對于一個PUE=1.5的數(shù)據(jù)中心,基礎(chǔ)設(shè)施的耗能主要來自電力設(shè)備自身的耗能和制冷系統(tǒng)的耗能,另外還有照明+其他輔助設(shè)施(加濕、新風(fēng)、智能化等)的耗能,這三部分耗能的占比見圖1?？梢娀A(chǔ)設(shè)施的耗能中,機械制冷系統(tǒng)的耗能占到總耗能的23%。近三年來數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)冷卻、熱管和液冷技術(shù)以及產(chǎn)品上有了創(chuàng)新和突破,在進一步提高制冷系統(tǒng)的能效和節(jié)能上收到了較好的效果,在數(shù)據(jù)中心逐步被采用和推廣。蒸發(fā)冷、熱管和液冷在降低能耗上的優(yōu)越性也將成為今后數(shù)年數(shù)據(jù)中心降低制冷系統(tǒng)能耗發(fā)展趨勢。

一、蒸發(fā)冷卻節(jié)能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用與前景

蒸發(fā)制冷主要利用水分子蒸發(fā)相態(tài)產(chǎn)生變化時吸熱的特性達到制冷效果,在濕球溫度較低、空氣干燥工況下可達到較好的制冷效果,見示意圖2。蒸發(fā)冷卻是將潛熱轉(zhuǎn)變?yōu)轱@熱。將未飽和空氣暴露在自由的、溫度較低的水表面中,并且水和空氣融合,可以冷卻未飽和空氣。一部分空氣顯熱轉(zhuǎn)移到水中,并通過一部分的水的蒸發(fā)變?yōu)闈摕帷?/p>

空氣干燥、濕球溫差稱為濕球溫降,空氣越干,這個溫差越大,利用這個蒸發(fā)冷卻后的溫降,可以充分降低室外空氣的溫度,然后利用其冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的熱空氣,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的制冷。

1.1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的分類與原理

蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要分為四種形式:

1）直接蒸發(fā)冷卻:是指空氣與水大面積的直接接觸,由于水的蒸發(fā)使空氣和水的溫度都降低,此過程中空氣的含濕量有所增加,空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱,這是一個絕熱降溫加濕過程。被冷卻空氣與蒸發(fā)水分直接接觸,可通過噴淋室、濕膜加濕、噴霧加濕等形式來降低環(huán)境的溫度,直接蒸發(fā)冷卻原理見圖3。

2）間接蒸發(fā)冷卻:是把直接蒸發(fā)冷卻過程中降溫后的空氣和水通過非接觸式換熱器冷卻待處理的空氣,可通過表冷器換熱、間接蒸發(fā)盤管換熱等形式來降低環(huán)境的溫度,得到溫度降低而含濕量不變的送風(fēng)空氣,此過程為等濕冷卻過程。間接蒸發(fā)冷卻裝置原理圖4。

3）間接+直接蒸發(fā)冷卻:根據(jù)送風(fēng)含濕量的要求,在間接蒸發(fā)冷卻模塊后增加直接蒸發(fā)冷卻模塊,新風(fēng)被降溫、并被適當加濕,調(diào)節(jié)送風(fēng)的濕度。間接+直接蒸發(fā)冷卻原理見圖5。

4）蒸發(fā)冷卻+機械制冷:雖然在自然蒸發(fā)冷卻的過程中所消耗的能量較少,主要是風(fēng)機和水泵耗能,與目前主流的機械制冷的空調(diào)相比在節(jié)能和經(jīng)濟性上更有優(yōu)勢。但是直接和間接蒸發(fā)冷卻無法滿足全年所有工況可以提供數(shù)據(jù)中心需要的制冷要求,因為在室外溫度(夏季)上升時,換熱器的換熱效率下降,不能滿足機房送風(fēng)溫度要求時,必須增加機械制冷系統(tǒng)的補充。間接蒸發(fā)冷卻+機械制冷原理圖見圖6。

1.2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備按熱交換器形式不同大致可分為板式、管式、板管式等形式。無論哪種換熱器都具有兩個互不聯(lián)通的空氣管道,借助兩個通道的間壁,使空氣得到冷卻。

1）管式換熱器

數(shù)據(jù)中心內(nèi)熱空氣從側(cè)面進入換熱器,延管道被冷卻后再次送入數(shù)據(jù)中心。室外側(cè)干冷空氣從底部進入換熱器,在管道外側(cè)蒸發(fā)冷卻降溫后再冷卻管內(nèi)的熱空氣,然后從上部排出。管式換熱器換熱過程見圖7。

2）板式換熱器

板式間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備由一組金屬板或復(fù)合材料組成。板式間接蒸發(fā)冷卻其中的二次空氣來自于室外新風(fēng),一二次空氣的比例對板式間接蒸發(fā)冷卻效率影響較大,兩側(cè)空氣在熱交換器表面上進行熱交換。見圖8。

