對(duì)于一個(gè)PUE=1.5的數(shù)據(jù)中心,基礎(chǔ)設(shè)施的耗能主要來(lái)自電力設(shè)備自身的耗能和制冷系統(tǒng)的耗能,另外還有照明+其他輔助設(shè)施(加濕、新風(fēng)、智能化等)的耗能,這三部分耗能的占比見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的耗能中,機(jī)械制冷系統(tǒng)的耗能占到總耗能的23%。近三年來(lái)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)冷卻、熱管和液冷技術(shù)以及產(chǎn)品上有了創(chuàng)新和突破,在進(jìn)一步提高制冷系統(tǒng)的能效和節(jié)能上收到了較好的效果,在數(shù)據(jù)中心逐步被采用和推廣。蒸發(fā)冷、熱管和液冷在降耗上的優(yōu)越性也將成為今后數(shù)年數(shù)據(jù)中心降低制冷系統(tǒng)能耗發(fā)展趨勢(shì)。
一、蒸發(fā)冷卻節(jié)能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用與前景
蒸發(fā)制冷主要利用水分子蒸發(fā)相態(tài)產(chǎn)生變化時(shí)吸熱的特性達(dá)到制冷效果,在濕球溫度較低、空氣干燥工況下可達(dá)到較好的制冷效果,見(jiàn)示意圖2。蒸發(fā)冷卻是將潛熱轉(zhuǎn)變?yōu)轱@熱。將未飽和空氣暴露在自由的、溫度較低的水表面中,并且水和空氣融合,可以冷卻未飽和空氣。一部分空氣顯熱轉(zhuǎn)移到水中,并通過(guò)一部分的水的蒸發(fā)變?yōu)闈摕帷?/p>
空氣干燥、濕球溫差稱為濕球溫降,空氣越干,這個(gè)溫差越大,利用這個(gè)蒸發(fā)冷卻后的溫降,可以充分降低室外空氣的溫度,然后利用其冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的熱空氣,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心的制冷。
1.1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的分類與原理
蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要分為四種形式:
1）直接蒸發(fā)冷卻:是指空氣與水大面積的直接接觸,由于水的蒸發(fā)使空氣和水的溫度都降低,此過(guò)程中空氣的含濕量有所增加,空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱,這是一個(gè)絕熱降溫加濕過(guò)程。被冷卻空氣與蒸發(fā)水分直接接觸,可通過(guò)噴淋室、濕膜加濕、噴霧加濕等形式來(lái)降低環(huán)境的溫度,直接蒸發(fā)冷卻原理見(jiàn)圖3。
2）間接蒸發(fā)冷卻:是把直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程中降溫后的空氣和水通過(guò)非接觸式換熱器冷卻待處理的空氣,可通過(guò)表冷器換熱、間接蒸發(fā)盤(pán)管換熱等形式來(lái)降低環(huán)境的溫度,得到溫度降低而含濕量不變的送風(fēng)空氣,此過(guò)程為等濕冷卻過(guò)程。間接蒸發(fā)冷卻裝置原理圖4。
3）間接+直接蒸發(fā)冷卻:根據(jù)送風(fēng)含濕量的要求,在間接蒸發(fā)冷卻模塊后增加直接蒸發(fā)冷卻模塊,新風(fēng)被降溫、并被適當(dāng)加濕,調(diào)節(jié)送風(fēng)的濕度。間接+直接蒸發(fā)冷卻原理見(jiàn)圖5。
4）蒸發(fā)冷卻+機(jī)械制冷:雖然在自然蒸發(fā)冷卻的過(guò)程中所消耗的能量較少,主要是風(fēng)機(jī)和水泵耗能,與目前主流的機(jī)械制冷的空調(diào)相比在節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性上更有優(yōu)勢(shì)。但是直接和間接蒸發(fā)冷卻無(wú)法滿足全年所有工況可以提供數(shù)據(jù)中心需要的制冷要求,因?yàn)樵谑彝鉁囟?夏季)上升時(shí),換熱器的換熱效率下降,不能滿足機(jī)房送風(fēng)溫度要求時(shí),必須增加機(jī)械制冷系統(tǒng)的補(bǔ)充。間接蒸發(fā)冷卻+機(jī)械制冷原理圖見(jiàn)圖6。
1.2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備按熱交換器形式不同大致可分為板式、管式、板管式等形式。無(wú)論哪種換熱器都具有兩個(gè)互不聯(lián)通的空氣管道,借助兩個(gè)通道的間壁,使空氣得到冷卻。
1）管式換熱器
數(shù)據(jù)中心內(nèi)熱空氣從側(cè)面進(jìn)入換熱器,延管道被冷卻后再次送入數(shù)據(jù)中心。室外側(cè)干冷空氣從底部進(jìn)入換熱器,在管道外側(cè)蒸發(fā)冷卻降溫后再冷卻管內(nèi)的熱空氣,然后從上部排出。管式換熱器換熱過(guò)程見(jiàn)圖7。
2）板式換熱器
