間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在液/氣雙通道數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

嚴(yán)家瑞，郭佳哲

（中國移動(dòng)廣東有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的高速發(fā)展以及新基建、碳中和、碳達(dá)峰政策的提出，數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)呈指數(shù)型迅猛增長，設(shè)備發(fā)熱量越來越大，亟需開展能效提升，減緩能耗增長。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗約占總能耗的38%，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能增效的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)耗能大的主要原因?yàn)椴捎脡嚎s機(jī)制冷的方式，提高傳熱效率、引入自然冷卻可以大大降低能耗。

1 技術(shù)原理

1.1 液/氣雙通道散熱技術(shù)原理

數(shù)據(jù)中心散熱技術(shù)可分為兩種：一種是單通道散熱技術(shù)，通過單一換熱介質(zhì)對IT設(shè)備進(jìn)行冷卻，包括單通道氣冷和單通道液冷兩種散熱方式,單通道氣冷散熱一般為傳統(tǒng)的風(fēng)冷空調(diào)散熱，目前存在能耗高、熱島現(xiàn)象突出、資源利用率低這3個(gè)難題；單通道液冷散熱是一種芯片級(jí)冷卻方式，通過制冷液體與服務(wù)器芯片直接或間接接觸，代替空氣作為末端換熱介質(zhì)，建立低熱阻高效導(dǎo)熱通道，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的高效節(jié)能，然而單一地使用液冷技術(shù)需要考慮高成本、維護(hù)難度及冷卻液泄露等問題;另一種是雙通道散熱技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的熱場特征，液冷通道對CPU等高熱流密度元件進(jìn)行精準(zhǔn)散熱，帶走絕大部分熱量；氣冷通道對低熱流密度元件進(jìn)行散熱，帶走剩余熱量[1]。雙通道散熱系統(tǒng)可以針對不同熱流密度發(fā)熱元器件進(jìn)行精準(zhǔn)散熱，具有架構(gòu)簡單、安全可靠、運(yùn)維便捷等特點(diǎn)。

1.2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組是一種能夠?qū)⒈惶幚硭鋮s降溫至工作空氣的濕球溫度的新型節(jié)能冷源設(shè)備。在間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取冷水的過程中，工作空氣與被處理水發(fā)生直接接觸，促使被處理水表面的水分子蒸發(fā)進(jìn)入工作空氣流中而被不斷帶走，被處理水表面水分子蒸發(fā)過程中所吸收的汽化潛熱，大部分或全部來源于被處理水內(nèi)部所攜帶的熱量，從而實(shí)現(xiàn)對被處理水進(jìn)行冷卻降溫的效果。如圖1所示，在間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組中，外界環(huán)境空氣首先經(jīng)過間接預(yù)冷段的處理，使?jié)袂驕囟群透汕驕囟韧瑫r(shí)降低，此時(shí)外界環(huán)境空氣所發(fā)生的熱濕處理過程為等濕冷卻過程；預(yù)冷后的環(huán)境空氣進(jìn)入淋水填料內(nèi)與機(jī)組回水發(fā)生直接接觸進(jìn)行蒸發(fā)冷卻熱濕交換的過程，此時(shí)預(yù)冷空氣所發(fā)生的熱濕處理過程為增墑加濕過程[2]。對于間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的工程過程而言，機(jī)組間接預(yù)冷段能夠使外界空氣濕球溫度降低達(dá)到的極限為其露點(diǎn)溫度，從而機(jī)組淋水填料段能夠使機(jī)組回水冷卻降溫達(dá)到的極限為環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組原理

1.3 小端差換熱器原理

小端差換熱器技術(shù)是指通過增加換熱面積、提高冷媒流速的方式而縮小冷媒溫度與出風(fēng)溫度之間的溫差（稱之為端差），冷媒溫度與出風(fēng)溫度相差不超過3℃，其原理是讓冷媒流過金屬管道內(nèi)腔，而要處理的空氣流過金屬管道外壁進(jìn)行熱交換來達(dá)到加熱或冷卻空氣的目的[3]。

2 間接蒸發(fā)冷卻在液/氣雙通道系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 技術(shù)方案