3）板管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻式結(jié)構(gòu)上將冷凝器和冷卻塔合二為一,省略冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞階段;充分利用水的蒸發(fā)潛熱冷卻工藝流體,用水量為水冷式冷凝器的45～50%。該系統(tǒng)運行和冷卻完全使用數(shù)據(jù)中心室內(nèi)回風(fēng),省去了間接蒸發(fā)冷卻器的空氣過濾器,而是額外設(shè)置旁通過濾機組,這與所有的機組都裝過濾器相比,減少了過濾器的投入、維護費用及風(fēng)機功率,也減少了室外空氣污染物影響IT設(shè)備的風(fēng)險。同時,為了給人員提供新風(fēng)或維持室內(nèi)正壓,根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,裝配設(shè)有加濕和除濕功能的新風(fēng)機組,以此來提供通風(fēng)和濕度控制。

4）其他相關(guān)技術(shù)研究

上述間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組載冷介質(zhì)皆為空氣,目前大型數(shù)據(jù)中心普遍采用冷凍水系統(tǒng),故將間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)融合進冷凍水系統(tǒng)成為研究方向。市面上可見的蒸發(fā)冷卻冷水機組主要有兩種:第一種將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于機械式冷水機組的冷凝器部分,嚴格來說只是蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用,通過高換熱系數(shù)的蒸發(fā)式冷凝器獲得較低的系統(tǒng)冷凝溫度從而提高機組能效;第二種即利用蒸發(fā)冷卻過程直接出冷水,是一種純粹的蒸發(fā)冷卻冷水機組,是完全的自然冷卻。蒸發(fā)冷卻冷水機組系統(tǒng)示意如圖9所示。

為獲得在高溫天氣仍能直接使用的低溫水,機組設(shè)置了預(yù)冷段、間接蒸發(fā)冷卻段和直接蒸發(fā)冷卻段。室外新風(fēng)首先在預(yù)冷段由系統(tǒng)回水進行預(yù)冷,然后經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻段等濕減焓降溫,經(jīng)過兩次降溫后的空氣最終在直接蒸發(fā)段制取冷水。在干球溫度33.5℃、濕球溫度18.2℃的室外條件下,可獲得16℃的出水溫度。

1.3 數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷運行模式

數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要是以自然冷卻為主,機械制冷為輔,蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要運行的模式可分為干、濕和混合等三種模式。

1）干模式:在室外干球溫度低于16℃左右,依靠室內(nèi)外空氣在換熱芯體換熱就可以提供足夠的冷量,此時運行在干工況。此時噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機械制冷系統(tǒng)都不工作。室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)直接經(jīng)換熱器換熱,數(shù)據(jù)中心較高的回風(fēng)經(jīng)由空氣-空氣換熱器被室外的低溫空氣直接冷卻。見圖10。

2）濕模式:當室外環(huán)境溫度較溫和時(濕球溫度高于19℃左右),機組運行在濕模式。此時開啟噴淋蒸發(fā),而機械制冷系統(tǒng)仍然不工作。室外空氣通過增發(fā)冷卻系統(tǒng)進行預(yù)降溫,然后再經(jīng)由空氣空氣換熱器冷卻數(shù)據(jù)中心回風(fēng)。見圖11。

3）混合模式:當室外濕球溫度較高時(濕球溫度高于19℃左右),特別是在炎熱天氣,自然冷卻無法滿足制冷需求,開啟壓縮制冷系統(tǒng)補充不足的部分。采用蒸發(fā)冷卻+高效換熱+壓縮制冷的運行模式，稱為混合工況。此時噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機械制冷系統(tǒng)同時工作，共同達到所需要的制冷量。見圖12。

1.4 蒸發(fā)冷系統(tǒng)優(yōu)勢和關(guān)注問題

近幾年來,蒸發(fā)冷卻(特別是間接蒸發(fā)冷卻)空調(diào)機組成為行業(yè)節(jié)能應(yīng)用熱點,國內(nèi)外許多的廠商都研制和推出了相關(guān)產(chǎn)品。蒸發(fā)冷卻空調(diào)與傳統(tǒng)的壓縮機型空調(diào)相比,具有以下優(yōu)點:

1）耗能與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比能效有了明顯的提升:蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備中所需的主要動力為風(fēng)機和水泵動,無制冷壓縮機,能效比COP值很高,通常機械制冷系統(tǒng)的耗電為50W/m2左右,而蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)為10W/m2左右,節(jié)電80%左右。

2）蒸發(fā)冷卻空調(diào)運行方式為全新風(fēng)運行:且具有空氣過濾和加濕功能,不斷輸入100%新鮮冷空氣,有效的正壓送風(fēng)可使有害的空氣排出室外,保持室內(nèi)潔凈;大大改善其室內(nèi)空氣品質(zhì)。

