數(shù)據(jù)中心多尺度熱管理策略綜述

駱清怡，王長宏

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

20世紀80年代以來，數(shù)據(jù)中心建設(shè)范圍越來越廣泛，規(guī)模不斷擴大，為了保證數(shù)據(jù)中心收集、處理和儲存數(shù)據(jù)時高效穩(wěn)定準確，需要對運行期間產(chǎn)生的熱量進行排出處理。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國數(shù)據(jù)中心的年用電量約1,200～1,300 億千瓦時，超過三峽水電站一年的發(fā)電量，超過全社會用電量的 2%[1]。數(shù)據(jù)中心約占全球總用電量的1.3%[2]。服務(wù)器功率在過去十年增長了10 倍，功率密度達到300～2,000 W/m2，是普通公共建筑的幾十倍[3]。因此，需要對老舊已有的數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能改造，對新建數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能設(shè)計，引用現(xiàn)有的高新綠色技術(shù)，根據(jù)當?shù)氐牡乩須夂驐l件進行因地制宜的系統(tǒng)設(shè)計。

本文從機房級冷卻、機架級冷卻和芯片級冷卻對現(xiàn)況和已有技術(shù)以及未來發(fā)展方向進行分析。有學(xué)者根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)分析得出機柜級冷卻比機房級冷卻平均節(jié)能52%，芯片級冷卻較機柜級冷卻進一步平均節(jié)能44%[4]。

1 數(shù)據(jù)中心概況

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部組成主要包括機架、控制中心、機房冷調(diào)系統(tǒng)和電力分配中心等[5]。數(shù)據(jù)中心的電力分配為可用電源和常規(guī)能源，通過分配中心分配到不間斷電源和冷卻系統(tǒng)。不間斷電源供應(yīng)給IT設(shè)備，IT設(shè)備的主要耗能有計算負載和風(fēng)扇等。數(shù)據(jù)中心的得熱主要來自IT設(shè)備散熱，占70%～80%[6]。數(shù)據(jù)中心40%是冷卻系統(tǒng)的能耗，優(yōu)化冷卻中心對降低數(shù)據(jù)中心能耗具有重要意義。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布

1.1 指標參數(shù)

能效指標為評估數(shù)據(jù)中心的能效提供了可視化數(shù)據(jù)和參考[2]。電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）用來評價數(shù)據(jù)中心全年能源效率，總能耗越低的數(shù)據(jù)中心PUE 越低，說明其能源效率越高。PUE 的表達式為：

式中，PUE 為電源使用效率；Wc為數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗，kW·h；Wd為IT 設(shè)備能耗，kW·h。

使用各指標時需要注意代入的是準確的相關(guān)數(shù)據(jù)，近期對PUE 的濫用情況較為嚴重，用局部PUE 來代替整體PUE 或犧牲環(huán)境和水資源作為代價來獲得較低的PUE，均是不可取的。

1.2 數(shù)據(jù)中心冷卻特點

由于服務(wù)器全年不間斷運轉(zhuǎn)，單位散熱量較高，溫度分布不均，送風(fēng)溫度位于寬溫區(qū)，送風(fēng)呈現(xiàn)出95%的高顯熱比，不引入新風(fēng)，除濕負荷小，送風(fēng)參數(shù)穩(wěn)定，潔凈度要求高。對于數(shù)據(jù)中心的運行條件和規(guī)范，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《GB50174—2017 數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》[7]中環(huán)境參數(shù)為18～27 ℃，露點溫度為5.5～15 ℃，相對濕度不大于60%。美國暖通空調(diào)和制冷工程師協(xié)會（American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）根據(jù)IT 設(shè)備的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的研究成果分析ASHRAE 2015 《 Thermal Guidelines for Data Processing Environments》中得出A1～A4 分級推薦和允許環(huán)境參數(shù)分布（圖2）[8]。

