双碳目标下蒸发冷却、热管、液冷节能技术在数据中心中的应用

作者:兰洋科技    浏览量:4466    时间:2023年08月09日    标签: 双碳 蒸发冷却 热管散热 节能技术

对于一个PUE=1.5的数据中心,基础设施的耗能主要来自电力设备自身的耗能和制冷系统的耗能,另外还有照明+其他辅助设施(加湿、新风、智能化等)的耗能,这三部分耗能的占比见图1。可见基础设施的耗能中,机械制冷系统的耗能占到总耗能的23%。近三年来数据中心制冷系统在蒸发冷却、热管和液冷技术以及产品上有了创新和突破,在进一步提高制冷系统的能效和节能上收到了较好的效果,在数据中心逐步被采用和推广。蒸发冷、热管和液冷在降低能耗上的优越性也将成为今后数年数据中心降低制冷系统能耗发展趋势。

一、蒸发冷却节能技术在数据中心中应用与前景

蒸发制冷主要利用水分子蒸发相态产生变化时吸热的特性达到制冷效果,在湿球温度较低、空气干燥工况下可达到较好的制冷效果,见示意图2。蒸发冷却是将潜热转变为显热。将未饱和空气暴露在自由的、温度较低的水表面中,并且水和空气融合,可以冷却未饱和空气。一部分空气显热转移到水中,并通过一部分的水的蒸发变为潜热。

空气干燥、湿球温差称为湿球温降,空气越干,这个温差越大,利用这个蒸发冷却后的温降,可以充分降低室外空气的温度,然后利用其冷却数据中心内部的热空气,实现对数据中心的制冷。

1.1 蒸发冷却技术的分类与原理

蒸发冷却技术主要分为四种形式:

1)直接蒸发冷却:是指空气与水大面积的直接接触,由于水的蒸发使空气和水的温度都降低,此过程中空气的含湿量有所增加,空气的显热转化为潜热,这是一个绝热降温加湿过程。被冷却空气与蒸发水分直接接触,可通过喷淋室、湿膜加湿、喷雾加湿等形式来降低环境的温度,直接蒸发冷却原理见图3。

2)间接蒸发冷却:是把直接蒸发冷却过程中降温后的空气和水通过非接触式换热器冷却待处理的空气,可通过表冷器换热、间接蒸发盘管换热等形式来降低环境的温度,得到温度降低而含湿量不变的送风空气,此过程为等湿冷却过程。间接蒸发冷却装置原理图4。

3)间接+直接蒸发冷却:根据送风含湿量的要求,在间接蒸发冷却模块后增加直接蒸发冷却模块,新风被降温、并被适当加湿,调节送风的湿度。间接+直接蒸发冷却原理见图5。

4)蒸发冷却+机械制冷:虽然在自然蒸发冷却的过程中所消耗的能量较少,主要是风机和水泵耗能,与目前主流的机械制冷的空调相比在节能和经济性上更有优势。但是直接和间接蒸发冷却无法满足全年所有工况可以提供数据中心需要的制冷要求,因为在室外温度(夏季)上升时,换热器的换热效率下降,不能满足机房送风温度要求时,必须增加机械制冷系统的补充。间接蒸发冷却+机械制冷原理图见图6。

1.2 间接蒸发冷却系统在数据中心的应用

间接蒸发冷却设备按热交换器形式不同大致可分为板式、管式、板管式等形式。无论哪种换热器都具有两个互不联通的空气管道,借助两个通道的间壁,使空气得到冷却。

1)管式换热器

数据中心内热空气从侧面进入换热器,延管道被冷却后再次送入数据中心。室外侧干冷空气从底部进入换热器,在管道外侧蒸发冷却降温后再冷却管内的热空气,然后从上部排出。管式换热器换热过程见图7。

2)板式换热器

板式间接蒸发冷却设备由一组金属板或复合材料组成。板式间接蒸发冷却其中的二次空气来自于室外新风,一二次空气的比例对板式间接蒸发冷却效率影响较大,两侧空气在热交换器表面上进行热交换。见图8。

