摘要：綜述了相變材料在數(shù)據(jù)中心綠色冷卻方面的研究現(xiàn)狀。首先對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗情況和相變材料進(jìn)行簡單介紹，說明相變材料在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用意義，再從數(shù)據(jù)中心冷卻和儲(chǔ)能兩大方面分別敘述了相變材料的功能和應(yīng)用進(jìn)展，最后對(duì)相變材料在未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展進(jìn)行了展望，并為后來研究提供相關(guān)參考。

數(shù)據(jù)中心是一種用于提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和傳輸服務(wù)，并為相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)備的集中容納、互聯(lián)和操作提供安全彈性支持的場所。近年來隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信等信息技術(shù)的快 速發(fā)展，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)幾何級(jí)增長，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展也邁入新階段。預(yù)計(jì)至 2025 年，全球數(shù)據(jù)總量將 增加到 163ZB，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到 1500 億美元。此外與其他類型的建筑相比，數(shù)據(jù)中心的 能耗十分巨大。截至 2019 年，數(shù)據(jù)中心占全球總用電量的比例已達(dá) 3%，相當(dāng)于三峽水電站全年發(fā) 電量的 8 倍左右。并且隨著 IT 設(shè)備功耗逐步增大，數(shù)據(jù)中心的冷卻需求和總能耗也在不斷提高。 相變材料是建筑節(jié)能領(lǐng)域近來重點(diǎn)研究的方向之一，而數(shù)據(jù)中心作為特殊的建筑類型，相變材料在其內(nèi)部的應(yīng)用也得到了廣泛的關(guān)注。使用相變材料不僅可以提高數(shù)據(jù)中心的冷卻能力、降低冷卻能耗， 還能優(yōu)化數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境，提高數(shù)據(jù)中心工作安全性。因此，相變材料在數(shù)據(jù)中心中具有廣泛的應(yīng)用前景和節(jié)能潛力。

1 相變材料

相變材料(PCMs)是一種儲(chǔ)熱化學(xué)材料，其物理特征表現(xiàn)為在溫度不變的情況下改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱。相變材料在吸收熱量時(shí)能夠利用自身的相態(tài)變化將熱量儲(chǔ)存起來，當(dāng)需要熱量時(shí)再進(jìn)行逆相變，將熱量釋放出來。

相變材料按照其化學(xué)成分可以分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三類。無機(jī)相變材料主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等，生活中常見的水就是一種典型的無機(jī)相變材料。無機(jī)相變材料具有儲(chǔ)能密度大、相變體積變化小、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但這類材料在相變過程中容易出現(xiàn)過冷、相分離現(xiàn)象，相變循環(huán)穩(wěn)定性差。與無機(jī)相變材料相比，有機(jī)相變材料相變循環(huán) 穩(wěn)定，無過冷、相分離現(xiàn)象。但其存在導(dǎo)熱系數(shù)較小、相變體積變化較大等缺陷。有機(jī)相變材料主 要包括石蠟、脂肪酸類、多元醇類等。復(fù)合相變材料一般是由有機(jī)和無機(jī)相變材料組成。這類材料根 據(jù)其制備方法可進(jìn)一步分為混合型與定型?；旌闲蛷?fù)合相變材料制備簡單，是由多種相變材料直接混合而成。根據(jù)不同的材料配比可以制備不同相變溫度的混合型材料，但需要進(jìn)行封裝，容易發(fā)生泄露。定型復(fù)合相變材料被包容在一個(gè)個(gè)微空間，不易發(fā)生泄漏，安全性較高。

2 相變材料在數(shù)據(jù)中心冷卻中的應(yīng)用

相變材料在數(shù)據(jù)中心冷卻中的應(yīng)用主要包括制冷劑、浸沒液等。對(duì)于采用空氣冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，相變材料主要起輔助冷卻的作用，其能夠彌補(bǔ)冷卻單元的不足，降低冷卻能耗。在這類數(shù)據(jù)中心的冷卻環(huán)節(jié)，相變材料可以通過蒸發(fā)快速帶走熱量，提供更優(yōu)的熱環(huán)境。對(duì)于采用液體冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，相變材料可以作為冷卻介質(zhì)，突破風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心散熱極限，強(qiáng)化冷卻效果，獲得更高的工作效率。

2.1 相變制冷劑

相變制冷劑是一類通過相變吸收空氣中的熱量從而達(dá)到降溫效果的相變材料。目前制冷劑已在數(shù) 據(jù)中心中得到了廣泛的應(yīng)用，其工作地點(diǎn)通常為熱管。制冷劑的蒸發(fā)和冷凝能夠吸收和釋放大量熱量，提高機(jī)架的散熱性能。此外，制冷劑的應(yīng)用還能減少風(fēng)扇的應(yīng)用，降低數(shù)據(jù)中心工作噪聲。

