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隨著人工智能、 大數據以及云計算技術的快速發展, 數據中心作為現代信息基礎設施的重要支撐平臺, 其建設規模不斷擴大, 單機柜的功率也顯著提升, 逐步從傳統的2~5kW向10kW乃至更高功率演進。 據統計, 2023年中國數據中心整體市場規模達到了約2407億元, 相較于2022年同比增長了26.7%。隨之而來的是能源消耗的挑戰, CDCC研究數據表明, 2021年全國數據中心用電量達到937億kW·h, 占全國用電量的1.13%, 其中冷卻系統的能耗約占總能耗的30%~40%。因此, 開發高效節能的數據中心冷卻系統已成為當前亟需解決的關鍵問題。目前數據中心的冷卻方法主要分為風冷和液冷兩大類。 風冷作為傳統的冷卻方法, 通過風機將冷空氣送入數據中心, 吸收服務器產生的熱量, 再通過空調系統進行冷卻。這種方法簡單且成本較低, 但隨著數據中心單機柜散熱功率的增加, 風冷系統可能面臨冷卻效率不足的問題。相比之下, 液冷以其更高的效率和節能特性, 成為數據中心冷卻方法的新趨勢。液冷技術通過液體介質直接或間接吸收服務器產生的熱量, 能夠更有效地處理高密度熱量, 減少能耗并提高冷卻效率。在單機柜功率達到30~50kW時, 開始考慮液冷與風液結合等冷卻策略的應用。根據冷卻介質的不同, 服務器級液冷技術可分為水冷和氟冷。液冷技術, 尤其是相變液冷技術, 其換熱系數遠超單相冷卻方式, 其傳熱能力比空氣強制對流高約2個數量級, 具備很大的應用潛力, 正在成為高功率密度數據中心熱管理的發展趨勢。盡管液冷技術在冷卻性能上具備優勢, 但其部署往往伴隨較高的集成復雜度和改造成本, 特別是對于中小型或既有數據中心。此外, 液冷系統的維護需求和泄漏檢測帶來了額外的運營挑戰, 大規模應用仍面臨一定障礙。風冷系統盡管結構簡單、安全性高, 但其能效和冷卻強度仍需大幅提高。為充分結合風冷與液冷系統各自的優勢, 本文提出了相變風輔液冷系統, 旨在提升散熱能力的同時兼顧系統結構的簡化與部署的靈活性。系統采用模塊化設計, 融合相變換熱與風冷強化結構, 在提升散熱能力的同時降低能耗與部署復雜度。圍繞該冷卻系統開展了兩種技術方案的研究。首先, 基于風冷系統可改造性強的特點, 構建了便于在傳統機房中部署的實驗系統, 并測試了該系統在單機柜熱負荷達到50kW條件下的可行性與有效性。為進一步提升相變風輔液冷系統的節能效果, 設計了一種冷源側布設熱管復合節能空調的冷卻系統, 并分析了該系統在中國5個典型氣候區域城市的節能效果。圖1為不同單機柜散熱功率下的典型冷卻策略。 在單機柜功率密度達到30~50kW時, 可以開始考慮風冷與液冷的結合應用, 本研究即針對該功率密度段進行系統優化設計。本文所提出的相變風輔液冷系統, 基于風冷系統可改造性強的特點, 由服務器蒸發器模塊、 重力熱管系統和風冷冷凝器組成。在數據中心服務器高負載運行過程中, 芯片產生的熱量首先由蒸發器(液冷板)吸收, 工質氣化形成蒸氣并流入重力自驅熱管系統, 隨后進入與不同高度蒸發器對應的風冷冷凝器中進行換熱。同一機柜不同高度的蒸發器單元對應不同高度的風冷冷凝 器單元, 這樣不僅可以減少制冷劑的用量, 而且提升了模塊化部署的靈活性。在冷凝器中, 蒸氣在微通道翅片換熱器內釋放潛熱并凝結, 隨后在重力作用下自然回流至蒸發器, 形成連續穩定的熱循環。