圖2 A1～A4 的允許的熱環(huán)境

2 機房級冷卻

機房級冷卻與機架級冷卻及芯片級冷卻對比而言，由于其存在冷熱氣流摻混，使得效率較低，增加系統(tǒng)能耗。主要冷卻技術(shù)有精密空調(diào)架空地板向上送風(fēng)封閉冷通道或熱通道、地板下安裝風(fēng)機盤管、熱通道頂部安裝風(fēng)機盤管和定制機房空調(diào)（Computer Room Air Conditioner，CRAC）等。由于送風(fēng)量的限制，最高滿足5～6 kW 發(fā)熱密度的機柜，對于更高散熱需求的數(shù)據(jù)中心需要尋找其他更高效的散熱方式。芯片與冷水機蒸發(fā)溫度差為32～52 ℃，與之相比自然冷卻溫差可達15 ℃左右，降低了溫差損耗。而且制冷系統(tǒng)中的能源38%消耗在泵和風(fēng)機維持制冷劑和氣流的流動上，為減少這部分能耗，自然冷卻和被動冷卻技術(shù)日益受到青睞。

2.1 數(shù)據(jù)冷源優(yōu)化

對于房間級冷卻，冷源的選擇較多，如自然冷源、離心式水冷機組和間接蒸發(fā)冷卻冷水機組等，但考慮到數(shù)據(jù)中心的冷卻特點，自然冷源是一種提高能源效率的冷源選擇[9]。由于不需要對吸熱后的熱流體進行降溫處理，減少了大部分能源消耗。

自然冷卻技術(shù)按冷卻介質(zhì)可分為風(fēng)側(cè)自然冷卻和水側(cè)自然冷卻。空氣側(cè)可利用自然空氣對數(shù)據(jù)中心進行降溫，水側(cè)可利用自然冷水排出熱量，降低系統(tǒng)故障率[10-11]。按冷卻方式可分為直接冷卻和間接冷卻[12]。熱管系統(tǒng)由于能在無外部能量的情況下，以較小的溫差傳遞熱量，對室內(nèi)無干擾無噪音，可與系統(tǒng)集成，具有巨大的應(yīng)用前景[13]。

2016年阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)公司位于千島湖的數(shù)據(jù)中心采用湖水自然冷卻系統(tǒng)和太陽能板技術(shù)，年平均PUE達到1.28[1]。曾麗萍等[14]對湖水源自然冷卻系統(tǒng)優(yōu)化，得到當送風(fēng)溫度為21 ℃和供水溫度為14 ℃時，系統(tǒng)能耗最低，比傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)節(jié)能59.7%。王麗欣等[15]以北京市數(shù)據(jù)中心為例，發(fā)現(xiàn)全年可實現(xiàn)全部自然冷卻的時間占全年運行時間的24%，部分自然冷卻的時間約占全年運行時間的27%，可減少系統(tǒng)1/3 的能耗。田振武等[16]運用乙二醇自由冷技術(shù)發(fā)現(xiàn)冷水機組全天出水溫度在13.1～16.9 ℃，相比傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)節(jié)能超過60%。肖新文等[17]發(fā)現(xiàn)填料蒸發(fā)式自然冷卻風(fēng)冷冷水機組通過結(jié)合自然冷卻和蒸發(fā)冷卻來保證全年運行的穩(wěn)定性和強化節(jié)能效果。LIU 等[18]將兩種露點蒸發(fā)冷卻器與微通道分離式熱管結(jié)合的混合冷卻系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)中心冷卻，計算得到性能年平均系數(shù)分別為33 和34，與蒸氣壓縮式制冷相比，年平均節(jié)能率約90%；但仍受氣候環(huán)境影響，在嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的節(jié)能效果較為理想[19]。

熱管用在基于熱管的空調(diào)系統(tǒng)和分布式熱管系統(tǒng)中[20]，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CRAC，避免將室外的空氣帶入室內(nèi)，效率較高[21]。水冷型分布熱管空調(diào)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大中型數(shù)據(jù)中心，單機柜發(fā)熱量較大。頂置式空調(diào)制冷效率高，無水進入機房，可廣泛用于新型數(shù)據(jù)中心機房供冷[22]。SUN 等[23]開發(fā)了一套由蒸氣壓縮制冷單元和由蒸發(fā)冷凝器連接的獨立熱管單元組成系統(tǒng)，當室外溫度從-5～45 ℃波動時，系統(tǒng)有近200 kW 的恒定冷卻能力，可作為全年運行的數(shù)據(jù)中心的節(jié)能選擇。從廣州到哈爾濱，節(jié)能率從4.6%提高到46%。

