何智光，陳殿軍，李震

（1.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京，100084；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司信息通信公司，哈爾濱，150090；3.河北清華發(fā)展研究院，廊坊，065000）

數(shù)據(jù)中心是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施建筑，近年來(lái)，隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和數(shù)量不斷增大，其能耗量也與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)數(shù)據(jù)中心年用電量已經(jīng)超過(guò)上海市全社會(huì)用電量，占到全國(guó)總量的2.35 %。［1］并且數(shù)據(jù)中心還將持續(xù)保持高速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2025年數(shù)據(jù)中心年耗電量將占全社會(huì)用電量的4.1 %。［2］在數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成中，IT設(shè)備能耗占比最高，其次是冷卻系統(tǒng)，可以占到數(shù)據(jù)中心總用電量的30 %以上，圖1給出了典型數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成。因此，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究對(duì)提高數(shù)據(jù)中心整體運(yùn)行能效具有重要意義。

圖1 典型數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成

目前大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心均采用大型水冷系統(tǒng)為IT設(shè)備提供冷量，一般包括室內(nèi)精密空調(diào)送風(fēng)循環(huán)、冷凍水循環(huán)和冷卻水循環(huán)三個(gè)環(huán)節(jié)。通常采用冷水機(jī)組與板換并聯(lián)，通過(guò)切換實(shí)現(xiàn)冬季的自然冷源利用。這種冷卻形式存在以下幾個(gè)弊端：由于數(shù)據(jù)中心裝機(jī)率不高導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在低負(fù)載率情況，運(yùn)行效率低下；管網(wǎng)系統(tǒng)各復(fù)雜，輸配能耗較高；自然冷源利用不充分。針對(duì)當(dāng)前冷卻系統(tǒng)存在的一般問(wèn)題，清華大學(xué)研發(fā)了一種全氟冷卻技術(shù)，［3］它是一種模塊化冷卻技術(shù)，可有效解決數(shù)據(jù)中心裝機(jī)率不高而導(dǎo)致的運(yùn)行效率低下問(wèn)題。該技術(shù)以分離式熱管為基礎(chǔ)，與蒸氣壓縮循環(huán)有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)零輸配能耗和自然冷源的充分利用，為數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能提供了新思路。

1 數(shù)據(jù)中心全氟冷卻技術(shù)

圖2給出了全氟冷卻技術(shù)的原理圖，該系統(tǒng)由兩個(gè)熱管循環(huán)和一個(gè)蒸氣壓縮循環(huán)串并聯(lián)組成，主要包含蒸發(fā)器、中間換熱器、熱管冷凝器和空調(diào)冷凝器四個(gè)換熱部件以及蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)、冷凝器風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)三個(gè)動(dòng)力部件。

圖2 全氟冷卻系統(tǒng)圖

全氟冷卻系統(tǒng)存在三種運(yùn)行模式，根據(jù)室外環(huán)境溫度的高低不同，分別有自然冷卻、蒸氣壓縮以及復(fù)合制冷三種模型。全氟冷卻技術(shù)將主動(dòng)制冷與自然冷卻相結(jié)合，當(dāng)室外環(huán)境溫度足夠低時(shí)，僅啟動(dòng)外側(cè)熱管循環(huán)制冷；當(dāng)室外環(huán)境溫度升高，僅靠外側(cè)熱管循環(huán)制冷量不足時(shí)，啟動(dòng)蒸氣壓縮循環(huán)，依靠調(diào)節(jié)變頻壓縮機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制冷與自然冷卻的無(wú)極切換，最大限度地利用自然能源。熱量傳輸依靠重力式分離熱管的自發(fā)循環(huán)，不消耗額外的輸配能耗。該系統(tǒng)完全無(wú)水，杜絕水進(jìn)入機(jī)房，對(duì)IT設(shè)備沒(méi)有任何安全隱患。根據(jù)蒸發(fā)器形式不同，全氟冷卻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同冷卻尺度的機(jī)房冷卻，且均可實(shí)現(xiàn)模塊化配置，根據(jù)數(shù)據(jù)中心當(dāng)前實(shí)際負(fù)載率逐步安裝冷卻設(shè)備，減少初投資，且保持冷卻系統(tǒng)運(yùn)行在較高負(fù)載率的工況下。

2 應(yīng)用案例

本文選取了我國(guó)北方某數(shù)據(jù)中心對(duì)全氟冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。該機(jī)房層高5.8 m，無(wú)架空地板，機(jī)房面積262 m2。該機(jī)房設(shè)計(jì)兩種尺度的冷卻形式，分別為機(jī)柜級(jí)和列間級(jí)，其中機(jī)柜級(jí)采用熱管背板末端形式，將全氟冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)置到機(jī)柜柜門上，形成熱管背板，示意圖如圖3所示。列間級(jí)采用熱管列間空調(diào)的末端形式，全氟冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)器作為列間空調(diào)布置到機(jī)柜之間，在此基礎(chǔ)上封閉熱通道，讓機(jī)房熱環(huán)境與機(jī)柜級(jí)冷卻系統(tǒng)保持一致，處于冷環(huán)境中，其示意圖如圖4所示。

圖3 全氟冷卻機(jī)柜級(jí)系統(tǒng)圖

圖4 全氟冷卻列間級(jí)系統(tǒng)圖

該機(jī)房設(shè)計(jì)機(jī)柜數(shù)62臺(tái)，其中列間級(jí)冷卻布置38臺(tái)共4列，機(jī)柜級(jí)冷卻布置24臺(tái)共2列。列間級(jí)單機(jī)柜發(fā)熱量為3 kW，機(jī)柜級(jí)單機(jī)柜發(fā)熱量為6～12k W，總裝機(jī)功率為290 kW。