板式間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備由一組金屬板或復(fù)合材料組成。板式間接蒸發(fā)冷卻其中的二次空氣來(lái)自于室外新風(fēng),一二次空氣的比例對(duì)板式間接蒸發(fā)冷卻效率影響較大,兩側(cè)空氣在熱交換器表面上進(jìn)行熱交換。見(jiàn)圖8。
3）板管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)
蒸發(fā)冷卻式結(jié)構(gòu)上將冷凝器和冷卻塔合二為一,省略冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞階段;充分利用水的蒸發(fā)潛熱冷卻工藝流體,用水量為水冷式冷凝器的45～50%。該系統(tǒng)運(yùn)行和冷卻完全使用數(shù)據(jù)中心室內(nèi)回風(fēng),省去了間接蒸發(fā)冷卻器的空氣過(guò)濾器,而是額外設(shè)置旁通過(guò)濾機(jī)組,這與所有的機(jī)組都裝過(guò)濾器相比,減少了過(guò)濾器的投入、維護(hù)費(fèi)用及風(fēng)機(jī)功率,也減少了室外空氣污染物影響IT設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),為了給人員提供新風(fēng)或維持室內(nèi)正壓,根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件,裝配設(shè)有加濕和除濕功能的新風(fēng)機(jī)組,以此來(lái)提供通風(fēng)和濕度控制。
4）其他相關(guān)技術(shù)研究
上述間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組載冷介質(zhì)皆為空氣,目前大型數(shù)據(jù)中心普遍采用冷凍水系統(tǒng),故將間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)融合進(jìn)冷凍水系統(tǒng)成為研究方向。市面上可見(jiàn)的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組主要有兩種:**種將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械式冷水機(jī)組的冷凝器部分,嚴(yán)格來(lái)說(shuō)只是蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用,通過(guò)高換熱系數(shù)的蒸發(fā)式冷凝器獲得較低的系統(tǒng)冷凝溫度從而提高機(jī)組能效;第二種即利用蒸發(fā)冷卻過(guò)程直接出冷水,是一種純粹的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組,是完全的自然冷卻。蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組系統(tǒng)示意如圖9所示。
為獲得在高溫天氣仍能直接使用的低溫水,機(jī)組設(shè)置了預(yù)冷段、間接蒸發(fā)冷卻段和直接蒸發(fā)冷卻段。室外新風(fēng)首先在預(yù)冷段由系統(tǒng)回水進(jìn)行預(yù)冷,然后經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻段等濕減焓降溫,經(jīng)過(guò)兩次降溫后的空氣*終在直接蒸發(fā)段制取冷水。在干球溫度33.5℃、濕球溫度18.2℃的室外條件下,可獲得16℃的出水溫度。
1.3 數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷運(yùn)行模式
數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要是以自然冷卻為主,機(jī)械制冷為輔,蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要運(yùn)行的模式可分為干、濕和混合等三種模式。
1）干模式:在室外干球溫度低于16℃左右,依靠室內(nèi)外空氣在換熱芯體換熱就可以提供足夠的冷量,此時(shí)運(yùn)行在干工況。此時(shí)噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機(jī)械制冷系統(tǒng)都不工作。室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)直接經(jīng)換熱器換熱,數(shù)據(jù)中心較高的回風(fēng)經(jīng)由空氣-空氣換熱器被室外的低溫空氣直接冷卻。見(jiàn)圖10。
2）濕模式:當(dāng)室外環(huán)境溫度較溫和時(shí)(濕球溫度高于19℃左右),機(jī)組運(yùn)行在濕模式。此時(shí)開(kāi)啟噴淋蒸發(fā),而機(jī)械制冷系統(tǒng)仍然不工作。室外空氣通過(guò)增發(fā)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)降溫,然后再經(jīng)由空氣空氣換熱器冷卻數(shù)據(jù)中心回風(fēng)。見(jiàn)圖11。
