一種利用自然冷源的兩相冷板式液冷冷卻系統(tǒng)方案分析

晉若男, 蘭信穎, 張 濤, 王明軒, 寇禾旺

(沈陽工業(yè)大學(xué), 遼寧沈陽 110000)

0 引言

在“雙碳”政策的大背景下,數(shù)據(jù)中心作為消耗能源的主要產(chǎn)業(yè)之一,其制冷系統(tǒng)的能耗占了數(shù)據(jù)中心總能耗的40%,有效地降低數(shù)據(jù)中心的制冷能耗迫在眉睫,即高效節(jié)能、碳減排已經(jīng)成為大勢所趨[1]。在保證數(shù)據(jù)中心機房安全高效的同時,新型的制冷方案已經(jīng)成為各大數(shù)據(jù)中心的研究對象,其中提高數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效水平、解決數(shù)據(jù)中心冷卻的余熱利用問題、利用自然冷源來代替機械制冷、最大化利用自然資源已然成為各大數(shù)據(jù)中心的研究目標(biāo)。本文從數(shù)據(jù)中心制冷的基礎(chǔ)理論入手,構(gòu)建了一套新型數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng),為數(shù)據(jù)中心提供節(jié)能、高效、經(jīng)濟的制冷方案。

1 制冷系統(tǒng)設(shè)計思路

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的作用是將服務(wù)器散發(fā)出來的熱量搬運到自然環(huán)境中以維持服務(wù)器要求的運行溫度條件,將整個制冷系統(tǒng)分成3部分,第一部分是為整套制冷系統(tǒng)提供冷源以及不斷為數(shù)據(jù)中心發(fā)熱元器件提供制冷保證;第二部分是注意冷熱源間的熱量輸配,保證整套制冷循環(huán)可實現(xiàn);第三部分是通過換熱器與熱源進行換熱,將散發(fā)熱量的服務(wù)器進行冷卻以維持其正常運行溫度環(huán)境。服務(wù)器散發(fā)的熱量被換出至末端設(shè)備后再通過第二部分的設(shè)備將熱量輸配至冷源側(cè),由冷源設(shè)備對其進行制冷降溫,由此形成制冷循環(huán)系統(tǒng)。該理論分析從制冷基礎(chǔ)理論出發(fā),分別對其3部分進行深入分析從而得到整套制冷系統(tǒng)的能效優(yōu)化方向。

2 兩相冷板式液冷冷卻循環(huán)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心選擇使用空氣冷卻技術(shù)維持服務(wù)器正常工作的溫度,隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展,服務(wù)器不斷提升自身處理能力和集成度,使得服務(wù)器散熱量節(jié)節(jié)攀升,溫度不斷提高,空氣冷卻提供的風(fēng)量和冷卻能力已接近極限,無法滿足現(xiàn)代工作負(fù)載的散熱需求。我們設(shè)計的這種兩相冷板式液冷冷卻循環(huán)系統(tǒng)不僅能夠很好地滿足高密度數(shù)據(jù)中心的散熱需求,還能減少能量的消耗,提高的能源利用率。

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 冷板式液冷冷卻系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由蒸發(fā)式冷凝器、直接接觸冷板式液冷蒸發(fā)器、磁懸浮離心式制冷劑氣泵、儲液器、膨脹閥、制冷劑液泵、換熱器、閥門等組成。其中制冷劑的氣泵和液泵可采用光伏供電,冷凝器由翅片管換熱器、風(fēng)機、填料、噴淋系統(tǒng)、進風(fēng)柵、水槽與水泵組成,噴淋系統(tǒng)與換熱盤管分離開,避免了換熱盤管被腐蝕和結(jié)垢。將儲液器放置在冷凝器與制冷劑液泵之間,可以起到貯存制冷劑以及氣液分離的作用。將換熱器放在蒸發(fā)式冷凝器和磁懸浮離心式制冷機氣泵之間,使高溫制冷劑的熱量通過換熱器進行熱回收,回收的熱量冬季可以用來供暖,夏季可以作為生活熱水的熱源,能實現(xiàn)對CPU放出熱量的再利用,能提高能源的利用率。在制冷劑液泵的后面安裝膨脹閥,可以通過其節(jié)流為低溫低壓的濕蒸汽,最后回到蒸發(fā)器中吸收熱量達到制冷效果。

