一種利用自然冷源的兩相冷板式液冷冷卻系統方案分析

晉若男, 蘭信穎, 張 濤, 王明軒, 寇禾旺

(沈陽工業大學, 遼寧沈陽 110000)

0 引言

在“雙碳”政策的大背景下,數據中心作為消耗能源的主要產業之一,其制冷系統的能耗占了數據中心總能耗的40%,有效地降低數據中心的制冷能耗迫在眉睫,即高效節能、碳減排已經成為大勢所趨[1]。在保證數據中心機房安全高效的同時,新型的制冷方案已經成為各大數據中心的研究對象,其中提高數據中心制冷系統的能效水平、解決數據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據中心的研究目標。本文從數據中心制冷的基礎理論入手,構建了一套新型數據中心制冷系統,為數據中心提供節能、高效、經濟的制冷方案。

1 制冷系統設計思路

數據中心制冷系統的作用是將服務器散發出來的熱量搬運到自然環境中以維持服務器要求的運行溫度條件,將整個制冷系統分成3部分,第一部分是為整套制冷系統提供冷源以及不斷為數據中心發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,保證整套制冷循環可實現;第三部分是通過換熱器與熱源進行換熱,將散發熱量的服務器進行冷卻以維持其正常運行溫度環境。服務器散發的熱量被換出至末端設備后再通過第二部分的設備將熱量輸配至冷源側,由冷源設備對其進行制冷降溫,由此形成制冷循環系統。該理論分析從制冷基礎理論出發,分別對其3部分進行深入分析從而得到整套制冷系統的能效優化方向。

2 兩相冷板式液冷冷卻循環系統

傳統的數據中心選擇使用空氣冷卻技術維持服務器正常工作的溫度,隨著數據中心的不斷發展,服務器不斷提升自身處理能力和集成度,使得服務器散熱量節節攀升,溫度不斷提高,空氣冷卻提供的風量和冷卻能力已接近極限,無法滿足現代工作負載的散熱需求。我們設計的這種兩相冷板式液冷冷卻循環系統不僅能夠很好地滿足高密度數據中心的散熱需求,還能減少能量的消耗,提高的能源利用率。

2.1 系統的構成

該系統構成圖如圖1所示。

圖1 冷板式液冷冷卻系統構成

本系統主要由蒸發式冷凝器、直接接觸冷板式液冷蒸發器、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、風機、填料、噴淋系統、進風柵、水槽與水泵組成,噴淋系統與換熱盤管分離開,避免了換熱盤管被腐蝕和結垢。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,可以通過其節流為低溫低壓的濕蒸汽,最后回到蒸發器中吸收熱量達到制冷效果。

構成本制冷系統的關鍵設備是直接接觸冷板式液冷蒸發器,直接與服務器散熱元件部分接觸,制冷劑吸收服務器散發出的熱量后由液態蒸發成氣態,實現了就近冷卻,提高了換熱密度,降低了輸送能耗,從而提高了系統能效。磁懸浮離心式制冷劑氣泵是本系統中的另一關鍵設備,保證了機械制冷的實現。設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在部分負荷下的性能,所以選擇使用磁懸浮離心式制冷劑氣泵,實現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。本系統采用蒸發式冷凝器,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,系統中設置了制冷劑液泵,能夠實現冬季和過渡季節的自然冷卻,降低了系統能耗。

2.2 系統的運行模式

該系統可以根據室外溫度的變化實現4種運行模式:

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

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

(3)模式三:當室外溫度繼續上升使模式二供應的制冷量不足時,關閉蒸發式冷凝器噴淋系統的水泵和制冷劑液泵,開啟蒸發式冷凝器的風機、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變成液態進入儲液器中。再經過膨脹閥使高壓的液態制冷劑節流為低溫低壓,接著進入直接接觸冷板式液冷蒸發器,在蒸發器中吸收服務器散發的熱量,制冷劑由液態變成氣態,再通過磁懸浮離心式制冷劑氣泵成為高壓氣態制冷劑,隨之進入換熱器中進行熱回收,最后回到蒸發式冷凝器中繼續循環。此模式運用的是蒸氣壓縮式制冷循環,且冷凝器為風冷模式。

(4)模式四:當室外溫度較高時,在模式三的基礎上開啟蒸發式冷凝器水泵,制冷劑同時被冷空氣和噴淋水降溫,制冷劑由氣態逐漸被冷凝為液態,以下的過程同模式三,繼續運用蒸氣壓縮式制冷循環,冷凝器變為蒸發式。

2.3 系統的優勢

該系統相比于傳統數據中心制冷系統的優勢是采用冷板式相變液冷技術,讓蒸發器中的冷板直接與服務器元件觸,實現了就近冷卻,增大了換熱密度從而提高了系統能效。選擇使用磁懸浮離心式制冷劑氣泵能實現機械冷卻,能擺脫潤滑油回油的問題,能實現在全部工況下低壓縮比地運行,減少功耗。同時系統內設置換熱器,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,能實現熱量的再利用,提高能源的利用率。以及本系統采用蒸發式冷凝器能夠根據室外氣溫的變化,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,解決了電能消耗嚴重的問題。非常適用于溫度較低的內陸地區。

3 制冷劑的選擇與使用

根據對該制冷系統的研究,為滿足提高系統能效和節能的需要,以及在保證實際的運行過程中熱力學性質符合要求的條件下,該系統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要求。所以經過綜合比較決定選取載冷能力更強的載冷工質: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。該制冷劑在換熱特性、比熱容密度及經濟換熱溫差上都有比較好的特點,且與傳統的制冷劑比較而言,該制冷劑的相對單位容量制冷能力更強。就經濟性而言,R134a在價格、生產獲得以及儲存費用等綜合方面上具有獨特的優勢,滿足了實用性的要求。同時在研究數據中心制冷系統的運行過程中,通過理論分析,在輸配相同冷量和相同物理距離的基礎上比較,其中的輸配環節的功耗,從而發現了R134a的單位體積制冷能力更強,更適合該數據中心制冷系統。

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。若能找到更好的制冷劑應停止使用氟利昂。

4 結論

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系統具有節能、充分地利用自然冷源、便于調節運行工況等特點,相比于傳統數據中心制冷系統,該系統采用冷板式相變液冷技術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陸地區。通過根據室外氣溫的變化,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,解決了電能消耗嚴重的問題。在系統內設置換熱器,實現了對CPU放出熱量的循環利用,提高了能源利用率。結合當前數據中心制冷系統的發展現況,本系統有較好推廣前景,整個系統大大節約能源的同時有效的提高數據中心制冷系統的工作效率,使用范圍和應用空間。總之,這種利用自然冷源的兩相冷板式液冷冷卻循環系統有著比較強的適用性、經濟性、可行性,不僅滿足了現代工作負載需求,而且對推動數據中心制冷系統高速發展具有一定的作用。