服務器浸沒式液冷的換熱效率及節能潛力

嚴遜 于航 劉成 李超恩

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

據工信部 2019 年數據，截 至 2017 年底，我 國在用數據中心的機架總規模增長了33.4%，大 型、超 大型數據中心的規模增速達到68%[1]。根據國際環保組織綠色和平與華北電力大學發布的報告，2 018 年中國數據中心總用電量占中國全社會用電量的 2.35%，未來5 年數據中心總用電量將增長66%[2]。數 據中心的電能消耗構成中，冷 卻系統約占40%。因此，降 低冷卻系統的能耗是實現數據中心節能減排的關鍵措施之一。

隨著數據中心單機柜發熱功率突破20 kW，傳統精密空調無法解決高功率、局 部熱點等問題，從 而導致冷卻系統運行能耗過高甚至出現無法完全散熱的情況。浸沒式液冷以其換熱效率高的特點能夠解決上述問題，被越來越廣泛地運用。本文將重點介紹浸沒式液冷的換熱效率及節能潛力。

1 浸沒式液冷實驗臺及實驗方法

1.1 浸沒式液冷實驗臺

浸沒式液冷分為單相和兩相兩種類型，單 相浸沒式液冷中的液體在使用過程中不涉及相變過程，而 兩相浸沒式液冷中的液體會在氣態和液態中轉變。本研究的對象是兩相浸沒式液冷，實 驗搭建了用于測試浸沒式液冷換熱效率的實驗臺。主要儀器設備有箱體、加熱負載、冷 凝盤管、風 機、水 泵、數 據采集裝置等。實驗臺示意圖如圖1。

圖1 浸沒式液冷實驗臺示意圖

實驗臺箱體及內部實驗裝置、數 據采集裝置均放置于室內側環境艙，風 機、水 泵放置于室外側環境艙，室內側和室外側環境艙均可用空調系統精確控制其空氣參數。室內環境艙中尺寸為0.4 m×1 m×1 .4 m 的箱體，加 熱負載位于箱體內中下部，冷 凝盤管位于箱體上部。箱 體內液體能完全浸沒加熱元件。箱 體正面、右側面和上表面均有部分區域用透明材料制成，方 便實驗人員觀察箱體內實驗情況。

圖2 所示為 3 個模擬服務器的加熱負載，與 服務器相比，負 載能提供更穩定的加熱量。每個負載能提供0～4 kW 的熱量。負載長100 cm，發熱圓柱體直徑2.5 cm，翅 片直徑5 cm。

圖2 模擬服務器的加熱負載

1.2 浸沒式液冷實驗方法

風機和水泵位于室外側，設置風機頻率為 20Hz，水泵頻率為20Hz。設置風機和水泵頻率均為20Hz 是由于實驗配置的風機和水泵容量較大，而 頻率可調范圍為 20Hz 到 50Hz，通過預實驗得到 20Hz 工況已能滿足實驗穩定運行。實驗流程圖如圖3 所示。

1）設 置室外側環境的溫度，大 約 90 分鐘后溫度穩定。

2）設 置負載加熱功率，等 待進口水溫、出 口水溫等參數穩定，大 約30 分鐘后溫度穩定。

3）記 錄數據，包 括室內側溫度、室 外側溫度、進 水溫度、出 水溫度、氣 體溫度、液 體溫度、風 機出風溫度、風機功率、水 泵功率、負 載功率。每 5 分鐘記錄一次，共 3 次。

4）改 變負載加熱功率值，重 復上述 2、3 步，如 圖 3示粗箭頭線。

5）改 變室外側溫度，重 復上述 1-4 步，如 圖 3 示細箭頭線。

上海市日最高溫度大于 35 ℃的炎熱天氣天數平均每年為7.6 天，最 高溫可達40.2 ℃。此 次室外側溫度共設置了9 個區間，分別為 10、15、20、25、30、33、36、39、42 ℃，溫 度區間包含上海市最不利天氣。

圖3 實驗流程示意圖

1.3 實驗儀器技術參數

表1 為實驗儀器技術參數表。

表1 實驗儀器技術參數表

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

本實驗記錄了不同室外側溫度下的風機，水 泵功率及負載加熱功率。由于風機和水泵均為定頻，其功率處在較小的區間內。風 機功率穩定在145 W，水 泵功率穩定在67 W。相同室外側溫度下，負 載加熱功率由高到低調節，調 節范圍為0.8～3.8 kW。