3)板管式间接蒸发冷却空调系统

蒸发冷却式结构上将冷凝器和冷却塔合二为一,省略冷却水从冷凝器到冷却塔的传递阶段;充分利用水的蒸发潜热冷却工艺流体,用水量为水冷式冷凝器的45~50%。该系统运行和冷却完全使用数据中心室内回风,省去了间接蒸发冷却器的空气过滤器,而是额外设置旁通过滤机组,这与所有的机组都装过滤器相比,减少了过滤器的投入、维护费用及风机功率,也减少了室外空气污染物影响IT设备的风险。同时,为了给人员提供新风或维持室内正压,根据当地气候条件,装配设有加湿和除湿功能的新风机组,以此来提供通风和湿度控制。

4)其他相关技术研究

上述间接蒸发冷却空调机组载冷介质皆为空气,目前大型数据中心普遍采用冷冻水系统,故将间接蒸发冷却技术融合进冷冻水系统成为研究方向。市面上可见的蒸发冷却冷水机组主要有两种:第一种将蒸发冷却技术应用于机械式冷水机组的冷凝器部分,严格来说只是蒸发式冷凝器的应用,通过高换热系数的蒸发式冷凝器获得较低的系统冷凝温度从而提高机组能效;第二种即利用蒸发冷却过程直接出冷水,是一种纯粹的蒸发冷却冷水机组,是完全的自然冷却。蒸发冷却冷水机组系统示意如图9所示。

为获得在高温天气仍能直接使用的低温水,机组设置了预冷段、间接蒸发冷却段和直接蒸发冷却段。室外新风首先在预冷段由系统回水进行预冷,然后经间接蒸发冷却段等湿减焓降温,经过两次降温后的空气最终在直接蒸发段制取冷水。在干球温度33.5℃、湿球温度18.2℃的室外条件下,可获得16℃的出水温度。

1.3 数据中心蒸发冷运行模式

数据中心蒸发冷却系统主要是以自然冷却为主,机械制冷为辅,蒸发冷却系统主要运行的模式可分为干、湿和混合等三种模式。

1)干模式:在室外干球温度低于16℃左右,依靠室内外空气在换热芯体换热就可以提供足够的冷量,此时运行在干工况。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统都不工作。室外新风与室内回风直接经换热器换热,数据中心较高的回风经由空气-空气换热器被室外的低温空气直接冷却。见图10。

2)湿模式:当室外环境温度较温和时(湿球温度高于19℃左右),机组运行在湿模式。此时开启喷淋蒸发,而机械制冷系统仍然不工作。室外空气通过增发冷却系统进行预降温,然后再经由空气空气换热器冷却数据中心回风。见图11。

3)混合模式:当室外湿球温度较高时(湿球温度高于19℃左右),特别是在炎热天气,自然冷却无法满足制冷需求,开启压缩制冷系统补充不足的部分。采用蒸发冷却+高效换热+压缩制冷的运行模式,称为混合工况。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统同时工作,共同达到所需要的制冷量。见图12。

1.4 蒸发冷系统优势和关注问题

近几年来,蒸发冷却(特别是间接蒸发冷却)空调机组成为行业节能应用热点,国内外许多的厂商都研制和推出了相关产品。蒸发冷却空调与传统的压缩机型空调相比,具有以下优点:

1)耗能与传统空调系统相比能效有了明显的提升:蒸发冷却空调设备中所需的主要动力为风机和水泵动,无制冷压缩机,能效比COP值很高,通常机械制冷系统的耗电为50W/m2左右,而蒸发型空调系统为10W/m2左右,节电80%左右。

2)蒸发冷却空调运行方式为全新风运行:且具有空气过滤和加湿功能,不断输入100%新鲜冷空气,有效的正压送风可使有害的空气排出室外,保持室内洁净;大大改善其室内空气品质。

3)保护环境,零污染:由于蒸发冷空调设备主要是以水为制冷剂,对大气无污染。

4)模块化、工厂预制:蒸发冷却改变了目前主流水冷机组的结构,可以实现模块化和在工厂的预制,现场安装,没有管道的连接和安装,减少工期。

目前蒸发冷却技术的应用的主要形式为间接蒸发冷却空调机组、直接蒸发新风系统;虽然蒸发冷却技术有上述众多的优点和优势,但是还需要看到蒸发冷却空调系统在结构和环境上存在的问题,主要体现在以下几点:

1)对建筑的要求

蒸发冷却技术上采用水与空气换热交换,决定了在建筑上需要有特殊的空间(专用的水和空气蒸发交换空间、机房回风空间),因此采用蒸发冷的系统改变了以往数据中心建筑的功能布局、层高、空气进出流动通道,见示意图13和实例案例图14。