3 熱環(huán)境及能效分析

為了驗(yàn)證全氟冷卻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，分別選取了夏季、過(guò)渡季和冬季的典型氣候日對(duì)機(jī)房進(jìn)行了能效和熱環(huán)境測(cè)試，分別對(duì)總能耗、負(fù)載和冷卻系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了測(cè)量，電量測(cè)量采用三相多功能電能表，測(cè)量精度為0.2級(jí)，溫度測(cè)量采用T型熱電偶，精度為±0.1 ℃。對(duì)機(jī)柜級(jí)和列間級(jí)冷卻的中間位置和邊緣位置機(jī)柜進(jìn)行了進(jìn)出風(fēng)溫度測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示，以此來(lái)觀測(cè)全氟冷卻技術(shù)的實(shí)際換熱效果。

圖5 熱環(huán)境測(cè)點(diǎn)位置示意圖

選取了夏季某典型工況日，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為7.5小時(shí)，測(cè)試期間室外溫度為21～26 ℃，測(cè)試期間機(jī)房滿負(fù)載運(yùn)行，所有冷卻設(shè)備均處于開(kāi)啟狀態(tài)。能耗測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試期間機(jī)房PUE為1.29，其中冷卻系統(tǒng)的能耗占比CLF為0.289。

表1 夏季能效測(cè)試結(jié)果

熱環(huán)境測(cè)試期間室外溫度約為26 ℃，各測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖6所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，機(jī)房溫度基本維持在25 ℃。列間級(jí)冷卻機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度與機(jī)柜級(jí)相當(dāng)，表明機(jī)房整體冷環(huán)境較為均勻，機(jī)柜級(jí)冷柜卻的服務(wù)器排風(fēng)溫度存在一定的波動(dòng)性，這是由于壓縮機(jī)間接性啟停導(dǎo)致的。

圖6 夏季熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

選取了過(guò)渡季某個(gè)典型工況日，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24小時(shí)，測(cè)試期間室外環(huán)境溫度為3～21 ℃，測(cè)試期間由于列間級(jí)機(jī)柜暫時(shí)無(wú)計(jì)算任務(wù)，只對(duì)機(jī)柜級(jí)冷卻進(jìn)行滿負(fù)載測(cè)試。能耗測(cè)試結(jié)果如表2所示，測(cè)試期間機(jī)房PUE為1.18，其中冷卻系統(tǒng)的能耗占比CLF為0.173。

表2 過(guò)渡季能效測(cè)試結(jié)果

熱環(huán)境測(cè)試期間室外溫度約為21 ℃，各測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖7所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，服務(wù)器排風(fēng)溫度約為38 ℃，機(jī)房溫度基本維持在23 ℃。進(jìn)風(fēng)溫度與排風(fēng)溫度基本相當(dāng)，但排風(fēng)溫度存在一定的波動(dòng)性，這是由于壓縮機(jī)間歇性啟停造成的，但與夏季測(cè)試結(jié)果相比，波動(dòng)明顯減小，這是由于運(yùn)行模式的改變?cè)斐傻?，過(guò)渡季即使壓縮機(jī)停止運(yùn)行，熱管依然可以實(shí)現(xiàn)部分散熱。

圖7 過(guò)渡季熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

選取了冬季某典型工況日，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24小時(shí)，測(cè)試期間室外環(huán)境溫度為-16～-3 ℃，測(cè)試期間由于列間級(jí)機(jī)柜暫時(shí)無(wú)計(jì)算任務(wù)，只對(duì)機(jī)柜級(jí)冷卻進(jìn)行滿負(fù)載測(cè)試。能耗測(cè)試結(jié)果如表3所示，測(cè)試期間機(jī)房PUE為1.03，其中冷卻系統(tǒng)的能耗占比CLF為0.025。

表3 冬季能效測(cè)試結(jié)果

熱環(huán)境測(cè)試期間室外溫度約為-3 ℃，各測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖8所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，服務(wù)器排風(fēng)溫度約為33～37 ℃，機(jī)房溫度基本維持在16～18 ℃。機(jī)柜排風(fēng)溫度略低于機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度，且排風(fēng)溫度基本不存在波動(dòng)現(xiàn)象，表明自然冷源冷卻模式下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖8 冬季熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和能耗不斷增加，尋求更高效的冷卻技術(shù)成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的有效途徑。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心大多采用水冷系統(tǒng)對(duì)IT設(shè)備進(jìn)行冷卻，存在運(yùn)行能效低下、輸配能耗高和自然冷源利用不充分等缺點(diǎn)，針對(duì)這些實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，本文介紹了一種全氟冷卻技術(shù)，以分離式熱管為基礎(chǔ)，與蒸氣壓縮循環(huán)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)不同冷卻尺度的機(jī)房冷卻，并能進(jìn)行模塊化實(shí)施，降低初投資的同時(shí)提高冷卻系統(tǒng)運(yùn)行效率。

本文在我國(guó)北方某數(shù)據(jù)中心對(duì)全氟冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并選取了夏季、過(guò)渡季和冬季的典型工況日對(duì)機(jī)房熱環(huán)境和能效進(jìn)行了測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果表明，全氟冷卻技術(shù)可有效控制機(jī)房熱環(huán)境穩(wěn)定在25 ℃以下，且基本不存在局部熱點(diǎn)，PUE值在不同季節(jié)存在差異，范圍為1.03～1.29。