圖3 綜合系統(tǒng)布置

在應(yīng)對不同氣候條件和充分利用自然冷源時對系統(tǒng)進行優(yōu)化時，可嘗試用多模式多階段減少?損大的部件的影響和使用較優(yōu)的動力源[24-25]。KIM 等[26]提出一種多階段的室外空氣制冷系統(tǒng)，表明該冷卻系統(tǒng)可節(jié)約21%的能耗。ZHANG 等[27]將機械制冷和熱虹吸兩種獨立回路與三流體換熱器相結(jié)合。該系統(tǒng)有機械制冷模式、熱虹吸自由冷卻模式和雙模式。當室內(nèi)外溫度差為10 ℃和20 ℃時，熱虹吸模式的制冷系數(shù)達到10.7 和20.8，系統(tǒng)的全年能效比達到12.6，比傳統(tǒng)空調(diào)高得多。

自然冷卻是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的核心技術(shù)，但要對不同應(yīng)用場景進行針對性的設(shè)計和優(yōu)化[9]。對于機房級冷卻，自然冷源利用率較高的為嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，全年可利用的時間為 44.1%和27.7%，與之相比其他地區(qū)都低于10%。直接利用自然冷源無法滿足機房的品質(zhì)要求，只能作為輔助方法[28]。

自由冷卻技術(shù)是一種利用自然冷源對數(shù)據(jù)中心進行散熱的節(jié)能，可再生且可持續(xù)的技術(shù)。但由于自然冷卻受氣候、地區(qū)以及地理條件影響，較少地區(qū)能滿足全年運行，一般地區(qū)運用自然冷卻也只能作為輔助手段，成本較高。可通過省煤器、熱管、吸附式冷卻、自由蒸發(fā)冷卻和冷卻塔冷卻等來輔助數(shù)據(jù)中心散熱。其中蒸發(fā)冷卻空調(diào)可以充分通過冷通道來強化冷量的利用[29]。熱管因其易于與系統(tǒng)集成、體積小以及針對性強而擁有廣闊前景，隨著未來對熱管的不斷研究，換熱性能和重量的不斷優(yōu)化，將是一個較好的突破方向。

2.2 機房氣流組織優(yōu)化

為減少冷量浪費，國內(nèi)外許多學(xué)者會對機房內(nèi)熱環(huán)境進行模擬優(yōu)化。主要研究內(nèi)容有送風(fēng)形式、地板開孔率、機柜擺放位置和機房空間尺寸[4]。常見的解決方案是機架的修改和機架服務(wù)器放置的優(yōu)化，散熱效果可以提高50%以及溫度變化幅度降低60%[5]。一般數(shù)據(jù)中心采用地板送風(fēng)方式（圖4），統(tǒng)一管理、安裝方便且初投資低。但是冷熱空氣摻混會損失大量冷量[10]。

圖4 氣流組織路線

如果不對氣流組織進行有效控制，將會造成局部熱點過熱、冷凝溫度過低以及能耗損失增加等問題。對于氣流組織管理現(xiàn)有的主要方法有封閉冷通道、封閉熱通道以及增加旁通擋板和盲板等方法。封閉冷通道（圖5）的小風(fēng)量大溫差送風(fēng)方式雖然能減少風(fēng)機送風(fēng)量但會產(chǎn)生熱回流現(xiàn)象。避免熱空氣回流可以封閉熱通道（圖6），采用大風(fēng)量小溫差送風(fēng)方式，維持熱通道負壓，提高熱均勻性。

圖5 冷通道封閉的氣流組織

圖6 熱通道封閉的氣流組織

在布置基礎(chǔ)設(shè)備時，送風(fēng)口與機柜的距離為1.2 m、封閉熱通道寬度為12 m 及回風(fēng)靜壓箱高度為1 m的數(shù)據(jù)中心子模塊為最優(yōu)模擬結(jié)果[30]。對于服務(wù)器的排布可采用30°傾斜服務(wù)器的機架，至少可帶走6%的額外熱量[31]。前送風(fēng)使得整體環(huán)境更加均勻，對封閉冷通道加裝空U 板后優(yōu)化氣流組織，規(guī)避冷空氣短路[32]。