3）保護環(huán)境,零污染:由于蒸發(fā)冷空調(diào)設(shè)備主要是以水為制冷劑,對大氣無污染。

4）模塊化、工廠預(yù)制:蒸發(fā)冷卻改變了目前主流水冷機組的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)模塊化和在工廠的預(yù)制，現(xiàn)場安裝，沒有管道的連接和安裝，減少工期。

目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用的主要形式為間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組、直接蒸發(fā)新風(fēng)系統(tǒng);雖然蒸發(fā)冷卻技術(shù)有上述眾多的優(yōu)點和優(yōu)勢,但是還需要看到蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和環(huán)境上存在的問題,主要體現(xiàn)在以下幾點:

1）對建筑的要求

蒸發(fā)冷卻技術(shù)上采用水與空氣換熱交換,決定了在建筑上需要有特殊的空間(專用的水和空氣蒸發(fā)交換空間、機房回風(fēng)空間)，因此采用蒸發(fā)冷的系統(tǒng)改變了以往數(shù)據(jù)中心建筑的功能布局、層高、空氣進出流動通道，見示意圖13和實例案例圖14。

對于采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,規(guī)模(機柜數(shù)、單機柜容量)差異化,需要定制化的設(shè)計,沒辦法簡單化的復(fù)制,因為進排口的設(shè)置需求,在高層建筑數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用較為困難。另外由于間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組產(chǎn)品還未形成統(tǒng)一的標準化,不同的廠家尺寸差異較大,導(dǎo)致建筑的設(shè)計的通用性較差。目前在大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)中,采用間接換熱空調(diào)機組

大部分都是采用外置的方式,在建筑結(jié)構(gòu)上采用工業(yè)廠房的模式,見圖15。

2）地域條件的要求

蒸發(fā)冷卻更適用于空氣干燥的地區(qū),蒸發(fā)冷卻過程中空氣越干燥,干濕球溫差越大,“干空氣能”的利用率越強,能獲得的溫度就越低。

根據(jù)中國的氣候特點和干濕地區(qū)分布,蒸發(fā)冷卻技術(shù)建議在“胡煥庸線”的左邊氣候比較干燥的區(qū)域使用,可以達到更好的節(jié)能和節(jié)水效果。見圖16。

不是說在我國中東部(紅線右邊)的區(qū)域就不能采用蒸發(fā)冷,而是需要考慮在這些地區(qū)高濕不僅降低了換熱的效率,還需要考慮增加除濕所需要的耗能,最終影響節(jié)能的實際效果。

3）對空氣質(zhì)量的要求

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組工作原理為外部空氣與水的換熱,然后再通過空空換熱器來冷卻室內(nèi)空氣。目前間接換熱空調(diào)機組基本都采用板式換熱器,室外空氣中的灰塵、顆粒物等,通過加濕后,會附著在換熱器表面,時間長了會大大影響換熱器的效果。現(xiàn)在國外也在積極研究采用高分子材料替代傳統(tǒng)的金屬換熱器,來降低空氣質(zhì)量對換熱器效率的影響。

直接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)系統(tǒng),室外空氣經(jīng)過過濾和加濕降溫后直接送到數(shù)據(jù)中心機房內(nèi),空調(diào)的品質(zhì)直接關(guān)系IT的運營穩(wěn)定。

因此需要關(guān)注空氣的質(zhì)量對持續(xù)制冷和對IT設(shè)備的影響,差的空氣質(zhì)量將降低換熱的效果和維護難度以及維護的成本,當遇到沙塵暴時還將引發(fā)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)無法正常運行。另一方面空氣中有害的氣體(如硫化物等)也會導(dǎo)致IT設(shè)備電路腐蝕,導(dǎo)致短路或短路而不能正常運行。因而目前采用蒸發(fā)冷的數(shù)據(jù)中心大多會設(shè)計兩種制冷系統(tǒng)的并存,有些還增加有害氣體的檢測和過濾裝置,不僅增加投資還增加后期的運維成本。

4）運維中的問題

目前蒸發(fā)冷的水質(zhì)問題是影響蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)推廣使用的主要限制因素之一,結(jié)垢、污泥、菌澡滋生、腐蝕穿孔,不僅降低了系統(tǒng)的冷卻效率、設(shè)備的使用壽命,同時也影響到正常的運行。另外在北方冬季的結(jié)冰現(xiàn)象什分嚴重,影響到冷卻塔的散熱效果、加大冷卻塔的承重、損害填料和管道,同樣影響冷卻塔的使用壽命。見圖17。

5）蒸發(fā)冷卻還不能完全取代機械制冷系統(tǒng)

與機械制冷相比,蒸發(fā)冷卻還存在著很多不足之處。如體積大、缺乏除濕功能,冷卻空氣的能力受外界氣候環(huán)境(雨雪、風(fēng)沙等惡劣天氣)的影響嚴重,多級蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)控制較復(fù)雜等。當僅靠蒸發(fā)冷卻不能達到制冷要求時,還需要機械制冷進行補償,因此,將機械制冷與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合,取長補短。