对于采用蒸发冷却空调系统的数据中心,规模(机柜数、单机柜容量)差异化,需要定制化的设计,没办法简单化的复制,因为进排口的设置需求,在高层建筑数据中心中应用较为困难。另外由于间接蒸发冷却空调机组产品还未形成统一的标准化,不同的厂家尺寸差异较大,导致建筑的设计的通用性较差。目前在大型数据中心建设中,采用间接换热空调机组

大部分都是采用外置的方式,在建筑结构上采用工业厂房的模式,见图15。

2)地域条件的要求

蒸发冷却更适用于空气干燥的地区,蒸发冷却过程中空气越干燥,干湿球温差越大,“干空气能”的利用率越强,能获得的温度就越低。

根据中国的气候特点和干湿地区分布,蒸发冷却技术建议在“胡焕庸线”的左边气候比较干燥的区域使用,可以达到更好的节能和节水效果。见图16。

不是说在我国中东部(红线右边)的区域就不能采用蒸发冷,而是需要考虑在这些地区高湿不仅降低了换热的效率,还需要考虑增加除湿所需要的耗能,最终影响节能的实际效果。

3)对空气质量的要求

间接蒸发冷却空调机组工作原理为外部空气与水的换热,然后再通过空空换热器来冷却室内空气。目前间接换热空调机组基本都采用板式换热器,室外空气中的灰尘、颗粒物等,通过加湿后,会附着在换热器表面,时间长了会大大影响换热器的效果。现在国外也在积极研究采用高分子材料替代传统的金属换热器,来降低空气质量对换热器效率的影响。

直接蒸发冷却新风系统,室外空气经过过滤和加湿降温后直接送到数据中心机房内,空调的品质直接关系IT的运营稳定。

因此需要关注空气的质量对持续制冷和对IT设备的影响,差的空气质量将降低换热的效果和维护难度以及维护的成本,当遇到沙尘暴时还将引发蒸发冷却系统无法正常运行。另一方面空气中有害的气体(如硫化物等)也会导致IT设备电路腐蚀,导致短路或短路而不能正常运行。因而目前采用蒸发冷的数据中心大多会设计两种制冷系统的并存,有些还增加有害气体的检测和过滤装置,不仅增加投资还增加后期的运维成本。

4)运维中的问题

目前蒸发冷的水质问题是影响蒸发冷却空调技术推广使用的主要限制因素之一,结垢、污泥、菌澡滋生、腐蚀穿孔,不仅降低了系统的冷却效率、设备的使用寿命,同时也影响到正常的运行。另外在北方冬季的结冰现象什分严重,影响到冷却塔的散热效果、加大冷却塔的承重、损害填料和管道,同样影响冷却塔的使用寿命。见图17。

5)蒸发冷却还不能完全取代机械制冷系统

与机械制冷相比,蒸发冷却还存在着很多不足之处。如体积大、缺乏除湿功能,冷却空气的能力受外界气候环境(雨雪、风沙等恶劣天气)的影响严重,多级蒸发冷却系统控制较复杂等。当仅靠蒸发冷却不能达到制冷要求时,还需要机械制冷进行补偿,因此,将机械制冷与蒸发冷却相结合,取长补短。

总之,数据中心需要全年制冷,而直接和间接蒸发冷却技术具有明显的“靠天吃饭”属性。国内除了西北某些地区气候能够使用该技术实现全年制冷,绝大多数地区需要配置机械制冷机组补充冷量,在极端高温天气负担蒸发冷却系统欠缺的制冷量,但这又引起人们对于安全方面的担忧。一方面,蒸发冷却空调机组体积较大,需要与机柜通道通常一一对应,与传统数据中心的备份理念存在一定偏差;另一方面,若按极端工况下间接蒸发冷却系统制冷能力的最大欠缺量配置机械组件且考虑不间断供冷需求,则极大增加了对于机械组件的相应UPS及电池配置。故蒸发冷却空调机组更适宜应用于非夏热冬暖地区。