3）混合模式:當(dāng)室外濕球溫度較高時(shí)(濕球溫度高于19℃左右),特別是在炎熱天氣,自然冷卻無(wú)法滿足制冷需求,開(kāi)啟壓縮制冷系統(tǒng)補(bǔ)充不足的部分。采用蒸發(fā)冷卻+高效換熱+壓縮制冷的運(yùn)行模式，稱為混合工況。此時(shí)噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機(jī)械制冷系統(tǒng)同時(shí)工作，共同達(dá)到所需要的制冷量。見(jiàn)圖12。
1.4 蒸發(fā)冷系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和關(guān)注問(wèn)題
近幾年來(lái),蒸發(fā)冷卻(特別是間接蒸發(fā)冷卻)空調(diào)機(jī)組成為行業(yè)節(jié)能應(yīng)用熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外許多的廠商都研制和推出了相關(guān)產(chǎn)品。蒸發(fā)冷卻空調(diào)與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)型空調(diào)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):
1）耗能與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比能效有了明顯的提升:蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備中所需的主要?jiǎng)恿轱L(fēng)機(jī)和水泵動(dòng),無(wú)制冷壓縮機(jī),能效比COP值很高,通常機(jī)械制冷系統(tǒng)的耗電為50W/m2左右,而蒸發(fā)型空調(diào)系統(tǒng)為10W/m2左右,節(jié)電80%左右。
2）蒸發(fā)冷卻空調(diào)運(yùn)行方式為全新風(fēng)運(yùn)行:且具有空氣過(guò)濾和加濕功能,不斷輸入100%新鮮冷空氣,有效的正壓送風(fēng)可使有害的空氣排出室外,保持室內(nèi)潔凈;大大改善其室內(nèi)空氣品質(zhì)。
3）保護(hù)環(huán)境,零污染:由于蒸發(fā)冷空調(diào)設(shè)備主要是以水為制冷劑,對(duì)大氣無(wú)污染。
4）模塊化、工廠預(yù)制:蒸發(fā)冷卻改變了目前主流水冷機(jī)組的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)模塊化和在工廠的預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝，沒(méi)有管道的連接和安裝，減少工期。
目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用的主要形式為間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組、直接蒸發(fā)新風(fēng)系統(tǒng);雖然蒸發(fā)冷卻技術(shù)有上述眾多的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),但是還需要看到蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和環(huán)境上存在的問(wèn)題,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
1）對(duì)建筑的要求
蒸發(fā)冷卻技術(shù)上采用水與空氣換熱交換,決定了在建筑上需要有特殊的空間(專用的水和空氣蒸發(fā)交換空間、機(jī)房回風(fēng)空間)，因此采用蒸發(fā)冷的系統(tǒng)改變了以往數(shù)據(jù)中心建筑的功能布局、層高、空氣進(jìn)出流動(dòng)通道，見(jiàn)示意圖13和實(shí)例案例圖14。
對(duì)于采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,規(guī)模(機(jī)柜數(shù)、單機(jī)柜容量)差異化,需要定制化的設(shè)計(jì),沒(méi)辦法簡(jiǎn)單化的復(fù)制,因?yàn)檫M(jìn)排口的設(shè)置需求,在高層建筑數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用較為困難。另外由于間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組產(chǎn)品還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化,不同的廠家尺寸差異較大,導(dǎo)致建筑的設(shè)計(jì)的通用性較差。目前在大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)中,采用間接換熱空調(diào)機(jī)組
大部分都是采用外置的方式,在建筑結(jié)構(gòu)上采用工業(yè)廠房的模式,見(jiàn)圖15。
2）地域條件的要求
蒸發(fā)冷卻更適用于空氣干燥的地區(qū),蒸發(fā)冷卻過(guò)程中空氣越干燥,干濕球溫差越大,“干空氣能”的利用率越強(qiáng),能獲得的溫度就越低。
