服务器浸没式液冷的换热效率及节能潜力

关键词：数据中心、浸没式液冷、制冷PUE、节能

随着数据中心单机柜发热功率突破20kW，传统精密空调无法解决高功率、局部热点等问题，从而导致冷却系统运行能耗过高甚至出现无法完全散热的情况。浸没式液冷以其换热效率高的特点能够解决上述问题，被越来越广泛地运用。本文将重点介绍浸没式液冷的换热效率及节能潜力。

浸没式液冷分为单相和两相两种类型，单相浸没式液冷中的液体在使用过程中不涉及相变过程，而两相浸没式液冷中的液体会在气态和液态中转变。本研究的对象是两相浸没式液冷，实验搭建了用于测试浸没式液冷换热效率的实验台。主要仪器设备有箱体、加热负载、冷凝盘管、风机、水泵、数据采集装置等。实验台示意图如图1。

图1 浸没式液冷实验台示意图

实验台箱体及内部实验装置、数据采集装置均放置于室内侧环境舱，风机、水泵放置于室外侧环境舱，室内侧和室外侧环境舱均可用空调系统精确控制其空气参数。室内环境舱中尺寸为0.4m×1m×1.4m的箱体，加热负载位于箱体内中下部，冷凝盘管位于箱体上部。箱体内液体能完全浸没加热元件。箱体正面、右侧面和上表面均有部分区域用透明材料制成，方便实验人员观察箱体内实验情况。

图2所示为3个模拟服务器的加热负载，与服务器相比，负载能提供更稳定的加热量。每个负载能提供0~4kW的热量。负载长100cm，发热圆柱体直径2.5cm，翅片直径5cm。

图2 模拟服务器的加热负载

1.2 浸没式液冷实验方法

风机和水泵位于室外侧，设置风机频率为20Hz，水泵频率为20Hz。设置风机和水泵频率均为20Hz是由于实验配置的风机和水泵容量较大，而频率可调范围为20Hz到50Hz，通过预实验得到20Hz工况已能满足实验稳定运行。实验流程图如图3所示。

1）设置室外侧环境的温度，大约90分钟后温度稳定。

2）设置负载加热功率，等待进口水温、出口水温等参数稳定，大约30分钟后温度稳定。

3）记录数据，包括室内侧温度、室外侧温度、进水温度、出水温度、气体温度、液体温度、风机出风温度、风机功率、水泵功率、负载功率。每5分钟记录一次，共3次。

4）改变负载加热功率值，重复上述2、3步，如图3示粗箭头线。

5）改变室外侧温度，重复上述14步，如图3示细箭头线。

上海市日最高温度大于35℃的炎热天气天数平均每年为7.6天，最高温可达40.2℃。此次室外侧温度共设置了9个区间，分别为10、15、20、25、30、33、36、39、42℃，温度区间包含上海市最不利天气。

图3 实验流程示意图

1.3 实验仪器技术参数

表1为实验仪器技术参数表。

本实验记录了不同室外侧温度下的风机，水泵功率及负载加热功率。由于风机和水泵均为定频，其功率处在较小的区间内。风机功率稳定在145W，水 泵功率稳定在67W。相同室外侧温度下，负载加热功率由高到低调节，调节范围为0.8~3.8kW。制冷PUE随负载加热功率的变化，制冷PUE值在1.05~1.28之间。制冷PUE定义为：

制冷PUE值随加热功率、室外侧温度的变化在不同室外侧温度下，制冷 PUE变化趋势呈现一致性，都是随负载加热功率的上升而降低。实验显示制冷PUE最大值为1.270，对应室外侧30℃，负载功率0.895kW。最小值为1.056，对应室外侧39℃，负载功率3.773kW。

图5展示了室外侧温度为42℃时，进口水温、出口水温、气体温度随加热功率的变化。随着负载加热功率的上升，进口水温从42.9℃升高到了44.7℃，升高1.8℃。出口水温从43.9℃升高到52.7℃，升高了8.8℃。而气体温度维持在60.5℃不变。由于本实验台制冷系统的冷却能力较大，冷却水经过制冷系统后，能够被冷却到和室温42℃接近的温度。而加热功率一直在上升，进出口水温温差会和加热功率成比例上升，故出口水温温升更大，进口水温温升较小。气体温度一直维持在沸点温度60.5℃。

图5 室外侧温度42℃时，进口水温、出口水温、气体温度随加热功率的变化

2.2 全年制冷PUE计算

数据中心的能耗主要由IT设备能耗，制冷设备能耗，供配电系统能耗，照 明及其他能耗组成，数据中心PUE的计算如下式：

关于数据中心能耗的构成比例，学者做了大量的调查与研究。虽然研究结果中各部分占比不尽相同，但能耗构成种类及排序基本相同。根据文献[3-7]中数据中心的容量以及能耗构成比例可以得出，使用传统精密空调的数据中心总能耗中，IT设备能耗占比最高，约为56%。其次是制冷系统能耗，约占34%。再其次是供配电系统能耗，约占7%，其中最主要的是UPS设备的能耗，次之是变压器设备的能耗。最后是照明及其他能耗，约占3%。这里的其他能耗主要包括：安防设备，消防设备，电梯，传感器以及数据中心管理系统的能耗等。综合了论文中数据得出，PUE值为1.786，其中制冷PUE值为1.609。使用传统精密空调的数据中心能耗构成如图6所示。

图6 使用传统精密空调的数据中心全年能耗比例

本文得出的是某一室外侧温度、负载加热功率下的制冷PUE，评价数据中心能源利用效率的指标是全年制冷PUE，因此需要用制冷PUE得出全年制冷PUE，具体公式如下：

式中：下标i代表不同的天气区间；PUEi代表在该天气区间下的制冷PUE值；ni代表该天气下的小时数。

采用上海市气象文件，将天气根据温度分为8个级别，与实验数据相对应，分别为10、15、20、25、30、33、36、39℃。对应关系如表2：

由式（3）得到上海地区全年制冷PUE为1.060，远低于论文中使用传统精密空调的数据中心全年制冷PUE-1.609，制冷能耗降低幅度高达90.2%。

1）在不同室外侧温度、相同的发热功率下，制冷PUE值基本相同。

2）制冷PUE变化趋势呈现一致性，都是随负载加热功率的上升而降低。图中制冷PUE最大值为1.270，对应室外侧30℃，负载功率0.895kW时。最小值为1.056，对应室外侧39℃，负载功率3.773kW。

3）上海市使用浸没式液冷的数据中心其全年制冷PUE为1.060，相比于使用传统精密空调的数据中心，其制冷系统能耗降低了90.2%。