二、热管技术在数据中心制冷系统节能中的应用与前景

近几年来制冷技术的研究和制造商将热管技术应用到数据中心的制冷系统中,热管具有独特的技术优势,在数据中心的制冷系统节能和节水方面收到良好的效果。

2.1 热管技术原理

典型的热管由管壳、吸液芯和工作介质组成。管壳为两端密封的圆柱管,管的内壁贴附同心圆筒式的金属丝网或其它多孔介质,即吸液芯。对热管的一端加热后,由于管内压力很低,工质吸收热量变为蒸汽,然后在压差作用下流向另一端,向外界释放热量后再凝结成液体,依靠吸液芯的毛细抽吸力流回加热段,再次受热气化,如此往复循环,就可以连续不断地将热量从一端传递到另一端。见图18。

将热管技术应用到数据中心的制冷系统,是利用室内、外温差通过热管将室内热量交换到室外,从而降低室内温度的系统设备。热管换热系统利用循环工质的气液相变来传递热量,通过特殊的管路联接,将蒸发段和冷凝段分离开来,室内机为该系统的吸热端,冷凝器为其放热端,室内机中的工质在机房内吸热蒸发变为气态,经过气管流入冷凝器,并在冷凝器内放热冷凝为液态,然后通过液管回到室内机继续吸热蒸发。热量传输是无源运行,无运动部件,零能耗且故障率极低。热管技术工作原理见图19。

热管在实现这一热量转移过程中,包含了以下六个相互关联的主要过程:

(1)热量从热源通过管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面;

(2)液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发;

(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;

(4)蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结;

(5)热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源;

(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回到蒸发段。

由于热管是依靠自身内部工作液体的相变来实现传热的传热元件,所以其具有以下优点:

(1)超强的导热性能:热管依靠工作介质的汽、液相变传热,换热系数高,传热热阻很小,可传递热流密度较大。其导热系数比金、银、铜、铝等优良导热体高出了几个数量级。

(2)优良的等温性:由于热管内腔的蒸汽处于饱和状态,其粘度较低,在流动中产生的压降很小,所以热管的蒸发段与冷凝段之间的温差很小,近似等温。

(3)可变热流密度:可以通过独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积的方法调节蒸发段和冷凝段的热流密度,以解决其他传热方式难以解决的问题。

(4)热流传递方向可控:通过改变内部循环力的方式,可以实现热流单向传递、双向传递、抗重力传递等。

(5)环境适应性强:热管的形状可根据热源和冷源的条件灵活变化,其形状可制成电机的转轴、燃气轮机叶片、钻头、手术刀等;可应用于地面(重力场),也可以应用于空间(无重力场)。

(6)热管属于被动传热:工质在热管内的流动循环完全依靠管内结构及工质自身的热力平衡实现,没有任何动力部件,属于无耗能传热,工作性能稳定,可靠性高。

从热管的工作原理可以看出,热管是基本无耗能的原件,通过实现热量的转移从而进行制冷。

2.2 热管技术在数据中心中的应用

目前热管技术在数据中心的产品主要有以下三个系统:

1)单热管式制冷系统

单热管精密空调由热管、蒸发器、EC风机和室外机组成,在结构与水冷末端精密空调相似,但采用氟的冷媒,无制冷压缩机,室外机采用风冷或蒸发冷却。有效的提高制冷的能效。见图20。

热管式机房精密空调适用于常年可以使用低温自然冷源的地区,不需要机械制冷,只有室内和室外风机的耗能,有效降低空调的耗能,提升制冷系统的节能效果。

2)热管+机械制制冷系统

在我国有很多的地区采用全热管技术的制冷空调还无法满足全年所有工况可以提供数据中心需要的制冷要求,因为在夏热冬暖的地区,室外温度限制了热管技术的使用,室外换热器换热效率下降或无法对气化的媒介进行降温,不能满足机房送风温度要求时,为此制冷的厂商在热管精密空调机中增加了机械制的装置,机械制冷作为热管制冷的补充,很好的解决了区域气候条件不足的缺陷,见图21。