在基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)確定的情況下，隨著負載的不斷增加，為保證服務(wù)器的運行質(zhì)量，可以采用落料板、盲板、穿孔貼片和冷通道控制對氣流組織進行進一步優(yōu)化[33]。其次，封閉機柜空槽位，送風(fēng)地板下閥門合理設(shè)置以及添加空氣導(dǎo)流罩也可以有效改善溫度分布不均和氣流混亂問題[34]。錢存存[35]通過改變室外機排風(fēng)方向，將設(shè)計溫度從15 ℃提到18 ℃，PUE 降至1.42，節(jié)電率為23.2%[35]。SILVA-LLANCA 等[36]提出將5 個架空熱交換器放置在通道上方，迫使氣流向下進入通道和向上移動，使得阻力比普通的穿孔地板小，冷流體更均勻，減少熵降。

氣流組織優(yōu)化技術(shù)適用于已建成的以空冷為主要散熱方式、依賴機房空調(diào)的數(shù)據(jù)中心，已有的優(yōu)化技術(shù)為確定送風(fēng)方式和機柜擺放，規(guī)劃冷熱通道路線，調(diào)整地板開孔率和增加落料板與盲板等。每一個數(shù)據(jù)中心都要根據(jù)自身的情況選擇合適的優(yōu)化技術(shù)，突破地板送風(fēng)方式并嘗試頂端送風(fēng)方式，可能會帶來不一樣的效果。

3 機架級冷卻

機架級液體冷卻主要形式有熱管背板機柜冷卻和水冷柜門，制冷末端靠近負載機架使得換熱環(huán)節(jié)減少，減少風(fēng)機能耗而且可以對單機柜進行精準能耗控制，幾乎沒有局部熱點，最大散熱量為15 kW[1]。負載過大時熱管出風(fēng)溫度上升使得通過增大風(fēng)量來解決過熱問題有一定局限[37]。基于行和機架的體系結(jié)構(gòu)比基于機房的體系結(jié)構(gòu)減少了29%的冷卻功率，在基于行和機架中添加一個外殼來分隔冷熱氣流可以顯著減少循環(huán)和旁路，進一步降低18%的冷卻功率，基于行和機架的分布式冷卻結(jié)構(gòu)初始成本更低且更容易維護[38]。

熱管最佳充液比隨著背板進風(fēng)溫度上升而增大。在標準工況下，采用R22作為工質(zhì)的最佳充液比為65%～75%[39]。CHANG 等[40]在機架后門安裝微通道獨立熱管進行冷卻，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最佳制冷劑填充比為65.27%，系統(tǒng)最大制冷量為9,610 W。田浩等[41]設(shè)計機柜級別的熱管系統(tǒng)，可代替CRAH（機房空氣處理器），PUE 由1.6 降到1.35，節(jié)能率可達26.8%。

圖7 環(huán)路熱管機架原理

目前對機架級冷卻的研究由于水對電子器件的威脅，傾向于熱管冷卻。雖然對于機房級冷卻而言，機架級冷卻溫度更均勻、耗能更低，但熱管在頂端和背部的節(jié)能率不突出，可能是由于針對大器件的熱管冷卻效率下降和機柜內(nèi)環(huán)境溫度與熱管溫差不高使換熱效率下降。而且無論是水的泄漏對電子器件不可挽回的損失還是氟利昂有毒氣體對人體的危害，應(yīng)嚴謹對待管道密封問題。對于背板空調(diào)需要其他加濕裝置來調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，之后的研究如果將背板式空調(diào)作為消除局部熱點配合CRAC，對環(huán)境空氣調(diào)節(jié)會達到更好的冷卻效果。

4 芯片級冷卻

芯片級冷卻系統(tǒng)直接對發(fā)熱元件進行冷卻，可對熱量進行熱回收利用和更有效利用自然冷源，適用于20 kW 以上單機柜功率如刀片式服務(wù)器[4]。但由于系統(tǒng)復(fù)雜，對服務(wù)器進行針對性改造，成本較高。