構(gòu)成本制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是直接接觸冷板式液冷蒸發(fā)器,直接與服務(wù)器散熱元件部分接觸,制冷劑吸收服務(wù)器散發(fā)出的熱量后由液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài),實現(xiàn)了就近冷卻,提高了換熱密度,降低了輸送能耗,從而提高了系統(tǒng)能效。磁懸浮離心式制冷劑氣泵是本系統(tǒng)中的另一關(guān)鍵設(shè)備,保證了機械制冷的實現(xiàn)。設(shè)計中考慮到避免潤滑油的回油問題,以及為了提高制冷系統(tǒng)在部分負(fù)荷下的性能,所以選擇使用磁懸浮離心式制冷劑氣泵,實現(xiàn)了在全部工況下低壓縮比高效運行,減少了功耗,降低了噪聲。本系統(tǒng)采用蒸發(fā)式冷凝器,能夠起到有效地降低冷凝溫度的作用。為了充分利用空氣中的冷能,系統(tǒng)中設(shè)置了制冷劑液泵,能夠?qū)崿F(xiàn)冬季和過渡季節(jié)的自然冷卻,降低了系統(tǒng)能耗。

2.2 系統(tǒng)的運行模式

該系統(tǒng)可以根據(jù)室外溫度的變化實現(xiàn)4種運行模式:

(1)模式一:當(dāng)室外溫度較低時,關(guān)閉蒸發(fā)式冷凝器噴淋系統(tǒng)的水泵、制冷劑氣泵和膨脹閥,開啟蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機、制冷劑液泵,室外溫度低的空氣進入蒸發(fā)式冷凝器中對制冷劑進行降溫,制冷劑由氣態(tài)變成液態(tài),再進入儲液器中,依靠制冷劑液泵提供動力,驅(qū)動制冷劑進入直接接觸冷板式液冷蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中吸收服務(wù)器散發(fā)出的熱量,制冷劑由液態(tài)再次變成氣態(tài),隨之進入換熱器中進行熱回收,最后進入蒸發(fā)式冷凝器中循環(huán)此過程。此模式充分利用室外空氣進行降溫。

(2)模式二:當(dāng)室外溫度上升,導(dǎo)致模式一供應(yīng)的制冷量不足時,可在模式一的基礎(chǔ)上打開蒸發(fā)式冷凝器的噴淋水泵,制冷劑依靠冷空氣和噴淋水降溫,氣態(tài)的制冷劑逐漸被冷凝為液態(tài)的制冷劑,進風(fēng)柵靠強風(fēng)使水泵噴出的水覆蓋在換熱盤管表面,噴淋水借助風(fēng)力,極大地提高了換熱效果。以下的過程同模式一,制冷劑繼續(xù)進行熱管式循環(huán)。此模式充分利用室外空氣和冷卻水進行降溫。

(3)模式三:當(dāng)室外溫度繼續(xù)上升使模式二供應(yīng)的制冷量不足時,關(guān)閉蒸發(fā)式冷凝器噴淋系統(tǒng)的水泵和制冷劑液泵,開啟蒸發(fā)式冷凝器的風(fēng)機、磁懸浮離心式制冷劑氣泵和膨脹閥。僅依靠冷空氣對制冷劑進行降溫,使制冷劑從高壓氣態(tài)變成液態(tài)進入儲液器中。再經(jīng)過膨脹閥使高壓的液態(tài)制冷劑節(jié)流為低溫低壓,接著進入直接接觸冷板式液冷蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中吸收服務(wù)器散發(fā)的熱量,制冷劑由液態(tài)變成氣態(tài),再通過磁懸浮離心式制冷劑氣泵成為高壓氣態(tài)制冷劑,隨之進入換熱器中進行熱回收,最后回到蒸發(fā)式冷凝器中繼續(xù)循環(huán)。此模式運用的是蒸氣壓縮式制冷循環(huán),且冷凝器為風(fēng)冷模式。

(4)模式四:當(dāng)室外溫度較高時,在模式三的基礎(chǔ)上開啟蒸發(fā)式冷凝器水泵,制冷劑同時被冷空氣和噴淋水降溫,制冷劑由氣態(tài)逐漸被冷凝為液態(tài),以下的過程同模式三,繼續(xù)運用蒸氣壓縮式制冷循環(huán),冷凝器變?yōu)檎舭l(fā)式。