热管+机械制冷系统的全年运行模式分为三种:压缩机制冷模式、部分自然冷却模式、完全自然冷却模式。

当室外湿球温度t>T1℃(可调)时,压缩机工作,自然冷源不工作,系统运行模式为冷机制冷模式。

当室外湿球温度T1<t≤T2℃(可调)时,压缩机工作,自然冷源工作,系统运行模式为部分自然冷却模式。

当室外湿球温度t≤T2℃(可调)时,压缩机不工作,自然冷源工作,系统运行模式为完全自然冷却模式。

热管+机械制冷模式产品有区域机柜式和行间空调两种,以适应不同规模数据中心的需要。

3)重力热管背板

重力热管型背板空调是热管技术在数据中心另一种应用,安装在机柜后门,与机柜紧密结合,通过水冷冷凝器中工质的蒸发、冷凝循环直接冷却机柜排风,机柜外部形成冷环境。热管运行时工质回流依靠重力,无须其它动力。热管背板系统主要由外壳、风机、换热盘管、控制器、水冷冷凝器、热管工质、热管工质管道、水过滤器及群控系统等组件组成,应能实现机组最优性能和保证工艺设备等安全运行。重力热管型背板空调系统示意和气流组织如图22所示。

重力热管型背板空调适用于前进风后出风,标准服务器机柜,安装在机柜后门,与机柜紧密结合与机柜形成一体,更接近热源,机柜内部服务器空气流动分布均匀。重力热管型背板空调更有利于机柜吸收、散热制冷效果。目前重力热管型空调主要用于8KW~15KW中高密机柜的制冷。

重力热管型背板空调优势有:

(1)冷媒管进机房,无水患。

(2)不占机柜位,可增加机房出架率。

(3)建筑也无需做预留,后期建设灵活。

(4)风机备份:风机选用多个轴流EC风机,可通过控制单元实现调速功能,且风量放有1.2倍余量,风机接线口采用插拔结构。万一有某个风机出现故障,其余风机将自动提高转速,保证机柜正常运行所需风量,并报故障。维护人员有充分的时间替换风机。

(5)背板内双盘管设计,安全可靠;

(6)电源备份:为保证产品的可靠性,可使用双路电源供电,以防止有一路电源断电后,风机无法运行。

重力热管型背板空调需要关注一下的问题:

该技术目前还只是在某运营商已完成试点并规模推广,一般适用于前进风后出风的标准机柜形式,并且机柜内负载需垂直方向均匀分布,前期规划需要与使用方确认后期业务类型及服务器形式。

根据以往试点机房的建设价格,背板的投资约为普通冷冻水房间空调建设模式(地板下送风+冷通道封闭)的1.2倍。

制冷管路上、下均走线,或全部上走线,冷量分配模块需高于机柜1m就近安装,空调数量、管路多,工艺要求高。

机柜、热管背板、冷量分配模块供应商需紧密合作。

2.3热管技术与传统空调方案对比

以1栋10000m2机楼为例,对风冷房间级空调、冷冻水房间级空调、热管+机械制冷精密空调、热管背板空调的建设成本、节能效果等进行分析对比,见表1。

热管技术是在传统压缩制冷空调基础上的演进而来,热管循环是无动力循环,具有更好的节能性。

热管背板除了结合冷冻水系统的应用外,现在行业内的厂家也研发出多联式风冷热管主机,该产品在数据中心使用,可以实现快速部署,因为复合了自然冷却模板和机械制冷模板,节能性更好。

总结:热管技术充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质,将机房内的热量迅速传递到室外;热管技术因为具有无漏水风险、安装方便、无动力循环、节能效果好等特点,未来会在数据中心空调建设中,扮演更重要的角色。

三、液冷技术在数据中心中制冷系统的应用与前景

现阶段主流数据中心所用空调类型,无论是风冷还是水冷,无论是房间级还是行级、背板式,都是先冷却空气,再通过冷空气与服务器的发热元器件进行热交换,这种冷却方式被称为空气冷却或“空冷”。由于空气的换热效率差,热流密度低,造成服务器需要自带散热风扇,不仅增加冷却能耗,而且噪声大、设备密度低等问题。当单机架功率密度接近20kW时,风冷系统就已达到制冷极限,为解决服务器散热难题,厂商开始尝试使用液态流体作为热量传输的中间媒介,将发热源的热量通过液体的载体直接传递到远处再进行冷却,即“液冷”。由于液体冷媒比空气的比热大,散热速度远远大于空气,因此制冷效率远远高于风冷散热,可有效就近解决服务器的散热问题,降低冷却系统能耗和噪声。

3.1液冷技术工作原理和分类

液冷是指使用高比热容的液体作为热量传输的介质代替空气,将IT设备的CPU、芯片组、存储等功能器件在运行时所产生的热量带走。目前液冷按照冷却原理、技术和产品形态主要分为以下三种:

1)冷板式液冷技术

冷板式液冷技术是液体不接触被冷却器件,将液冷冷板固定在服务器的主要发热器件上,依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热目的。该技术将冷媒直接导向热源,同时由于液体比空气的比热大,散热速度远远大于空气,因此制冷效率远高于风冷散热。冷板模块结构示意图和服务器采用冷板实例见图23。

冷板液冷解决了服务器里发热量大的器件的散热,其他散热器件还得依靠风冷。所以采用冷板式液冷的服务器也称为气液双通道服务器。

冷板技术可有效解决高密度服务器散热问题,降低冷却系统能耗,而且降低对环境制冷要求,同时降低噪声。采用冷板技术的液冷系统主要由冷板模块、内循环冷媒传导系统和外水循环冷却水散热系统三部分组成。板模块服务器发热元器件产生的热量导出到服务器机箱外,然后通过内外循环系统将热量带出数据中心。冷板式液冷系统工作原理如图24所示。

2)浸没式液冷技术

浸没式液冷技术是一种以液体作为传热介质,将发热元器件完全或部分浸没在液体中,发热元器件与液体直接接触并进行热交换的技术。在数据中心液冷制冷系统中,浸没式液冷技术是将服务器的板卡、CPU、内存等发热元器件完全浸没在冷却液中,直接带走服务器热量。根据冷却液工质的制冷形态分为单相浸没和相变浸没。单相浸没式冷却液不蒸发、不沸腾,靠液体的温升和流动进行热交换;相变浸没式冷却液通过沸腾、蒸发利用汽化潜热带走热量,相变的液态技术具有更高的传热效率。见图25所示。

浸没式液冷技术利用液体的流动直接与发热元器件接带走热量,减少了传热过程的热阻,相比冷板式液冷,具有更高的传热效果,是也冷却技术中最节能、最高效新型制冷模式,见图26。

3)喷淋式液冷技术

喷淋技术是将冷却液直接通过服务器机箱上的喷淋板,喷射到发热设备表面或与其接触的延伸表面,喷淋的液体和被冷却器件直接接触,带走热量,从而达到设备的冷却的目的。吸收的热量被转移到室外,并与大型冷却源的外部环境交换,降温后再送往服务器,循环使用。喷淋式液冷技术原理和工作示意见图27。

喷淋式液冷技术需要对服务器的机壳或者对整体机柜做相应的改造。

喷淋服务器机箱:与普通服务器机箱相比,主要特点是取消了风扇的进出风口,改为进液口与回液口。服务器机箱有密封处理,防止冷却液泄露;机箱顶板改为喷淋板,用于向发热器件喷洒绝缘冷却液;

液冷机柜:液冷机柜内部设有进液管与回液管,进液管向IT设备供应冷却液,回液管回收被加热后的冷却液;

喷淋冷却系统主要包括向IT设备喷洒冷却液的布液装置(包括特制的喷淋服务器机箱,特制的液冷机柜),冷量分配单元(CDU),室外散热器;冷量分配单元:内部主要包括泵,过滤器,换热器,其中,泵的作用是驱动冷却液流动,向IT设备内不间断输送冷却液;过滤器作用是滤除冷却液内部的微米级杂质,防止固体杂质在IT设备上沉积;换热器作用是将冷却液的热量与二次循环回路中的冷媒(如水,乙二醇)进行热交换,见图28。

室外散热器:布置于室外的散热器将二次循环回路中的冷媒与室外空气进行热交换,将热量散失到外部大气,散热器通常使用空调行业常用的管翅式换热器,工业常用的板翅式换热器,以及冷水塔。管翅式换热器,板翅式换热器,冷水塔能够最大程度利用自然冷源-空气,无需采用能效较低的压缩制冷方式,因此较节能。

4)冷却液类型

在液冷技术中的制冷媒介常用的冷却液有水、矿物油和氟化液。

水,有良好的比热容,是一种优秀的散热媒介,价格低廉无污染。但由于水并非绝缘体,只能应用于非直接接触型液冷技术中。

矿物油,是一种价格相对低廉的绝缘冷却液,单相矿物油无味无毒不易挥发,是一种环境友好型介质,但是,由于矿物油粘性较高比较容易残留,特定条件下有燃烧的风险。

氟化液,由于具有绝缘且不燃的惰性特点,不会对设备造成任何影响,是目前应用最广泛的浸没式冷却液,但价格较为昂贵。

3.2液冷的优势与挑战

1)液冷技术的优势

(1)热量带走更多:同体积液体带走热量是同体积空气3000倍,温度传递更快:液体导热能力是空气25倍;可大幅降低CPU和系统的温度,提高CPU元器件的使用寿命,并提升运算能力;