4.1 芯片空氣冷卻技術(shù)

傳統(tǒng)芯片空氣冷卻技術(shù)采用離心扇強化散熱，但由于發(fā)熱密度的不斷上升，通過提高風(fēng)扇功率和轉(zhuǎn)速來增強風(fēng)扇的散熱效果有限。隨著熱管技術(shù)的不斷進步，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)熱管的高導(dǎo)熱性能非常適合于小溫差的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）芯片散熱，可以解決高熱流密度器件的散熱問題，提高散熱板的均溫性[42-43]，把熱管和散熱器結(jié)合。散熱器底板溫度越均勻，翅片強化熱擴散板散熱能力越強[44]。諸凱等[45]對熱管結(jié)合散熱器進行實驗，發(fā)現(xiàn)熱管嵌入式散熱器和銅制底板散熱器相比，可提高冷卻能力15%，同時減輕散熱器重量30%。

4.2 芯片液體冷卻技術(shù)

傳統(tǒng)空冷難以滿足數(shù)據(jù)中心的散熱需求時，數(shù)據(jù)中心更傾向于液冷。液體冷卻比熱容大，熱流密度高，對于熱回收利用價值大，有更高的出入口溫度，是一種擁有廣闊前景的冷卻技術(shù)[46]。冷板影響熱物理性能的因素有冷卻劑進出口位置、翅片形狀和排列等。出現(xiàn)的問題有冷卻通道的壓降、流動不均和不同冷卻區(qū)域內(nèi)流動[47]。

國內(nèi)外學(xué)者對單相液體冷卻的研究主要集中在3 個方面：基礎(chǔ)影響因素、槽道類型及優(yōu)化和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)強化。

4.2.1 基礎(chǔ)影響因素

流質(zhì)的種類會對換熱性能產(chǎn)生影響。納米流體相對于純水來說具有更好的冷卻效果，但同時增加了壓降和摩擦系數(shù)[48]。濃度為1.0%的Al2O3水溶液和0.4%濃度的TiO2水溶液帶來最好的換熱性能，與水相比分別降低CPU 約23.2%和14.9%的熱量[49]。除了傳統(tǒng)流體，新型冷卻液如基于非膠體顆粒集中懸浮流動冷卻液由分流和匯聚噴嘴對CPU 進行冷卻，泵功率可以下降100 倍[50]。

基于傳統(tǒng)流道，對比不同尺寸換熱器得出溝槽式水冷散熱器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：槽道長度為75 mm，槽道高度為4 mm，槽道寬度為0.5 mm，熱擴散板邊長為40 mm。最佳運行參數(shù)：冷卻水體積流量為0.6 L/min，冷卻水進口溫度為20 ℃。流動中產(chǎn)生的滯留氣泡較長時抑制傳熱過程，而氣泡較短時，擾流作用強化了傳熱[51]。熱阻是影響微通道熱沉傳熱性能的重要因素，電容熱阻占總熱阻的比值隨著雷諾數(shù)及通道寬高比的增大而降低[52]。張釗等[53]發(fā)現(xiàn)冷卻水的流量分布只與進口位置有關(guān)，與出口位置無關(guān)。其中心位置上進上出進出水口分布的流量分配均勻性最佳。

4.2.2 槽道類型及優(yōu)化

與傳統(tǒng)直通道微槽道相比，由于再循環(huán)環(huán)流、截面渦和二次流的存在，波狀微通道具有更大的努塞爾數(shù)、更薄的熱邊界層和流動邊界層，是比直通道更優(yōu)的幾何形狀[54-55]。更小的波長和更大的振幅的波形通道不僅帶來壓降，而且熱沉使得熱阻沿著流動方向減小[56]。相對彎曲型和階躍型的微通道，鋸齒形的微通道水冷壁溫度最低，傳熱系數(shù)最大，具有最佳熱工性能，但同時壓損、摩擦系數(shù)和壁面切應(yīng)力也最高[57]。

