嚴(yán)遜 于航 劉成 李超恩

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

據(jù)工信部 2019 年數(shù)據(jù)，截 至 2017 年底，我 國(guó)在用數(shù)據(jù)中心的機(jī)架總規(guī)模增長(zhǎng)了33.4%，大 型、超 大型數(shù)據(jù)中心的規(guī)模增速達(dá)到68%[1]。根據(jù)國(guó)際環(huán)保組織綠色和平與華北電力大學(xué)發(fā)布的報(bào)告，2 018 年中國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量占中國(guó)全社會(huì)用電量的 2.35%，未來(lái)5 年數(shù)據(jù)中心總用電量將增長(zhǎng)66%[2]。數(shù) 據(jù)中心的電能消耗構(gòu)成中，冷 卻系統(tǒng)約占40%。因此，降 低冷卻系統(tǒng)的能耗是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的關(guān)鍵措施之一。

隨著數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜發(fā)熱功率突破20 kW，傳統(tǒng)精密空調(diào)無(wú)法解決高功率、局 部熱點(diǎn)等問(wèn)題，從 而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)運(yùn)行能耗過(guò)高甚至出現(xiàn)無(wú)法完全散熱的情況。浸沒(méi)式液冷以其換熱效率高的特點(diǎn)能夠解決上述問(wèn)題，被越來(lái)越廣泛地運(yùn)用。本文將重點(diǎn)介紹浸沒(méi)式液冷的換熱效率及節(jié)能潛力。

1 浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)

浸沒(méi)式液冷分為單相和兩相兩種類型，單 相浸沒(méi)式液冷中的液體在使用過(guò)程中不涉及相變過(guò)程，而 兩相浸沒(méi)式液冷中的液體會(huì)在氣態(tài)和液態(tài)中轉(zhuǎn)變。本研究的對(duì)象是兩相浸沒(méi)式液冷，實(shí) 驗(yàn)搭建了用于測(cè)試浸沒(méi)式液冷換熱效率的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。主要儀器設(shè)備有箱體、加熱負(fù)載、冷 凝盤管、風(fēng) 機(jī)、水 泵、數(shù) 據(jù)采集裝置等。實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1。

圖1 浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)箱體及內(nèi)部實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù) 據(jù)采集裝置均放置于室內(nèi)側(cè)環(huán)境艙，風(fēng) 機(jī)、水 泵放置于室外側(cè)環(huán)境艙，室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)環(huán)境艙均可用空調(diào)系統(tǒng)精確控制其空氣參數(shù)。室內(nèi)環(huán)境艙中尺寸為0.4 m×1 m×1 .4 m 的箱體，加 熱負(fù)載位于箱體內(nèi)中下部，冷 凝盤管位于箱體上部。箱 體內(nèi)液體能完全浸沒(méi)加熱元件。箱 體正面、右側(cè)面和上表面均有部分區(qū)域用透明材料制成，方 便實(shí)驗(yàn)人員觀察箱體內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況。

圖2 所示為 3 個(gè)模擬服務(wù)器的加熱負(fù)載，與 服務(wù)器相比，負(fù) 載能提供更穩(wěn)定的加熱量。每個(gè)負(fù)載能提供0～4 kW 的熱量。負(fù)載長(zhǎng)100 cm，發(fā)熱圓柱體直徑2.5 cm，翅 片直徑5 cm。

圖2 模擬服務(wù)器的加熱負(fù)載

1.2 浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)方法

風(fēng)機(jī)和水泵位于室外側(cè)，設(shè)置風(fēng)機(jī)頻率為 20Hz，水泵頻率為20Hz。設(shè)置風(fēng)機(jī)和水泵頻率均為20Hz 是由于實(shí)驗(yàn)配置的風(fēng)機(jī)和水泵容量較大，而 頻率可調(diào)范圍為 20Hz 到 50Hz，通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)得到 20Hz 工況已能滿足實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖3 所示。

1）設(shè) 置室外側(cè)環(huán)境的溫度，大 約 90 分鐘后溫度穩(wěn)定。

2）設(shè) 置負(fù)載加熱功率，等 待進(jìn)口水溫、出 口水溫等參數(shù)穩(wěn)定，大 約30 分鐘后溫度穩(wěn)定。

3）記 錄數(shù)據(jù)，包 括室內(nèi)側(cè)溫度、室 外側(cè)溫度、進(jìn) 水溫度、出 水溫度、氣 體溫度、液 體溫度、風(fēng) 機(jī)出風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)功率、水 泵功率、負(fù) 載功率。每 5 分鐘記錄一次，共 3 次。