(2)冷板式液冷技术可将服务器风扇功耗可以降低70%~80%,空调系统功耗降低70%;

(3)噪音品质更好:同等散热水平时,液冷系统噪音比风冷噪音降低可降低机房噪音20~30dB;

(4)耗电节能更省:液冷系统约比风冷系统节电30%以上。

2)液冷技术应用的场景

冷板式液冷可以将原有风冷服务器升级改装成冷板式服务器,使数据中心PUE有较大大幅度降低。目前冷板式液冷技术在服务器中已经有标准化产品,曙光、微软和浪潮等都推出基于冷板技术的服务器,进入商用。有效解决了服务器高密度散热问题,冷板式液冷更适合用于单机柜15kW~30kW的中高密度数据中心。

浸没式液冷技术目前还处于按客户需求定制化阶段,没有标准化产品,服务器的制造商按照需求和提供液冷技术产品的厂商合作,按照浸没式液冷的要求的定制专用的机柜、机柜内集成电路的插槽和板卡以及所带板卡的数量。目前只是在个别的BAT的数据中心和超算的数据中心有应用,浸没式液冷更适用于单机柜功率60kW以上的高密度数据中心。

喷淋式液冷技术目前主要用于现有机柜的节能改造,对原有服务器的机柜和服务器机壳进行改造,将原有的通过风扇降温的服务器改造成喷淋式液冷,降低服务器的耗能和制冷系统的耗能,应该说有对老旧的数据中心降能节能很广阔的应用价值。

3.3液冷的发展挑战与前进之路

目前液冷技术有非常骄人的能效和优势,在一些服务器的制造商和数据中心得到应用,但在液冷仍然面临着许多的挑战,这些挑战有:

1)涉及到上游、中游和下游的协同

在传统的风冷和水冷系统是对机房环境温度的控制,服务器与制冷系统是完全割裂的。而无论是间接或直接的液态冷却方式都必须涉及上游(产品制造)、中游(设计、材料和施工)和下游(运维)的共同参与和配合。需要与服务器制造厂商联系在一起,按照液冷的技术要求定制化设计服务器的内部结构、外形和防护,这会增加服务器的制造成本,还需要兼顾可用性、可靠性和后续维护成本,需要上游(制造商)、中游和下游的配合。

2)全密封和泄露

无论是间接或直接液态冷却,冷板和机柜的全密封至关重要,还需要关注冷媒进/出冷板或机柜连接的可靠性,目前主要还是采用软管的软连接,因此对软连接的材质和连接头提出更高的要求,不仅要求软管的材质的可靠性,同时还需要维护时满足软连接热拔插时不会造成液冷剂的泄露。

2017年欧洲云计算巨头OVH位于法国的数据中心由于水冷系统中的软管出现裂痕而引起冷却液流入系统,其中内部有一台96个固态硬盘和15个磁盘阵列遭受损坏,进而导致该数据中心服务的超过5万个网站在24h内无法正常访问。

3)液进风退

液冷技术是目前散热效果最佳的载体,具有着优良的节能效果,是否液进风退将带动整个数据中心节能技术和产品成为下一代制冷系统。从目前的情况看,除非有强制的使用冷板液冷服务器的限令或过渡期的要求,几十年一贯制的风冷服务器有其独立、快速部署以及与制冷设备的松耦合还会持续一个相当长的的时期。但是对于超过30kW单机柜的数据中心液冷一定成为首选。

4)展望

尽管液冷已经从幕后走到前台,但是还需要有一个检验和经验的积累,有待解决在标准化、降低建造成本上存在的问题。但是毫无疑问,液态冷却技术是对传统的制冷技术一项巨大的革命,是对传统数据中心部署的一场变革,而且这个变革已经到来,液冷技术代表了绿色节能数据中心的发展方向,同时在国家对数据中心能效的指标严控和在绿色数据中心碳排放达标的大环境下,液冷技术会得到大力的发展,将促进数据中心节能迈向一个更高的水平。

本文标题:双碳目标下蒸发冷却、热管、液冷节能技术在数据中心中的应用

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