圖8 微通道形狀

除了對形狀進行優(yōu)化外還可以對流道進行分型，較大的分型尺寸和分型層數(shù)的分型支流道網(wǎng)具有較強的傳熱能力，且泵功率較小[58]。Y 形構(gòu)型微通道具有更高的傳熱效率和更低的進出口壓降，而且當通道級數(shù)為3 級、分叉角度為60°、分支個數(shù)為2 時，散熱器的綜合換熱性能最好[59]。當壓降較小時，樹形構(gòu)型流動阻力更小，但是熱阻較大；當壓降增加時，平行通道有更好的散熱性能[60]。在通道中加入偏振翅片可以提高散熱熱流，并可將壓損容許范圍擴大到35 kPa[61]。

對于微通道而言，拓撲結(jié)構(gòu)對對流的增強有重要意義，通過最大化管道流量分布和減少流量間的差異可以改善傳熱。其中蜘網(wǎng)狀的傳熱性能優(yōu)于直線型微通道，當熱流密度為100 W/cm 時，最大熱源溫差可達9.9 ℃，且隨著熱流密度增大而增大[62]。

圖9 蜘網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)

4.2.3 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)強化

增加翅柱和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以較好地提高熱擴散效率。王彬等[63]研究發(fā)現(xiàn)增加翅柱結(jié)構(gòu)可提高熱擴散板的散熱效率。對于冷卻性能而言，翅柱外圍四周設(shè)有導(dǎo)流通道的散熱器最優(yōu)。王雅博等[64]分析增加針柱結(jié)構(gòu)對換熱效果的影響，結(jié)果表明中間垂直射流四出口針柱式換熱器較傳統(tǒng)型的流動阻力和壓損較小，具有較好的換熱和流動效果。“之”型流道換熱器的冷卻性能比圓釘翅式高24%～55%[65]。

綜上所述，納米流體和懸浮冷卻液能帶來更好的換熱效果和降低泵功率，槽道式換熱器尺寸、入口位置、槽道形狀、拓撲結(jié)構(gòu)更優(yōu)和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等對換熱和流動有影響，對多進出口分流和偏振翅片可能會帶來新的研究思路。

射流冷卻技術(shù)需要一定的高度空間，與高密度的服務(wù)器要求相矛盾。鐵鵬等[66]對模擬熱源進行射流冷卻實驗發(fā)現(xiàn)，隨著流量提升，模擬熱源溫度僅為0.76 ℃，降幅幾乎可以忽略。僅針對基板冷卻來說，將基板冷卻和整個系統(tǒng)結(jié)合起來能實現(xiàn)更高密度的集成。肖新文等[67]提出二次側(cè)直接接觸冷板式液冷系統(tǒng)，分析發(fā)現(xiàn)全部服務(wù)器系統(tǒng)采用自然冷卻時PUE 僅為1.18。

圖10 二次側(cè)集中循環(huán)直接接觸冷板式液冷系統(tǒng)

相比空冷和單相液冷，相變冷卻具有更高的換熱效果，利用相變潛熱可以達到1,000 W/cm3的熱流密度，換熱更均勻且功耗更低[68]。流動沸騰雖然由于相變潛熱擁有優(yōu)越的換熱性能，但受限于微通道沸騰中較低的臨界密度和不穩(wěn)定，難以持續(xù)。對于上述不利現(xiàn)象可以引用壓降元件，增加一個與流動方向相反的流阻來使得流動穩(wěn)定增長，輔助人工成核位點可以管理氣泡生長位置進一步管理沸騰流動[61]。不同的換熱介質(zhì)換熱效果不同，如R22 比R134a 的換熱性能高19.2%[69]。液體水循環(huán)的泵功耗是使用HFC134a 的5.5 倍，是使用HFO1234ze 的4.4 倍[70]。針對熱管的微型槽道，毛細限制現(xiàn)象更為嚴重。可以通過改變槽道的形狀、創(chuàng)建潤濕性梯度、使用混合排芯系統(tǒng)和施加電場等方式來擴大毛細限制和提高傳熱能力[71]。

