统与蒸发冷却相结合的方式，在处理大量热负荷的同时节约用水。
冷却塔发挥着至关重要的作用，它通过喷洒温水填充材料来增加蒸发表面积。这种方法已被证明在热负荷较大的大型数据中心是有效的。谷歌位于芬兰的哈米纳数据中心也采用了类似的蒸发冷却装置，使用海水，最大限度地减少了淡水的使用。
直接液冷 (DLC) 提供了一种更先进的方法，将水直接循环至 CPU 和 GPU 等发热组件。直接放置在这些组件上的冷板可确保高效的热传递。例如，联想的 Neptune 技术就使用 DLC 来管理高性能服务器集群。
浸入式冷却则更进一步，将整个服务器浸入介电液体中，直接从组件吸收热量。这种创新方法已被 Submer 等公司成功实施，他们将服务器浸入非导电液体中，从而大幅减少空气循环需求并提高能源效率。
可持续的水冷却方法
地热冷却利用地下天然冷水源，提供了一种独特的方法。冰岛的数据中心利用地热冷却，从地下水库中抽取冷水，无需额外制冷即可保持高效运行。例如，挪威莱夫达尔矿山数据中心就采用了海水冷却技术，这种冷却方式非常适合沿海设施，该数据中心利用附近的峡湾水进行冷却。这种方法不仅减少了对淡水的依赖，还最大限度地降低了能源消耗。
灰水回收利用是指将来自非污水源的废水处理用于冷却。微软位于华盛顿州昆西的数据中心将再生水用于其冷却系统，展示了灰水如何减少市政用水依赖并促进可持续发展。一些数据中心采用混合冷却系统，融合了多种技术。例如，美国国家可再生能源实验室 (National Renewable Energy Laboratory) 使用冷冻水和直接冷却液 (DLC) 来提高效率和冗余度。这种灵活的方法确保了峰值负载下的可靠性。
水利用效率 (WUE) 是评估数据中心用水效率的关键指标。WUE 越低，节水效果越好。谷歌和微软等公司通过实施闭环水系统显著降低了 WUE。
然而，水基冷却系统并非没有挑战。水资源短缺以及对先进处理工艺的需求，例如防止结垢和微生物生长，仍然是关键问题。闭环系统循环使用相同的水，并越来越多地用于最大限度地减少水耗。
各种商用水处理聚合物可用于在冷却数据中心（DC）前后处理水。不同的阴离子和阳离子聚合物絮凝剂以及阳离子和阴离子混凝剂可用于去除悬浮固体和细小颗粒，提高冷却和水回用的效率。不同的聚合物阻垢剂也可用于处理在闭环系统中更常见的结垢，这可以提高水的再利用率，同时提高冷却效率。
事实上，从冷冻水系统和分布式冷却（DLC）到地热和海水冷却，水基冷却策略为现代数据中心提供了有效且可持续的解决方案。随着数据处理需求的增长，持续创新和负责任的水资源管理对于平衡性能和环境可持续性至关重要。
作者：Kumar Ajjarapu
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