本文提出的第1種相變風輔液冷系統(以下簡稱為系統#1)旨在結合風冷系統結構簡單、部署靈活的優勢與液冷系統換熱效率高的特點, 滿足在現有風冷機房的有限空間內靈活擴容的需求, 直接利 用現有的風冷機房空間即可完成高密度機柜冷卻系統的升級。圖2以簡化模型的形式展示了相變風輔液冷系統#1的結構。服務器產生的熱量首先由液冷板吸收, 隨后冷卻工質氣化并沿重力熱管輸送至對應的風冷冷凝器單元, 在微通道翅片換熱器中完成相變冷凝過程。冷凝后的液態工質在重力作用下沿管壁自然回流至蒸發器, 實現閉式循環。同時, 冷凝器所排出的熱風由機房原有的空調系統帶走, 不需要新增大型冷源設備。該冷卻系統充分考慮現有風冷數據中心的空間和部署條件, 具備良好的兼容性與可擴展性。系統#1可在不大幅改造機房結構、電力供配系統的前提下, 針對部分高功率密度機柜實現液冷升級, 不需要一次性整體替換機柜, 顯著降低了數據中心冷卻系統升級改造的風險與成本, 特別適用于分階段部署或局部改造場景。 此外, 系統#1采用橫向送風的氣流組織方式, 可以有效抑制服務器局部熱點、提升溫度分布均勻性, 避免了傳統風冷系統散熱受限和液冷系統常見的分液不均等問題。為驗證所提出的系統#1的可行性, 本文在焓差實驗室中搭建了一套完整的實驗平臺, 如圖4所示。 該實驗平臺包括溫度采集儀、電加熱模塊、蒸發器模塊、自驅熱管模塊、微通道換熱單元及風機。一個機柜里排布了5個不同高度的電加熱模塊、蒸發器模塊和冷凝器模塊, 每個冷凝器模塊由微通道換熱單元和4個風機組成。整體系統結構緊湊, 采用了模塊化設計理念。風冷冷凝部分采用模塊化風機陣列, 以提升換熱效率。系統中的核心組件(如自驅熱管模塊、冷凝器模塊和蒸發器模塊)可以根據服務器功率密度和機柜規模靈活組合與擴展。實驗平臺設置多個熱電偶測溫點, 分別置于5個蒸發器表面(Eva)、電加熱模塊表面(Surf1— Surf5)、氣管(Gas)、液管(Liquid)、送風(SA)和風冷冷凝器出風(OA)處, 測試系統的穩定運行溫度。實驗過程中, 各蒸發器與電加熱模塊外部均包覆保溫材料, 以降低熱量散失。實驗系統采用R134a作為冷卻介質。根據相變風輔液冷系統#1的實驗平臺設計、本課題組前期研究以及數據中心運維工作經驗,機房空氣溫度設定為25°C, 機房空氣與冷凍水、冷凍水與室外空氣的溫差均設為5°C。為直觀展示系統#1在傳熱路徑上的優勢, 圖5對比分析了傳統的計算機房空氣處理器 (computer room air handler, CRAH) 系統與系統#1在相同負荷條件下的溫度熱流(T-Q)圖。傳統CRAH系統從芯片至環境的傳熱路徑依次經過服務器冷卻空氣、機房空氣、冷凍水、冷卻塔和室外空氣, 每一換熱環節均存在溫差損耗: 熱空氣吹向空調末端(機房空調), 空調末端通過表冷器(冷水盤管)利用冷凍水吸收空氣中的熱量, 熱量從空氣轉移到冷凍水, 冷凍水攜帶熱量與室外空氣進行換熱。相比之下, 系統#1采用相變工質將不同服務器產生的熱量直接傳到分級的風冷冷凝器, 降低了總換熱驅動溫差, 提高了整體熱效率。圖6顯示了系統達到穩定時的5個模塊平均溫度TEva 、 熱電偶測溫點的溫度(TSurf1—TSurf5、TGas、TLiquid、TSA、TOA )以及5個模塊蒸發器表面的平均最大溫差ΔTEva, 以判斷溫度分布均勻性。電加熱模塊的溫度在60.8~62.1°C范圍內, 各模塊負載均衡, 系統散熱能力穩定。同時, 熱管部分的氣管、液管溫度和蒸發器表面溫度均控制在50°C以下, 氣液管平均溫度為39.85°C, 體現了該系統較高的可靠性與傳熱穩定性。