2.3 系統(tǒng)的優(yōu)勢

該系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的優(yōu)勢是采用冷板式相變液冷技術(shù),讓蒸發(fā)器中的冷板直接與服務(wù)器元件觸,實現(xiàn)了就近冷卻,增大了換熱密度從而提高了系統(tǒng)能效。選擇使用磁懸浮離心式制冷劑氣泵能實現(xiàn)機械冷卻,能擺脫潤滑油回油的問題,能實現(xiàn)在全部工況下低壓縮比地運行,減少功耗。同時系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置換熱器,作好熱回收處理,通過換熱器回收高溫制冷劑的熱量,將其提供給周圍建筑冬季供暖、夏季供給生活熱水,能實現(xiàn)熱量的再利用,提高能源的利用率。以及本系統(tǒng)采用蒸發(fā)式冷凝器能夠根據(jù)室外氣溫的變化,對其進行自然冷卻與機械冷卻的靈活切換從而充分地利用自然冷源,減少機械制冷的運行時間,解決了電能消耗嚴(yán)重的問題。非常適用于溫度較低的內(nèi)陸地區(qū)。

3 制冷劑的選擇與使用

根據(jù)對該制冷系統(tǒng)的研究,為滿足提高系統(tǒng)能效和節(jié)能的需要,以及在保證實際的運行過程中熱力學(xué)性質(zhì)符合要求的條件下,該系統(tǒng)選擇的該制冷劑與其他制冷劑相比臨界點要更高、凝固溫度也要更低,運行時的工作壓力和壓縮比需要符合系統(tǒng)要求。所以經(jīng)過綜合比較決定選取載冷能力更強的載冷工質(zhì):R134a(四氟乙烷),氟利昂134a是一種新型的制冷劑,其屬于氫氟烴類物質(zhì)。該制冷劑在換熱特性、比熱容密度及經(jīng)濟換熱溫差上都有比較好的特點,且與傳統(tǒng)的制冷劑比較而言,該制冷劑的相對單位容量制冷能力更強。就經(jīng)濟性而言,R134a在價格、生產(chǎn)獲得以及儲存費用等綜合方面上具有獨特的優(yōu)勢,滿足了實用性的要求。同時在研究數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的運行過程中,通過理論分析,在輸配相同冷量和相同物理距離的基礎(chǔ)上比較,其中的輸配環(huán)節(jié)的功耗,從而發(fā)現(xiàn)了R134a的單位體積制冷能力更強,更適合該數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)。

但氟利昂如有泄漏則會與二氧化碳一樣破壞臭氧層,同樣促使地球變暖,有悖于“雙碳”目標(biāo)。若能找到更好的制冷劑應(yīng)停止使用氟利昂。

4 結(jié)論

通過研究分析表明這種利用自然冷源的兩相冷板式液冷冷卻循環(huán)系統(tǒng)具有節(jié)能、充分地利用自然冷源、便于調(diào)節(jié)運行工況等特點,相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng),該系統(tǒng)采用冷板式相變液冷技術(shù)配合磁懸浮離心式制冷劑氣泵和制冷劑液泵,做到了充分吸收服務(wù)器中高熱耗元件的熱量的同時最大化利用自然資源,非常適用于溫度較低的內(nèi)陸地區(qū)。通過根據(jù)室外氣溫的變化,對其進行自然冷卻與機械冷卻靈活切換從而充分利用自然冷源,減少機械制冷運行時間,解決了電能消耗嚴(yán)重的問題。在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置換熱器,實現(xiàn)了對CPU放出熱量的循環(huán)利用,提高了能源利用率。結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)況,本系統(tǒng)有較好推廣前景,整個系統(tǒng)大大節(jié)約能源的同時有效的提高數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的工作效率,使用范圍和應(yīng)用空間。總之,這種利用自然冷源的兩相冷板式液冷冷卻循環(huán)系統(tǒng)有著比較強的適用性、經(jīng)濟性、可行性,不僅滿足了現(xiàn)代工作負(fù)載需求,而且對推動數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)高速發(fā)展具有一定的作用。