雙級回路熱管系統(tǒng)將服務(wù)器的冷卻和環(huán)境結(jié)合起來，可與室外自然冷源進行換熱而無需額外的空調(diào)系統(tǒng)[4]。但由于環(huán)路熱管長度較長，沿途產(chǎn)生熱損失比較大，在蒸發(fā)器殼體和補償器之間的接觸面上加一層保溫層如鍍鋁銅和釔穩(wěn)定氧化鋯保溫層可以減少殼體熱量泄漏[72]。

除了熱管外，熱虹吸利用密度差作為動力也被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的冷卻上。SHAO 等[73]將蒸發(fā)冷卻與循環(huán)熱虹吸相結(jié)合發(fā)現(xiàn)傳熱提高了7%～33%，全年自由冷卻時間延長 7%～14%。SEURET 等[74]將兩相重力驅(qū)動微尺度熱虹吸冷卻系統(tǒng)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心冷卻中，預(yù)計PUE 可低于1.05。CHAUHAN 等[75]進行熱虹吸回路循環(huán)實驗，研究發(fā)現(xiàn)熱虹吸冷卻器芯片表面和冷凍水溫度的差值可達43 ℃，當溫差為36.5 ℃時的熱流密度可達25 W/cm2。

圖11 芯片冷卻的環(huán)路循環(huán)

對于間接相變換熱而言，直接相變換熱如全浸沒冷卻式可以直接將熱量傳遞到周圍環(huán)境中，是一種更具有發(fā)展?jié)摿Φ睦鋮s技術(shù)[76]。但難點在于冷卻介質(zhì)的選擇和控制相變過程、礦物油性質(zhì)的變化對材料力學(xué)性能和化學(xué)性能產(chǎn)生影響[77]。HAYWOOD 等[78]利用礦物油進行廢熱利用，降低了熱源和放電箱之間81%的溫差，減少該項目50%的冷卻支出。

綜上所述，液冷的優(yōu)點較多，冷卻出口溫度更高、冷均勻更好且散熱能力更強，但同時面臨許多挑戰(zhàn)。液冷更適合全新的服務(wù)器構(gòu)架，無法在現(xiàn)有的主流風(fēng)冷冷卻數(shù)據(jù)中心上進行改造。換熱介質(zhì)與電子器件的兼容性還待測試研究，系統(tǒng)管路更為復(fù)雜，需要進一步優(yōu)化和與數(shù)據(jù)中心兼容，管路和設(shè)備的連接部位的密封性還待進一步優(yōu)化設(shè)計。但液冷作為一種具有前景的冷卻技術(shù)，在研究的持續(xù)深入和技術(shù)不斷完善中，未來必然會被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心熱管理中。

4.3 芯片蓄冷技術(shù)

由于數(shù)據(jù)中心的散熱全年不間斷及芯片的溫度較高，蓄冷技術(shù)是一項十分適用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能節(jié)費技術(shù)。蓄冷系統(tǒng)包括顯熱式蓄冷、潛熱式蓄冷和熱化學(xué)蓄冷3 種方式。潛熱式蓄冷能量密度為另外兩種方式的4～15 倍，優(yōu)勢在于能量密度大，熱交換過程中溫度變化小，易于控制[79]。SINGH 等[80]對基于熱管蓄冷與冷卻塔結(jié)合起來，每年可以為數(shù)據(jù)中心處理60%的熱負荷，最小投資回收期為3.5年，適用于年環(huán)境溫度低于允許冷卻水溫度的場所。CHEN 等[81]發(fā)現(xiàn)吸收式冷水機組和蓄冷水可消除高峰期冷負荷，節(jié)能效率達到51%，?效率達到17%，成本回收期低至286 d。

蓄冷技術(shù)能夠增加電網(wǎng)穩(wěn)定性和減少冷卻系統(tǒng)的負荷，但由于蓄冷技術(shù)的設(shè)備占地較大，對于數(shù)據(jù)中心有一定的硬件要求，小型化高換熱量穩(wěn)定的蓄冷系統(tǒng)是研究目標，而目前水蓄冷技術(shù)較為成熟，冰蓄冷等潛熱蓄冷技術(shù)的穩(wěn)定性和相關(guān)機理性研究仍待學(xué)者進一步分析。

4.4 芯片熱回收技術(shù)