此外,5個模塊蒸發器表面的平均最大溫差僅為1.9°C, 表明機柜不同高度的蒸發器表面溫度均勻性較好, 沒有出現局部過熱現象。實驗測試初步驗證了相變風輔液冷系統#1在自驅動與風冷強化協同下可實現50kW高熱負荷下的換熱冷卻。為了更好地比較數據中心冷卻系統的傳熱路徑, 以下分析均以芯片傳熱為重點。圖8對比分析了傳統CRAH系統與相變風輔液冷系統#2在相同熱負荷傳輸路徑中的T-Q圖。系統#2中,熱量經由相變工質傳至風冷冷凝器, 再從熱管蒸發器傳遞到室外冷源側, 減少了傳熱環節, 驅動溫差顯著縮小。圖9給出了不同室外溫度、熱負荷為50kW時系統#2的傳熱路徑。隨著室外溫度的變化, 室內系統(從芯片到熱管蒸發器制冷劑)的溫度分布保持不變, 而室外系統的溫度分布(通過冷凝器的平均空氣溫度)則隨著室外溫度的變化而變化。因此, 該系統在室外溫度變化時具有很強的運行穩定性。本文選取了5個具有不同氣候特征和地理位置的典型城市, 分析系統#2的全年電力使用效率 (power usage effectiveness, PUE)變化趨勢和節能潛力。設置整機柜總熱負荷為50kW。制冷系統功耗包括末端的風冷冷凝器風機功耗、冷源側的風機功耗和壓縮機功耗。由圖9分析可知, 系統#2能夠實現熱源與冷源(室外) 之間較小溫差的換熱, 在室外環境干球溫度低于35°C時 即可開啟自然冷卻模式, 但為確保分析的保守性與 準確性, 采用25°C進行計算。為了避免過渡季對節能分析誤差的影響, 將過渡季的自然冷卻模式與蒸氣壓縮模式同時開啟的情況均按照蒸氣壓縮模式進行計算。本文中, PUE的定義為設備總功耗與信息技術(information technology, IT)設備功耗之比。數據中心的耗電設備包括IT設備、制冷系統和其他設備, 其中其他設備占總功耗的比例為10%。具體計算公式如下:式中: Ptotal為數據中心設備總功耗,PIT為IT設備總功耗,Pcooling為制冷系統總功耗,，Pothers為其他設備總功耗。Pfan-in為末端的風機功耗, Pfan-out為冷源測風機功耗,Pcom為壓縮機功耗。室內模擬溫度設定為25°C, 制冷循環采用R134a作為冷卻介質。室內末端的風冷冷凝器的風機功耗Pfan-in可以簡化為與質量流量的3次方成正比。質量流量設為Mindoor=7.04kg/s。Pfan-in用4系數表達式進行建模,功耗系數根據工業產品說明書和工業工程經驗確定,本課題組前期工作已完成建模,如式(3)所示。室外冷源側的風機功耗Pfan-out采用本課題組前期實驗數據擬合的功耗曲線,可以簡化為與室外環境干球溫度Tamb的3次多項式關系,Pfan-out用4系數表達式進行建模,如式(4)所示。壓縮機功耗Pcom根據壓縮機性能曲線,通過蒸發溫度Teva和冷凝溫度Tcon之間的關系,用 10系數表達式建模。蒸發溫度與冷凝溫度的取值基于本課題組對換熱器運行特性的測試數據與工程經驗,通過換熱端溫度差進行計算。壓縮機功耗的表達式為為對比分析系統在不同氣候條件下的能效,本文基于EnergyPlus提取北京、廣州、哈爾濱、西安和上海5個中國典型氣候區域城市的標準氣象年全年8760h逐時氣象數據,并結合構建的系統能耗模型(式(3)—(5)),逐時計算制冷系統的運行功耗。再代入式(1)和(2)進行時序計算,得出全年逐時PUE值。5個城市全年PUE的變化趨勢如圖10所示。對于北京,系統#2全年PUE(PUEannual =1.16) 遠低于數據中心的平均全年PUE(PUEaverage = 1.49)以及北京新建數據中心的規定全年PUE (PUEnewbuilt =1.30)。