總之,數(shù)據(jù)中心需要全年制冷,而直接和間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有明顯的“靠天吃飯”屬性。國內(nèi)除了西北某些地區(qū)氣候能夠使用該技術(shù)實現(xiàn)全年制冷,絕大多數(shù)地區(qū)需要配置機械制冷機組補充冷量,在極端高溫天氣負擔蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)欠缺的制冷量,但這又引起人們對于安全方面的擔憂。一方面,蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組體積較大,需要與機柜通道通常一一對應(yīng),與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的備份理念存在一定偏差;另一方面,若按極端工況下間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)制冷能力的最大欠缺量配置機械組件且考慮不間斷供冷需求,則極大增加了對于機械組件的相應(yīng)UPS及電池配置。故蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組更適宜應(yīng)用于非夏熱冬暖地區(qū)。

二、熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用與前景

近幾年來制冷技術(shù)的研究和制造商將熱管技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)中,熱管具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢,在數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)節(jié)能和節(jié)水方面收到良好的效果。

2.1 熱管技術(shù)原理

典型的熱管由管殼、吸液芯和工作介質(zhì)組成。管殼為兩端密封的圓柱管,管的內(nèi)壁貼附同心圓筒式的金屬絲網(wǎng)或其它多孔介質(zhì),即吸液芯。對熱管的一端加熱后,由于管內(nèi)壓力很低,工質(zhì)吸收熱量變?yōu)檎羝?然后在壓差作用下流向另一端,向外界釋放熱量后再凝結(jié)成液體,依靠吸液芯的毛細抽吸力流回加熱段,再次受熱氣化,如此往復(fù)循環(huán),就可以連續(xù)不斷地將熱量從一端傳遞到另一端。見圖18。

將熱管技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng),是利用室內(nèi)、外溫差通過熱管將室內(nèi)熱量交換到室外,從而降低室內(nèi)溫度的系統(tǒng)設(shè)備。熱管換熱系統(tǒng)利用循環(huán)工質(zhì)的氣液相變來傳遞熱量,通過特殊的管路聯(lián)接,將蒸發(fā)段和冷凝段分離開來,室內(nèi)機為該系統(tǒng)的吸熱端,冷凝器為其放熱端,室內(nèi)機中的工質(zhì)在機房內(nèi)吸熱蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài),經(jīng)過氣管流入冷凝器,并在冷凝器內(nèi)放熱冷凝為液態(tài),然后通過液管回到室內(nèi)機繼續(xù)吸熱蒸發(fā)。熱量傳輸是無源運行,無運動部件,零能耗且故障率極低。熱管技術(shù)工作原理見圖19。

熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移過程中,包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程:

(1)熱量從熱源通過管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面;

(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā);

(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段;

(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié);

(5)熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;

(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回到蒸發(fā)段。

由于熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體的相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件,所以其具有以下優(yōu)點:

(1)超強的導(dǎo)熱性能:熱管依靠工作介質(zhì)的汽、液相變傳熱,換熱系數(shù)高,傳熱熱阻很小,可傳遞熱流密度較大。其導(dǎo)熱系數(shù)比金、銀、銅、鋁等優(yōu)良導(dǎo)熱體高出了幾個數(shù)量級。

(2)優(yōu)良的等溫性:由于熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài),其粘度較低,在流動中產(chǎn)生的壓降很小,所以熱管的蒸發(fā)段與冷凝段之間的溫差很小,近似等溫。

(3)可變熱流密度:可以通過獨立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積的方法調(diào)節(jié)蒸發(fā)段和冷凝段的熱流密度，以解決其他傳熱方式難以解決的問題。

(4)熱流傳遞方向可控:通過改變內(nèi)部循環(huán)力的方式,可以實現(xiàn)熱流單向傳遞、雙向傳遞、抗重力傳遞等。

(5)環(huán)境適應(yīng)性強:熱管的形狀可根據(jù)熱源和冷源的條件靈活變化,其形狀可制成電機的轉(zhuǎn)軸、燃氣輪機葉片、鉆頭、手術(shù)刀等;可應(yīng)用于地面(重力場),也可以應(yīng)用于空間(無重力場)。

(6)熱管屬于被動傳熱:工質(zhì)在熱管內(nèi)的流動循環(huán)完全依靠管內(nèi)結(jié)構(gòu)及工質(zhì)自身的熱力平衡實現(xiàn),沒有任何動力部件,屬于無耗能傳熱,工作性能穩(wěn)定,可靠性高。

從熱管的工作原理可以看出,熱管是基本無耗能的原件,通過實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移從而進行制冷。

2.2 熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

目前熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)品主要有以下三個系統(tǒng):

1）單熱管式制冷系統(tǒng)

單熱管精密空調(diào)由熱管、蒸發(fā)器、EC風(fēng)機和室外機組成,在結(jié)構(gòu)與水冷末端精密空調(diào)相似,但采用氟的冷媒,無制冷壓縮機,室外機采用風(fēng)冷或蒸發(fā)冷卻。有效的提高制冷的能效。見圖20。