制冷PUE 隨負載加熱功率的變化如圖 4，可 以看出，制 冷PUE 值在1.05～1.28 之間。制冷PUE 定義為：

圖4 制冷PUE 值隨加熱功率、室 外側溫度的變化在不同室外側溫度下，制冷 PUE 變化趨勢呈現一致性，都是隨負載加熱功率的上升而降低。圖4 中制冷PUE 最大值為 1.270，對應室外側 30 ℃，負載功率0.895 kW。最小值為1.056，對 應室外側39 ℃，負 載功率3.773 kW。

圖5 展示了室外側溫度為42 ℃時，進口水溫、出 口水溫、氣 體溫度隨加熱功率的變化。隨著負載加熱功率的上升，進口水溫從 42.9 ℃升高到了 44.7 ℃，升 高1.8 ℃。出口水溫從43.9 ℃升高到52.7 ℃，升高了8.8 ℃。而 氣體溫度維持在60.5 ℃不變。由 于本實驗臺制冷系統的冷卻能力較大，冷卻水經過制冷系統后，能夠被冷卻到和室溫42 ℃接近的溫度。而 加熱功率一直在上升，進出口水溫溫差會和加熱功率成比例上升，故 出口水溫溫升更大，進 口水溫溫升較小。氣體溫度一直維持在沸點溫度60.5 ℃。

圖5 室外側溫度42 ℃時，進口水溫、出口水溫、氣體溫度隨加熱功率的變化

2.2 全年制冷PUE 計算

數據中心的能耗主要由 IT 設備能耗，制冷設備能耗，供 配電系統能耗，照 明及其他能耗組成，數 據中心PUE 的計算如下式：

圖6 使用傳統精密空調的數據中心全年能耗比例

關于數據中心能耗的構成比例，學 者做了大量的調查與研究。雖然研究結果中各部分占比不盡相同，但能耗構成種類及排序基本相同。根據文獻[3-7]中數據中心的容量以及能耗構成比例可以得出，使 用傳統精密空調的數據中心總能耗中，IT 設備能耗占比最高，約 為56%。其次是制冷系統能耗，約 占34%。再其次是供配電系統能耗，約 占 7%，其 中最主要的是 UPS設備的能耗，次 之是變壓器設備的能耗。最后是照明及其他能耗，約 占3%。這里的其他能耗主要包括：安 防設備，消 防設備，電 梯，傳 感器以及數據中心管理系統的能耗等。綜合了論文中數據得出，P UE 值為1.786，其 中制冷PUE 值為 1.609。使用傳統精密空調的數據中心能耗構成如圖6 所示。

本文得出的是某一室外側溫度、負 載加熱功率下的制冷 PUE，評 價數據中心能源利用效率的指標是全年制冷 PUE，因此需要用制冷 PUE 得出全年制冷PUE，具 體公式如下：

式中：下標i代表不同的天氣區間；P UEi代表在該天氣區間下的制冷PUE 值；ni代表該天氣下的小時數。

采用上海市氣象文件，將天氣根據溫度分為8 個級別，與實驗數據相對應，分別為 10、15、20、25、30、33、36、39 ℃。對應關系如表2：

表2 上海市氣象參數區間分布

由式（3）得 到上海地區全年制冷PUE 為 1.060，遠 低于論文中使用傳統精密空調的數據中心全年制冷PUE——1 .609，制 冷能耗降低幅度高達90.2%。

3 結論

本文通過對浸沒式液冷實驗臺進行測試，得 出以下結論：

1）在 不同室外側溫度、相 同的發熱功率下，制 冷PUE 值基本相同。

2）制 冷PUE 變化趨勢呈現一致性，都 是隨負載加熱功率的上升而降低。圖 中制冷PUE 最大值為1.270，對應室外側30 ℃，負載功率0.895 kW 時。最小值為1.056，對 應室外側39 ℃，負 載功率3.773 kW。

3）上 海市使用浸沒式液冷的數據中心其全年制冷PUE 為1.060，相 比于使用傳統精密空調的數據中心，其制冷系統能耗降低了90.2%。