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

嚴家瑞，郭佳哲

（中國移動廣東有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著云計算、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)能增效的重點環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)耗能大的主要原因為采用壓縮機制冷的方式，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個難題；單通道液冷散熱是一種芯片級冷卻方式，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)熱元器件進行精準(zhǔn)散熱，具有架構(gòu)簡單、安全可靠、運維便捷等特點。

1.2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

間接蒸發(fā)冷卻冷水機組是一種能夠?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，從而實現(xiàn)對被處理水進行冷卻降溫的效果。如圖1所示，在間接蒸發(fā)冷卻冷水機組中，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降低，此時外界環(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)境空氣進入淋水填料內(nèi)與機組回水發(fā)生直接接觸進行蒸發(fā)冷卻熱濕交換的過程，此時預(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)冷卻冷水機組的工程過程而言，機組間接預(yù)冷段能夠使外界空氣濕球溫度降低達到的極限為其露點溫度，從而機組淋水填料段能夠使機組回水冷卻降溫達到的極限為環(huán)境空氣的露點溫度。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻機組原理

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行熱交換來達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)冷卻冷水機組提供更低的供水溫度，機房側(cè)采用液冷和氣冷兩種形式分別進行散熱，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房；氣冷通道采用高密度封閉機柜，通過小端差換熱器對內(nèi)存主板等低熱流密度器件進行風(fēng)冷散熱[4]。測試系統(tǒng)中冷源側(cè)配置一臺設(shè)計最大制冷量為29 kW的間接蒸發(fā)冷卻機組，末端配置兩臺高密度封閉機柜（含服務(wù)器），其中一臺整機柜IT 功率約為15 kW（1#機柜），另一臺機柜IT 功率約為10 kW（2#機柜），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

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行精準(zhǔn)散熱，采用高密度封閉機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行散熱，完全去壓縮機，從而實現(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)也能實現(xiàn)全年自然冷卻[5]。下面以廣州的氣象數(shù)據(jù)為例進行分析，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，得到極端濕球溫度為30.6 ℃，其出現(xiàn)時長約為29 h且為不連續(xù)時間。在此極端氣溫狀況，間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的極端工況如表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)器的進水、進風(fēng)溫度要求。

表2 間接蒸發(fā)冷卻冷水機組極端工況計算

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行數(shù)據(jù)，并進行分析統(tǒng)計，反映整體的可用性、可靠性和節(jié)能效果，具體如下。

兩個機柜液冷通道運行溫度數(shù)據(jù)如圖4所示，間接蒸發(fā)冷卻塔滿載運行下，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 ℃，機組制冷能力在濕球溫度為27～30 ℃工況下得到驗證，各服務(wù)器CPU溫度隨供水溫度波動變化，但均在正常范圍內(nèi)，服務(wù)器設(shè)備無告警。

圖4 液冷通道運行數(shù)據(jù)

1#、2#機柜氣冷通道運行溫度數(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#機柜送風(fēng)溫度保持在設(shè)定值（32±2）℃范圍內(nèi)，兩機柜各服務(wù)器器件溫度隨送風(fēng)溫度波動變化，但均在正常范圍內(nèi)，服務(wù)器設(shè)備無告警。

圖5 1#機柜氣冷數(shù)據(jù)

圖6 2#機柜氣冷數(shù)據(jù)

系統(tǒng)在濕球溫度較高（27～30℃）工況下運行穩(wěn)定，間接蒸發(fā)冷卻冷水機組在無壓縮機的條件下制冷可滿足需求，各服務(wù)器穩(wěn)定運行，無異常告警，系統(tǒng)運行總功率約為25 kW，IT設(shè)備實際運行功率約為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，同時其模塊化的設(shè)計，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，該技術(shù)成果依賴其高效節(jié)能、完全去壓縮機的特點，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)濟區(qū)等重點區(qū)域也能快速部署出節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。