4）改 變負(fù)載加熱功率值，重 復(fù)上述 2、3 步，如 圖 3示粗箭頭線。

5）改 變室外側(cè)溫度，重 復(fù)上述 1-4 步，如 圖 3 示細(xì)箭頭線。

上海市日最高溫度大于 35 ℃的炎熱天氣天數(shù)平均每年為7.6 天，最 高溫可達(dá)40.2 ℃。此 次室外側(cè)溫度共設(shè)置了9 個(gè)區(qū)間，分別為 10、15、20、25、30、33、36、39、42 ℃，溫 度區(qū)間包含上海市最不利天氣。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)參數(shù)

表1 為實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)參數(shù)表。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)記錄了不同室外側(cè)溫度下的風(fēng)機(jī)，水 泵功率及負(fù)載加熱功率。由于風(fēng)機(jī)和水泵均為定頻，其功率處在較小的區(qū)間內(nèi)。風(fēng) 機(jī)功率穩(wěn)定在145 W，水 泵功率穩(wěn)定在67 W。相同室外側(cè)溫度下，負(fù) 載加熱功率由高到低調(diào)節(jié)，調(diào) 節(jié)范圍為0.8～3.8 kW。

制冷PUE 隨負(fù)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(cè)溫度的變化在不同室外側(cè)溫度下，制冷 PUE 變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性，都是隨負(fù)載加熱功率的上升而降低。圖4 中制冷PUE 最大值為 1.270，對(duì)應(yīng)室外側(cè) 30 ℃，負(fù)載功率0.895 kW。最小值為1.056，對(duì) 應(yīng)室外側(cè)39 ℃，負(fù) 載功率3.773 kW。

圖5 展示了室外側(cè)溫度為42 ℃時(shí)，進(jìn)口水溫、出 口水溫、氣 體溫度隨加熱功率的變化。隨著負(fù)載加熱功率的上升，進(jìn)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(shí)驗(yàn)臺(tái)制冷系統(tǒng)的冷卻能力較大，冷卻水經(jīng)過(guò)制冷系統(tǒng)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(jìn)出口水溫溫差會(huì)和加熱功率成比例上升，故 出口水溫溫升更大，進(jìn) 口水溫溫升較小。氣體溫度一直維持在沸點(diǎn)溫度60.5 ℃。

圖5 室外側(cè)溫度42 ℃時(shí)，進(jìn)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(jì)算

數(shù)據(jù)中心的能耗主要由 IT 設(shè)備能耗，制冷設(shè)備能耗，供 配電系統(tǒng)能耗，照 明及其他能耗組成，數(shù) 據(jù)中心PUE 的計(jì)算如下式：

圖6 使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心全年能耗比例

關(guān)于數(shù)據(jù)中心能耗的構(gòu)成比例，學(xué) 者做了大量的調(diào)查與研究。雖然研究結(jié)果中各部分占比不盡相同，但能耗構(gòu)成種類及排序基本相同。根據(jù)文獻(xiàn)[3-7]中數(shù)據(jù)中心的容量以及能耗構(gòu)成比例可以得出，使 用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心總能耗中，IT 設(shè)備能耗占比最高，約 為56%。其次是制冷系統(tǒng)能耗，約 占34%。再其次是供配電系統(tǒng)能耗，約 占 7%，其 中最主要的是 UPS設(shè)備的能耗，次 之是變壓器設(shè)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(shè)備，消 防設(shè)備，電 梯，傳 感器以及數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)的能耗等。綜合了論文中數(shù)據(jù)得出，P UE 值為1.786，其 中制冷PUE 值為 1.609。使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成如圖6 所示。

本文得出的是某一室外側(cè)溫度、負(fù) 載加熱功率下的制冷 PUE，評(píng) 價(jià)數(shù)據(jù)中心能源利用效率的指標(biāo)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(biāo)i代表不同的天氣區(qū)間；P UEi代表在該天氣區(qū)間下的制冷PUE 值；ni代表該天氣下的小時(shí)數(shù)。

采用上海市氣象文件，將天氣根據(jù)溫度分為8 個(gè)級(jí)別，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，分別為 10、15、20、25、30、33、36、39 ℃。對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2：

表2 上海市氣象參數(shù)區(qū)間分布

由式（3）得 到上海地區(qū)全年制冷PUE 為 1.060，遠(yuǎn) 低于論文中使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心全年制冷PUE——1 .609，制 冷能耗降低幅度高達(dá)90.2%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)浸沒(méi)式液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，得 出以下結(jié)論：

1）在 不同室外側(cè)溫度、相 同的發(fā)熱功率下，制 冷PUE 值基本相同。

2）制 冷PUE 變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性，都 是隨負(fù)載加熱功率的上升而降低。圖 中制冷PUE 最大值為1.270，對(duì)應(yīng)室外側(cè)30 ℃，負(fù)載功率0.895 kW 時(shí)。最小值為1.056，對(duì) 應(yīng)室外側(cè)39 ℃，負(fù) 載功率3.773 kW。

3）上 海市使用浸沒(méi)式液冷的數(shù)據(jù)中心其全年制冷PUE 為1.060，相 比于使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心，其制冷系統(tǒng)能耗降低了90.2%。