熱管式機房精密空調(diào)適用于常年可以使用低溫自然冷源的地區(qū),不需要機械制冷,只有室內(nèi)和室外風(fēng)機的耗能,有效降低空調(diào)的耗能,提升制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果。

2）熱管+機械制制冷系統(tǒng)

在我國有很多的地區(qū)采用全熱管技術(shù)的制冷空調(diào)還無法滿足全年所有工況可以提供數(shù)據(jù)中心需要的制冷要求,因為在夏熱冬暖的地區(qū),室外溫度限制了熱管技術(shù)的使用,室外換熱器換熱效率下降或無法對氣化的媒介進行降溫,不能滿足機房送風(fēng)溫度要求時,為此制冷的廠商在熱管精密空調(diào)機中增加了機械制的裝置,機械制冷作為熱管制冷的補充,很好的解決了區(qū)域氣候條件不足的缺陷,見圖21。

熱管+機械制冷系統(tǒng)的全年運行模式分為三種:壓縮機制冷模式、部分自然冷卻模式、完全自然冷卻模式。

當室外濕球溫度t>T1℃(可調(diào))時，壓縮機工作，自然冷源不工作，系統(tǒng)運行模式為冷機制冷模式。

當室外濕球溫度T1<t≤T2℃(可調(diào))時,壓縮機工作,自然冷源工作,系統(tǒng)運行模式為部分自然冷卻模式。

當室外濕球溫度t≤T2℃(可調(diào))時,壓縮機不工作,自然冷源工作,系統(tǒng)運行模式為完全自然冷卻模式。

熱管+機械制冷模式產(chǎn)品有區(qū)域機柜式和行間空調(diào)兩種,以適應(yīng)不同規(guī)模數(shù)據(jù)中心的需要。

3）重力熱管背板

重力熱管型背板空調(diào)是熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心另一種應(yīng)用,安裝在機柜后門,與機柜緊密結(jié)合,通過水冷冷凝器中工質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝循環(huán)直接冷卻機柜排風(fēng),機柜外部形成冷環(huán)境。熱管運行時工質(zhì)回流依靠重力,無須其它動力。熱管背板系統(tǒng)主要由外殼、風(fēng)機、換熱盤管、控制器、水冷冷凝器、熱管工質(zhì)、熱管工質(zhì)管道、水過濾器及群控系統(tǒng)等組件組成,應(yīng)能實現(xiàn)機組最優(yōu)性能和保證工藝設(shè)備等安全運行。重力熱管型背板空調(diào)系統(tǒng)示意和氣流組織如圖22所示。

重力熱管型背板空調(diào)適用于前進風(fēng)后出風(fēng),標準服務(wù)器機柜,安裝在機柜后門,與機柜緊密結(jié)合與機柜形成一體,更接近熱源,機柜內(nèi)部服務(wù)器空氣流動分布均勻。重力熱管型背板空調(diào)更有利于機柜吸收、散熱制冷效果。目前重力熱管型空調(diào)主要用于8KW～15KW中高密機柜的制冷。

重力熱管型背板空調(diào)優(yōu)勢有:

(1)冷媒管進機房,無水患。

(2)不占機柜位,可增加機房出架率。

(3)建筑也無需做預(yù)留,后期建設(shè)靈活。

(4)風(fēng)機備份:風(fēng)機選用多個軸流EC風(fēng)機,可通過控制單元實現(xiàn)調(diào)速功能,且風(fēng)量放有1.2倍余量,風(fēng)機接線口采用插拔結(jié)構(gòu)。萬一有某個風(fēng)機出現(xiàn)故障,其余風(fēng)機將自動提高轉(zhuǎn)速,保證機柜正常運行所需風(fēng)量,并報故障。維護人員有充分的時間替換風(fēng)機。

(5)背板內(nèi)雙盤管設(shè)計,安全可靠;

(6)電源備份:為保證產(chǎn)品的可靠性,可使用雙路電源供電,以防止有一路電源斷電后,風(fēng)機無法運行。

重力熱管型背板空調(diào)需要關(guān)注一下的問題:

該技術(shù)目前還只是在某運營商已完成試點并規(guī)模推廣，一般適用于前進風(fēng)后出風(fēng)的標準機柜形式，并且機柜內(nèi)負載需垂直方向均勻分布，前期規(guī)劃需要與使用方確認后期業(yè)務(wù)類型及服務(wù)器形式。

根據(jù)以往試點機房的建設(shè)價格,背板的投資約為普通冷凍水房間空調(diào)建設(shè)模式(地板下送風(fēng)+冷通道封閉)的1.2倍。

制冷管路上、下均走線,或全部上走線,冷量分配模塊需高于機柜1m就近安裝,空調(diào)數(shù)量、管路多,工藝要求高。

機柜、熱管背板、冷量分配模塊供應(yīng)商需緊密合作。

2.3熱管技術(shù)與傳統(tǒng)空調(diào)方案對比

以1棟10000m2機樓為例,對風(fēng)冷房間級空調(diào)、冷凍水房間級空調(diào)、熱管+機械制冷精密空調(diào)、熱管背板空調(diào)的建設(shè)成本、節(jié)能效果等進行分析對比,見表1。