因此,采用本文提出的系統#2的數據中心,比目前運行的數據中心可以節省約30%的總用電量。可見,系統#2在工業工程中具有巨大的節能潛力。由圖10可知,系統#2在北京和西安的全年PUE低至1.16,在哈爾濱低至1.14,在廣州和上海低至1.18,均明顯低于傳統 CRAH系統。可見,在中國大部分地區的全年多數時間內,系統#2可實現無壓縮機、無水、無泵的換熱過程。本文提出的相變風輔液冷系統的先進性不僅體現在節能指標PUE的大幅降低, 還體現在能夠同時實現節水。傳統機房空調系統依賴水作為傳熱介質(包括冷凍水和冷卻水), 耗水量大, 對周邊水資源需求量大。由于相變風輔液冷系統的制冷劑均為R134a, 傳熱過程中不使用水, 用水效率 (water usage effectiveness, WUE) 達到最優。制冷系統實現無水運行, 可以克服在缺水地區部署數據中心的困難。Welec=PIT tannual (PUEaverage-PUEnew-system ).(6) 其中: tannual是系統在全年運行的時間, 由于數據中心全年運行, 因此該值為8760 h; PUEaverage采用CDCC統計的2021年全國數據中心的平均PUE, 為1.49; PUEnew-system為本研究提出的系統#2在全 年運行下的能效值。系統的投資回收期可以用式(7) 計算。其中投資回收期n可以通過綜合評估成本和效益來計算。成本是指初始系統成本和運行/維護成本, 效益是指節電量。根據前期工程經驗, 設置初始系統成本Ci為20萬元, 每年的運行/維護成本Co是初始成本的8%。節省電量的費用是節電量Welec乘以工業電價Celec,其中工業電價Celec為0.7元/(kW·h)。以北京為例, 對于50kW總熱負荷的數據中心來說, 采用相變風輔液冷系統#2可以節省電量為173.4MW·h, 投資回收期n為1.89a, 經濟效益顯著。本文提出的系統#2不僅顯著提升了冷卻系統運行效率, 也大大增強了冷卻系統在北方缺水及電價高敏感區域的適應能力, 為數據中心綠色發展提供了有效的冷卻技術方案。本文面向高功率密度數據中心散熱與節能需求, 提出了兩種相變風輔液冷系統, 分別為基于風冷改造方案和熱管復合空調結合方案。兩種方案均采用無泵驅動的氣液相變換熱機制, 兼具模塊化結構與靈活部署特性。通過實驗測試與不同氣候區域典型城市全年能耗建模分析, 驗證了系統的散熱性能、節能效果與工程適應性, 得到如下結論:1) 搭建的基于風冷改造方案的系統在50kW熱負荷下運行穩定, 氣液管平均溫度為39.85°C, 5個不同高度的蒸發器表面平均最大溫差為1.9°C, 驗證了其良好的散熱能力與溫度均勻性。該系統適用于傳統機房的低成本改造。 2) 在風冷改造方案的基礎上, 在室外冷源側布設熱管復合空調, 可以顯著優化傳熱路徑, 使系統具備充分利用自然冷卻的能力。該系統在北京和西安的全年PUE低至1.16, 相較于傳統CRAH系統, 節能效果提升可達約30%, 且在不同氣候區域均具備能效優勢。該系統具有較短的投資回收期 (約1.89a), 且在節能、節水方面優勢顯著, 為綠色數據中心建設提供了可推廣的工程解決方案。轉自：DeepKnowledge，來源：清華大學學報 (自然科學版)作者：王 露, 王馨翊, 張 博, 陳曉軒, 李 震
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