佟振等使用相同的熱管系統(tǒng)分別研究了相變制冷劑為 CO2 和 R22 時(shí)數(shù)據(jù)中心的冷卻性能，并以最大傳熱能力、總傳熱熱阻和驅(qū)動(dòng)溫差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究結(jié)果表明：在熱管尺寸與充液率相同的情況下，以CO2 為工質(zhì)的冷卻系統(tǒng)制冷性能明顯優(yōu)于 R22。當(dāng)管徑為 9mm 時(shí)，CO2 熱管的最大傳熱能力較 R22 熱管高出 1800W，當(dāng)管徑為 12mm 時(shí)，CO2 熱管的最大傳熱能力高出 3200W。兩種熱管 的總傳熱熱阻都隨著傳熱量的增大而減小，但整體上 R22 熱管的總熱阻高于CO2熱管，相比于以 R22 為工質(zhì)的熱管，CO2熱管的驅(qū)動(dòng)溫差平均低 4℃。

張志遠(yuǎn)等采用實(shí)驗(yàn)和建立熱阻模型相結(jié)合的方法，分析了三維脈動(dòng)熱管耦合相變材料模塊在使 用不同工質(zhì)(甲醇、乙醇、丙酮)、不同充液率(34%，44%)情況下的傳熱特性，并研究了該模塊在數(shù)據(jù)中心不同送風(fēng)工況下的傳熱性能及在額定功率下的節(jié)能情況。研究結(jié)果表明：當(dāng)充液率從 34%提升至 44%，使用甲醇的熱管熱阻變化最小，傳熱穩(wěn)定性最佳；充液率為 34%時(shí)，熱管內(nèi)發(fā)展空間充足，氣液塞分布較均勻，不同管子之間壓差較大，傳熱性能要明顯優(yōu)于充液率為 44%的情況，使用充液率為 34%的甲醇工質(zhì)耦合模塊有利于提高數(shù)據(jù)中心的冷卻性能，其熱阻變化率為 48.7%，是所有工況中的最優(yōu)值。此外，耦合模塊的熱阻隨送風(fēng)溫度的增加而提升，隨風(fēng)速的增大而減小。當(dāng)芯片額定功率為 80W 時(shí)，采用該耦合模塊的數(shù)據(jù)中心相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心每年風(fēng)機(jī)功耗和芯片漏電量分別能夠減少 143.61kW·h 和 176.82kW·h。

丁濤等選擇位于北京的某數(shù)據(jù)中心為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以冷凍水為分離式熱管系統(tǒng)的制冷劑，主要研究了該熱管系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中的冷卻性能，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心 CRAC 系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，以火積損耗為數(shù)據(jù)中心冷卻性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究結(jié)果顯示，采用熱管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器芯片工作溫度遠(yuǎn)低于 40℃，內(nèi)部冷熱氣流摻混程度較低，氣流組織質(zhì)量明顯高于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，CRAC 系統(tǒng)的火積損耗比熱管系統(tǒng)火積損耗高出 25.4%，由此可見，采用分離式熱管系統(tǒng)比傳統(tǒng) CRAC 系統(tǒng)更為節(jié)能。

王振英等通過熱平衡實(shí)驗(yàn)對(duì) R22 制冷劑在一體式熱管系統(tǒng)的冷卻性能進(jìn)行了討論，該系統(tǒng)是由熱管循環(huán)系統(tǒng)和蒸汽壓縮循環(huán)系統(tǒng)復(fù)合而成，其最大特點(diǎn)是能夠適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。研究結(jié)果表明，使用 R22 制冷劑能夠以更小的驅(qū)動(dòng)溫差運(yùn)行熱管系統(tǒng)，這意味著一體式熱管系統(tǒng)能夠適用于更高的室外溫度環(huán)境，自然冷源的利用效率得到進(jìn)一步提升，數(shù)據(jù)中心具有更高效的冷卻效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，相較于傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)能夠使得數(shù)據(jù)中心 PUE 值降低 0.3，節(jié)能效果顯著。

2.2 兩相浸沒液

兩相浸沒液是數(shù)據(jù)中心浸沒式冷卻技術(shù)中所使用的一類新型冷卻介質(zhì)。相較于傳統(tǒng)單相浸沒液在發(fā)熱部件表面進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流直接吸收熱量達(dá)到冷卻效果，兩相浸沒液能夠在電子元件或封裝表面實(shí)現(xiàn)沸騰傳熱，利用浸沒液從液態(tài)向氣態(tài)變化所產(chǎn)生的相變潛熱，以更少的冷卻介質(zhì)達(dá)到同樣的散熱效果，大幅提高冷卻系統(tǒng)的散熱能力。此外，該類工質(zhì)還需具有沸點(diǎn)低、電子絕緣性好、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好以及綠色無污染等特性，目前市場上流行的兩相浸沒液主要以各類氟化物為主。