熱管技術(shù)是在傳統(tǒng)壓縮制冷空調(diào)基礎(chǔ)上的演進而來,熱管循環(huán)是無動力循環(huán),具有更好的節(jié)能性。

熱管背板除了結(jié)合冷凍水系統(tǒng)的應(yīng)用外,現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的廠家也研發(fā)出多聯(lián)式風(fēng)冷熱管主機,該產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心使用,可以實現(xiàn)快速部署,因為復(fù)合了自然冷卻模板和機械制冷模板,節(jié)能性更好。

總結(jié):熱管技術(shù)充分利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，將機房內(nèi)的熱量迅速傳遞到室外；熱管技術(shù)因為具有無漏水風(fēng)險、安裝方便、無動力循環(huán)、節(jié)能效果好等特點，未來會在數(shù)據(jù)中心空調(diào)建設(shè)中，扮演更重要的角色。

三、液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中制冷系統(tǒng)的應(yīng)用與前景

現(xiàn)階段主流數(shù)據(jù)中心所用空調(diào)類型,無論是風(fēng)冷還是水冷,無論是房間級還是行級、背板式,都是先冷卻空氣,再通過冷空氣與服務(wù)器的發(fā)熱元器件進行熱交換,這種冷卻方式被稱為空氣冷卻或“空冷”。由于空氣的換熱效率差,熱流密度低,造成服務(wù)器需要自帶散熱風(fēng)扇,不僅增加冷卻能耗,而且噪聲大、設(shè)備密度低等問題。當單機架功率密度接近20kW時,風(fēng)冷系統(tǒng)就已達到制冷極限,為解決服務(wù)器散熱難題,廠商開始嘗試使用液態(tài)流體作為熱量傳輸?shù)闹虚g媒介,將發(fā)熱源的熱量通過液體的載體直接傳遞到遠處再進行冷卻,即“液冷”。由于液體冷媒比空氣的比熱大,散熱速度遠遠大于空氣,因此制冷效率遠遠高于風(fēng)冷散熱,可有效就近解決服務(wù)器的散熱問題,降低冷卻系統(tǒng)能耗和噪聲。

3.1液冷技術(shù)工作原理和分類

液冷是指使用高比熱容的液體作為熱量傳輸?shù)慕橘|(zhì)代替空氣,將IT設(shè)備的CPU、芯片組、存儲等功能器件在運行時所產(chǎn)生的熱量帶走。目前液冷按照冷卻原理、技術(shù)和產(chǎn)品形態(tài)主要分為以下三種:

1）冷板式液冷技術(shù)

冷板式液冷技術(shù)是液體不接觸被冷卻器件,將液冷冷板固定在服務(wù)器的主要發(fā)熱器件上,依靠流經(jīng)冷板的液體將熱量帶走達到散熱目的。該技術(shù)將冷媒直接導(dǎo)向熱源,同時由于液體比空氣的比熱大,散熱速度遠遠大于空氣,因此制冷效率遠高于風(fēng)冷散熱。冷板模塊結(jié)構(gòu)示意圖和服務(wù)器采用冷板實例見圖23。

冷板液冷解決了服務(wù)器里發(fā)熱量大的器件的散熱,其他散熱器件還得依靠風(fēng)冷。所以采用冷板式液冷的服務(wù)器也稱為氣液雙通道服務(wù)器。

冷板技術(shù)可有效解決高密度服務(wù)器散熱問題,降低冷卻系統(tǒng)能耗,而且降低對環(huán)境制冷要求,同時降低噪聲。采用冷板技術(shù)的液冷系統(tǒng)主要由冷板模塊、內(nèi)循環(huán)冷媒傳導(dǎo)系統(tǒng)和外水循環(huán)冷卻水散熱系統(tǒng)三部分組成。板模塊服務(wù)器發(fā)熱元器件產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出到服務(wù)器機箱外，然后通過內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)將熱量帶出數(shù)據(jù)中心。冷板式液冷系統(tǒng)工作原理如圖24所示。

2）浸沒式液冷技術(shù)

浸沒式液冷技術(shù)是一種以液體作為傳熱介質(zhì),將發(fā)熱元器件完全或部分浸沒在液體中,發(fā)熱元器件與液體直接接觸并進行熱交換的技術(shù)。在數(shù)據(jù)中心液冷制冷系統(tǒng)中,浸沒式液冷技術(shù)是將服務(wù)器的板卡、CPU、內(nèi)存等發(fā)熱元器件完全浸沒在冷卻液中,直接帶走服務(wù)器熱量。根據(jù)冷卻液工質(zhì)的制冷形態(tài)分為單相浸沒和相變浸沒。單相浸沒式冷卻液不蒸發(fā)、不沸騰,靠液體的溫升和流動進行熱交換;相變浸沒式冷卻液通過沸騰、蒸發(fā)利用汽化潛熱帶走熱量,相變的液態(tài)技術(shù)具有更高的傳熱效率。見圖25所示。