數(shù)據(jù)中心作為一個常年需要向外散熱的穩(wěn)定熱源，出水熱量的熱回收價值較高。建議引用一次能源再利用系數(shù)（加熱網(wǎng)絡(luò)有用能源和總能源的比值）作為評估數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施熱量的度量標準[82]。在循環(huán)中，蒸氣壓縮系統(tǒng)的凝汽器出口二次流體溫度較高，具有更高的可用能量[24]。吸收式制冷提供額外的冷卻負荷，而有機朗肯循環(huán)直接從廢熱流提供現(xiàn)場發(fā)電，這兩種方式都可用在未來數(shù)據(jù)中心的研究和優(yōu)化上[83]。

SAKANOVA 等[48]引入一個額外的熵產(chǎn)生項對基本服務(wù)器布局優(yōu)化，優(yōu)化后的最大熵產(chǎn)率降低15%，而出口均勻性提高了42%。引用分離式熱管分布式冷卻系統(tǒng)，并采用熱泵進一步提高廢熱質(zhì)量使得熱回收系統(tǒng)的電能利用效率達到0.13，年節(jié)電率近10%[84]。黃瓊海等[85]研究了三介質(zhì)換熱器的熱泵/熱管一體式熱回收機組，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合能效比可達3.50，相比于普通空氣源熱泵節(jié)能28%左右。許婧煊等[86]提出采用液化天然氣為數(shù)據(jù)中心供電，對氣化冷量和發(fā)電余熱進行回收利用，減少了一次能源利用和碳排放。

綜上所述，對于芯片全年穩(wěn)定發(fā)熱熱源來說，廢熱質(zhì)量較高，可利用空間大，通過液冷和熱管對芯片廢熱進行收集，熱泵提高廢熱質(zhì)量，集中對周邊居民區(qū)進行供暖供熱水，可有效降低電能消耗和煤炭燃燒。近年來數(shù)據(jù)中心多模式系統(tǒng)因其充分利用數(shù)據(jù)中心熱量，根據(jù)氣候條件和負載情況進行調(diào)節(jié)，從而降低系統(tǒng)制冷能耗而受到青睞，也是未來學(xué)者的研究方向。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了近年來用于數(shù)據(jù)中心熱管理策略的現(xiàn)狀，指出未來最有前景的散熱技術(shù)，數(shù)據(jù)中心的冷卻按規(guī)模分為機房級冷卻、機架級冷卻和芯片級冷卻三種尺度，研究得出如下結(jié)論：

1）機房級冷卻系統(tǒng)難以運用自然熱源，能源利用率不高，適合最高散熱密度為每機柜6 kW 的小型數(shù)據(jù)中心；對于氣流組織優(yōu)化大致上從出風(fēng)口位置、機架的排列位置、增加U 型板盲板旁通擋板等來規(guī)劃氣流路線從而提高冷量的利用率；

2）機架級冷卻通過減少冷熱氣流摻混來提高冷卻系統(tǒng)能效，適用于最高散熱密度為每機柜15 kW 的大中型數(shù)據(jù)中心；主要方式是在機架背板安裝液冷門或利用熱管對機柜熱量進行交換；如何將服務(wù)器的熱量通過機柜有效傳遞是一個亟待解決的問題；

3）芯片級冷卻適用于單機柜20 kW 發(fā)熱量的數(shù)據(jù)中心，最高可處理50 kW 單機柜熱流密度；對于數(shù)據(jù)中心從發(fā)熱源頭處入手可以直接避免基板到空氣的熱擴散、傳導(dǎo)和熱擾動，降低機房空調(diào)的負荷；對于基板冷卻來說單相間接冷卻的冷板目前技術(shù)已較為成熟，但重量問題、流動壓損問題和泄漏問題仍要謹慎對待；未來隨著熱管換熱效率的不斷提升，可提升對芯片的冷卻效果；相變在微通道中的許多機理和模型算法尚處于研究階段；

4）隨著研究的不斷進行，數(shù)據(jù)中心散熱技術(shù)將越來越有針對性和高效性，隨著大數(shù)據(jù)時代和5G技術(shù)的普及，目前行業(yè)對數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的需求仍在上升階段，前景更廣闊。