吳曦蕾等采用數(shù)值模擬的方法，研究了相變浸沒冷卻系統(tǒng)使用 4 種不同電子氟化液(D-1, FC72, HFE-7100,Novec 649)在不同箱體壓力、冷卻水流速和冷卻水進(jìn)口溫度下的工作情況，并將模擬結(jié) 果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，D-1 電子氟化液的適用壓力范圍最廣，啟動(dòng)所需熱流密 度最小，但其最大散熱能力不如其他工質(zhì)。隨著冷卻水流速的增大，蛇形管在 4 種氟化液蒸汽環(huán)境中 的冷卻能力也趨于飽和，其中當(dāng)工質(zhì)為 FC-72 與 HFE-7100 時(shí)，蛇形管帶走的熱量最多。此外，冷卻水進(jìn)口溫度與系統(tǒng)能量回收呈正相關(guān)，與系統(tǒng)冷卻能力呈負(fù)相關(guān)。

吳晨隆等使用絕緣性好、濕潤度高的兩相浸沒液 Novec 7100 作為數(shù)據(jù)中心的冷卻劑，構(gòu)建了 一個(gè)全浸沒冷卻系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)在不同工作強(qiáng)度下的熱力學(xué)性能和設(shè)備工作情況。研究結(jié)果表明，當(dāng)冷卻系統(tǒng)分別處于零負(fù)荷、半負(fù)荷和滿負(fù)荷時(shí)，數(shù)據(jù)中心 COP 值分別為 0.6，1.47 和 3.20，系統(tǒng)火用效率分別為 69.9%，68.6%和 65.9%，使用 Novec 7100 的冷卻系統(tǒng)在滿負(fù)荷的情況下 有效散熱能力不錯(cuò)，具有較好的冷卻效率。相關(guān)設(shè)備在各種工況下運(yùn)行良好，其中干燥塔的火用損率最高，平均能夠達(dá)到 69%。

3 相變材料在數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心具有 365 天不間斷運(yùn)行的特性，其冷卻系統(tǒng)也需保持全年不間斷工作，但受晝夜及季節(jié)性變化的影響，數(shù)據(jù)中心冷卻需求量和供給量往往不匹配，使用相變材料儲(chǔ)能可以解決這類問題。相變儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在冷卻需求量低時(shí)將多余的電量轉(zhuǎn)化為冷能，在冷卻需求增加的情況下再釋放出來， 起到削峰填谷的作用，不僅可以增加冷卻系統(tǒng)的散熱性能，還能提高數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)數(shù)據(jù)中心發(fā)生電力故障時(shí)，相變材料所儲(chǔ)存的冷能還將作為應(yīng)急冷源，保障數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行。

王子彪等針對(duì)沈陽某高校圖書館數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行了節(jié)能改造，在原有的空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)了相變蓄冷系統(tǒng)，以固化十二醇硬脂酸為蓄冷材料，并使用自然冷源能效比 FCE 等指標(biāo)來評(píng)價(jià)改造后的 數(shù)據(jù)機(jī)房。研究結(jié)果顯示，增設(shè)相變蓄冷系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)機(jī)房自然冷卻制冷量達(dá) 262680kW·h，制冷系統(tǒng)總耗電從原先的 235468kW·h 降低至 96489kW·h，能源使用效率 PUE 從 2.1 降低至 1.51，自然冷源能效比 FCE 從 0 提高至 4.99，由此可見相變材料對(duì)于北方地區(qū)的自然冷源有著很大的應(yīng)用前景。

陳曉明等使用 PCM 儲(chǔ)存夜間室外冷能和蒸汽壓縮制冷冷量，以減少數(shù)據(jù)中心等場所的冷卻能耗，通過實(shí)驗(yàn)和測(cè)量分析了采用 PCM 后冷卻系統(tǒng)的制冷量、COP 等數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，冷卻系統(tǒng)在使用 PCM 后，制冷量和 COP 值分別提升至 5.75kW 和 2.77，使用夜間室外儲(chǔ)能比蒸汽壓縮制冷更節(jié)能，但 PCM 吸收冷量所需時(shí)間較長。

4 結(jié)論

從上述研究現(xiàn)狀來看，相變材料在數(shù)據(jù)中心綠色冷卻領(lǐng)域?qū)⒕哂泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿?，相變材料在?shù)據(jù)中心中不僅可以作為冷卻介質(zhì)強(qiáng)化冷卻效果，還可以作為儲(chǔ)能材料降低冷卻能耗，提高數(shù)據(jù)中心經(jīng)濟(jì)性。但相變材料的使用仍具有一定的局限性，例如受環(huán)境溫度影響相變材料工作不穩(wěn)定、兩相浸沒液的泄漏問題、相變材料的耐久性安全性問題等，未來相變材料在數(shù)據(jù)中心中的優(yōu)化應(yīng)用將圍繞這些方面展開。

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本文標(biāo)題：相變材料在數(shù)據(jù)中心綠色冷卻中的研究進(jìn)展

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