浸沒式液冷技術(shù)利用液體的流動直接與發(fā)熱元器件接帶走熱量,減少了傳熱過程的熱阻,相比冷板式液冷,具有更高的傳熱效果,是也冷卻技術(shù)中最節(jié)能、最高效新型制冷模式,見圖26。

3）噴淋式液冷技術(shù)

噴淋技術(shù)是將冷卻液直接通過服務(wù)器機箱上的噴淋板,噴射到發(fā)熱設(shè)備表面或與其接觸的延伸表面,噴淋的液體和被冷卻器件直接接觸,帶走熱量,從而達到設(shè)備的冷卻的目的。吸收的熱量被轉(zhuǎn)移到室外,并與大型冷卻源的外部環(huán)境交換,降溫后再送往服務(wù)器,循環(huán)使用。噴淋式液冷技術(shù)原理和工作示意見圖27。

噴淋式液冷技術(shù)需要對服務(wù)器的機殼或者對整體機柜做相應(yīng)的改造。

噴淋服務(wù)器機箱:與普通服務(wù)器機箱相比,主要特點是取消了風(fēng)扇的進出風(fēng)口,改為進液口與回液口。服務(wù)器機箱有密封處理,防止冷卻液泄露;機箱頂板改為噴淋板,用于向發(fā)熱器件噴灑絕緣冷卻液;

液冷機柜:液冷機柜內(nèi)部設(shè)有進液管與回液管,進液管向IT設(shè)備供應(yīng)冷卻液,回液管回收被加熱后的冷卻液;

噴淋冷卻系統(tǒng)主要包括向IT設(shè)備噴灑冷卻液的布液裝置(包括特制的噴淋服務(wù)器機箱,特制的液冷機柜),冷量分配單元(CDU),室外散熱器;冷量分配單元:內(nèi)部主要包括泵,過濾器,換熱器,其中,泵的作用是驅(qū)動冷卻液流動,向IT設(shè)備內(nèi)不間斷輸送冷卻液;過濾器作用是濾除冷卻液內(nèi)部的微米級雜質(zhì),防止固體雜質(zhì)在IT設(shè)備上沉積;換熱器作用是將冷卻液的熱量與二次循環(huán)回路中的冷媒(如水,乙二醇)進行熱交換,見圖28。

室外散熱器:布置于室外的散熱器將二次循環(huán)回路中的冷媒與室外空氣進行熱交換,將熱量散失到外部大氣,散熱器通常使用空調(diào)行業(yè)常用的管翅式換熱器,工業(yè)常用的板翅式換熱器,以及冷水塔。管翅式換熱器,板翅式換熱器,冷水塔能夠最大程度利用自然冷源-空氣,無需采用能效較低的壓縮制冷方式,因此較節(jié)能。

4）冷卻液類型

在液冷技術(shù)中的制冷媒介常用的冷卻液有水、礦物油和氟化液。

水,有良好的比熱容,是一種優(yōu)秀的散熱媒介,價格低廉無污染。但由于水并非絕緣體,只能應(yīng)用于非直接接觸型液冷技術(shù)中。

礦物油,是一種價格相對低廉的絕緣冷卻液,單相礦物油無味無毒不易揮發(fā),是一種環(huán)境友好型介質(zhì),但是,由于礦物油粘性較高比較容易殘留,特定條件下有燃燒的風(fēng)險。

氟化液,由于具有絕緣且不燃的惰性特點,不會對設(shè)備造成任何影響,是目前應(yīng)用最廣泛的浸沒式冷卻液,但價格較為昂貴。

3.2液冷的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

1）液冷技術(shù)的優(yōu)勢

(1)熱量帶走更多:同體積液體帶走熱量是同體積空氣3000倍,溫度傳遞更快:液體導(dǎo)熱能力是空氣25倍;可大幅降低CPU和系統(tǒng)的溫度,提高CPU元器件的使用壽命,并提升運算能力;

(2)冷板式液冷技術(shù)可將服務(wù)器風(fēng)扇功耗可以降低70%～80%,空調(diào)系統(tǒng)功耗降低70%;

(3)噪音品質(zhì)更好:同等散熱水平時,液冷系統(tǒng)噪音比風(fēng)冷噪音降低可降低機房噪音20～30dB;