本方案將間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)與液/氣雙通道散熱技術(shù)相結(jié)合，冷源側(cè)采用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組提供更低的供水溫度，機(jī)房側(cè)采用液冷和氣冷兩種形式分別進(jìn)行散熱，其中液冷通道采用水做為冷卻液（一般為去離子水），通過水冷型熱管冷板散熱器將CPU等高熱流密度元器件的發(fā)熱量高效地導(dǎo)出服務(wù)器外，再由水將熱量帶出機(jī)房；氣冷通道采用高密度封閉機(jī)柜，通過小端差換熱器對內(nèi)存主板等低熱流密度器件進(jìn)行風(fēng)冷散熱[4]。測試系統(tǒng)中冷源側(cè)配置一臺(tái)設(shè)計(jì)最大制冷量為29 kW的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組，末端配置兩臺(tái)高密度封閉機(jī)柜（含服務(wù)器），其中一臺(tái)整機(jī)柜IT 功率約為15 kW（1#機(jī)柜），另一臺(tái)機(jī)柜IT 功率約為10 kW（2#機(jī)柜），以及配套的自控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)等。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過采用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組提供更低的供水溫度，采用水冷型熱管冷板散熱器對CPU等高熱流密度器件進(jìn)行精準(zhǔn)散熱，采用高密度封閉機(jī)柜及小端差換熱器搭建氣冷通道對內(nèi)存主板等低熱流密度器件進(jìn)行散熱，完全去壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)全自然冷卻。

2.3 測試結(jié)果分析

采用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組做為自然冷源，可以使液/氣雙通道散熱系統(tǒng)在國內(nèi)夏熱冬暖南方地區(qū)也能實(shí)現(xiàn)全年自然冷卻[5]。下面以廣州的氣象數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，廣州市全年干球溫度、濕球溫度的分布如表1及圖3所示。

圖3 廣州市月平均干濕球溫度分布圖

表1 廣州市全年干球溫度分布表

根據(jù)廣州市氣候特點(diǎn)，得到極端濕球溫度為30.6 ℃，其出現(xiàn)時(shí)長約為29 h且為不連續(xù)時(shí)間。在此極端氣溫狀況，間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的極端工況如表2所示。

從表2可以看出，在廣州地區(qū)的極端氣溫下，間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的出水溫度不高于31 ℃,經(jīng)過板式換熱器的換熱后一次側(cè)供水溫度為32 ℃，從而使高密度封閉機(jī)柜中液冷通道供水溫度維持在32 ℃以下，氣冷通道送風(fēng)溫度可維持在35 ℃以下，滿足熱管水冷服務(wù)器的進(jìn)水、進(jìn)風(fēng)溫度要求。

表2 間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組極端工況計(jì)算

通過整理測試系統(tǒng)在濕球溫度較高（27～30℃）工況下的液冷通道及氣冷通道運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，反映整體的可用性、可靠性和節(jié)能效果，具體如下。

兩個(gè)機(jī)柜液冷通道運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)如圖4所示，間接蒸發(fā)冷卻塔滿載運(yùn)行下，冷卻塔供水溫度接近濕球溫度，最低可比室外濕球溫度低1～2 ℃，液冷通道供水溫度比濕球溫度高2-3 ℃，機(jī)組制冷能力在濕球溫度為27～30 ℃工況下得到驗(yàn)證，各服務(wù)器CPU溫度隨供水溫度波動(dòng)變化，但均在正常范圍內(nèi)，服務(wù)器設(shè)備無告警。

圖4 液冷通道運(yùn)行數(shù)據(jù)

1#、2#機(jī)柜氣冷通道運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示，設(shè)定送風(fēng)溫度為32 ℃情況下，1#、2#機(jī)柜送風(fēng)溫度保持在設(shè)定值（32±2）℃范圍內(nèi)，兩機(jī)柜各服務(wù)器器件溫度隨送風(fēng)溫度波動(dòng)變化，但均在正常范圍內(nèi)，服務(wù)器設(shè)備無告警。

圖5 1#機(jī)柜氣冷數(shù)據(jù)

圖6 2#機(jī)柜氣冷數(shù)據(jù)

系統(tǒng)在濕球溫度較高（27～30℃）工況下運(yùn)行穩(wěn)定，間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組在無壓縮機(jī)的條件下制冷可滿足需求，各服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行，無異常告警，系統(tǒng)運(yùn)行總功率約為25 kW，IT設(shè)備實(shí)際運(yùn)行功率約為21 kW，平均能源利用率（Power Usage Effectiveness，PUE）為1.2，如圖7所示。

圖7 能耗曲線

3 結(jié) 論

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)與液/氣雙通道散熱技術(shù)的結(jié)合能大大提高數(shù)據(jù)中心單機(jī)架的功率密度，能更好地應(yīng)用于大規(guī)模、高密度的云數(shù)據(jù)中心，同時(shí)其模塊化的設(shè)計(jì)，既能應(yīng)用于微模塊數(shù)據(jù)中心，也能應(yīng)用于集裝箱數(shù)據(jù)中心，符合小型邊緣數(shù)據(jù)中心快速、靈活部署的要求。同時(shí)，該技術(shù)成果依賴其高效節(jié)能、完全去壓縮機(jī)的特點(diǎn)，突破傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱數(shù)據(jù)中心選址對自然環(huán)境的高度依賴，即使在南方高溫高濕地區(qū)，如粵港澳大灣區(qū)，海南自貿(mào)區(qū)、海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域也能快速部署出節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。