(4)耗電節(jié)能更省:液冷系統(tǒng)約比風(fēng)冷系統(tǒng)節(jié)電30%以上。

2）液冷技術(shù)應(yīng)用的場景

冷板式液冷可以將原有風(fēng)冷服務(wù)器升級改裝成冷板式服務(wù)器，使數(shù)據(jù)中心PUE有較大大幅度降低。目前冷板式液冷技術(shù)在服務(wù)器中已經(jīng)有標準化產(chǎn)品，曙光、微軟和浪潮等都推出基于冷板技術(shù)的服務(wù)器，進入商用。有效解決了服務(wù)器高密度散熱問題，冷板式液冷更適合用于單機柜15kW～30kW的中高密度數(shù)據(jù)中心。

浸沒式液冷技術(shù)目前還處于按客戶需求定制化階段,沒有標準化產(chǎn)品,服務(wù)器的制造商按照需求和提供液冷技術(shù)產(chǎn)品的廠商合作,按照浸沒式液冷的要求的定制專用的機柜、機柜內(nèi)集成電路的插槽和板卡以及所帶板卡的數(shù)量。目前只是在個別的BAT的數(shù)據(jù)中心和超算的數(shù)據(jù)中心有應(yīng)用,浸沒式液冷更適用于單機柜功率60kW以上的高密度數(shù)據(jù)中心。

噴淋式液冷技術(shù)目前主要用于現(xiàn)有機柜的節(jié)能改造，對原有服務(wù)器的機柜和服務(wù)器機殼進行改造，將原有的通過風(fēng)扇降溫的服務(wù)器改造成噴淋式液冷，降低服務(wù)器的耗能和制冷系統(tǒng)的耗能，應(yīng)該說有對老舊的數(shù)據(jù)中心降能節(jié)能很廣闊的應(yīng)用價值。

3.3液冷的發(fā)展挑戰(zhàn)與前進之路

目前液冷技術(shù)有非常驕人的能效和優(yōu)勢,在一些服務(wù)器的制造商和數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用,但在液冷仍然面臨著許多的挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)有:

1）涉及到上游、中游和下游的協(xié)同

在傳統(tǒng)的風(fēng)冷和水冷系統(tǒng)是對機房環(huán)境溫度的控制,服務(wù)器與制冷系統(tǒng)是完全割裂的。而無論是間接或直接的液態(tài)冷卻方式都必須涉及上游(產(chǎn)品制造)、中游(設(shè)計、材料和施工)和下游(運維)的共同參與和配合。需要與服務(wù)器制造廠商聯(lián)系在一起,按照液冷的技術(shù)要求定制化設(shè)計服務(wù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形和防護,這會增加服務(wù)器的制造成本,還需要兼顧可用性、可靠性和后續(xù)維護成本,需要上游(制造商)、中游和下游的配合。

2）全密封和泄露

無論是間接或直接液態(tài)冷卻,冷板和機柜的全密封至關(guān)重要,還需要關(guān)注冷媒進/出冷板或機柜連接的可靠性,目前主要還是采用軟管的軟連接,因此對軟連接的材質(zhì)和連接頭提出更高的要求,不僅要求軟管的材質(zhì)的可靠性,同時還需要維護時滿足軟連接熱拔插時不會造成液冷劑的泄露。

2017年歐洲云計算巨頭OVH位于法國的數(shù)據(jù)中心由于水冷系統(tǒng)中的軟管出現(xiàn)裂痕而引起冷卻液流入系統(tǒng),其中內(nèi)部有一臺96個固態(tài)硬盤和15個磁盤陣列遭受損壞,進而導(dǎo)致該數(shù)據(jù)中心服務(wù)的超過5萬個網(wǎng)站在24h內(nèi)無法正常訪問。

3）液進風(fēng)退

液冷技術(shù)是目前散熱效果最佳的載體,具有著優(yōu)良的節(jié)能效果,是否液進風(fēng)退將帶動整個數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品成為下一代制冷系統(tǒng)。從目前的情況看,除非有強制的使用冷板液冷服務(wù)器的限令或過渡期的要求,幾十年一貫制的風(fēng)冷服務(wù)器有其獨立、快速部署以及與制冷設(shè)備的松耦合還會持續(xù)一個相當長的的時期。但是對于超過30kW單機柜的數(shù)據(jù)中心液冷一定成為首選。

4)展望

盡管液冷已經(jīng)從幕后走到前臺,但是還需要有一個檢驗和經(jīng)驗的積累,有待解決在標準化、降低建造成本上存在的問題。但是毫無疑問,液態(tài)冷卻技術(shù)是對傳統(tǒng)的制冷技術(shù)一項巨大的革命,是對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心部署的一場變革,而且這個變革已經(jīng)到來,液冷技術(shù)代表了綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的發(fā)展方向,同時在國家對數(shù)據(jù)中心能效的指標嚴控和在綠色數(shù)據(jù)中心和碳排放達標的大環(huán)境下,液冷技術(shù)會得到大力的發(fā)展,將促進數(shù)據(jù)中心節(jié)能邁向一個更高的水平。

本文標題：雙碳目標下蒸發(fā)冷卻、熱管、液冷節(jié)能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

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