根據(jù)中國(guó)的氣候特點(diǎn)和干濕地區(qū)分布,蒸發(fā)冷卻技術(shù)建議在“胡煥庸線”的左邊氣候比較干燥的區(qū)域使用,可以達(dá)到更好的節(jié)能和節(jié)水效果。見(jiàn)圖16。
不是說(shuō)在我國(guó)中東部(紅線右邊)的區(qū)域就不能采用蒸發(fā)冷,而是需要考慮在這些地區(qū)高濕不僅降低了換熱的效率,還需要考慮增加除濕所需要的耗能,*終影響節(jié)能的實(shí)際效果。
3）對(duì)空氣質(zhì)量的要求
間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組工作原理為外部空氣與水的換熱,然后再通過(guò)空空換熱器來(lái)冷卻室內(nèi)空氣。目前間接換熱空調(diào)機(jī)組基本都采用板式換熱器,室外空氣中的灰塵、顆粒物等,通過(guò)加濕后,會(huì)附著在換熱器表面,時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)大大影響換熱器的效果?，F(xiàn)在國(guó)外也在積極研究采用高分子材料替代傳統(tǒng)的金屬換熱器,來(lái)降低空氣質(zhì)量對(duì)換熱器效率的影響。
直接蒸發(fā)冷卻新風(fēng)系統(tǒng),室外空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾和加濕降溫后直接送到數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi),空調(diào)的品質(zhì)直接關(guān)系IT的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定。
因此需要關(guān)注空氣的質(zhì)量對(duì)持續(xù)制冷和對(duì)IT設(shè)備的影響,差的空氣質(zhì)量將降低換熱的效果和維護(hù)難度以及維護(hù)的成本,當(dāng)遇到沙塵暴時(shí)還將引發(fā)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。另一方面空氣中有害的氣體(如硫化物等)也會(huì)導(dǎo)致IT設(shè)備電路腐蝕,導(dǎo)致短路或短路而不能正常運(yùn)行。因而目前采用蒸發(fā)冷的數(shù)據(jù)中心大多會(huì)設(shè)計(jì)兩種制冷系統(tǒng)的并存,有些還增加有害氣體的檢測(cè)和過(guò)濾裝置,不僅增加投資還增加后期的運(yùn)維成本。
4）運(yùn)維中的問(wèn)題
目前蒸發(fā)冷的水質(zhì)問(wèn)題是影響蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)推廣使用的主要限制因素之一,結(jié)垢、污泥、菌澡滋生、腐蝕穿孔,不僅降低了系統(tǒng)的冷卻效率、設(shè)備的使用壽命,同時(shí)也影響到正常的運(yùn)行。另外在北方冬季的結(jié)冰現(xiàn)象什分嚴(yán)重,影響到冷卻塔的散熱效果、加大冷卻塔的承重、損害填料和管道,同樣影響冷卻塔的使用壽命。見(jiàn)圖17。
5）蒸發(fā)冷卻還不能完全取代機(jī)械制冷系統(tǒng)
與機(jī)械制冷相比,蒸發(fā)冷卻還存在著很多不足之處。如體積大、缺乏除濕功能,冷卻空氣的能力受外界氣候環(huán)境(雨雪、風(fēng)沙等惡劣天氣)的影響嚴(yán)重,多級(jí)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)控制較復(fù)雜等。當(dāng)僅靠蒸發(fā)冷卻不能達(dá)到制冷要求時(shí),還需要機(jī)械制冷進(jìn)行補(bǔ)償,因此,將機(jī)械制冷與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合,取長(zhǎng)補(bǔ)短。
總之,數(shù)據(jù)中心需要全年制冷,而直接和間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有明顯的“靠天吃飯”屬性。國(guó)內(nèi)除了西北某些地區(qū)氣候能夠使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)全年制冷,絕大多數(shù)地區(qū)需要配置機(jī)械制冷機(jī)組補(bǔ)充冷量,在極端高溫天氣負(fù)擔(dān)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)欠缺的制冷量,但這又引起人們對(duì)于安全方面的擔(dān)憂。一方面,蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組體積較大,需要與機(jī)柜通道通常一一對(duì)應(yīng),與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的備份理念存在一定偏差;另一方面,若按極端工況下間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)制冷能力的*大欠缺量配置機(jī)械組件且考慮不間斷供冷需求,則極大增加了對(duì)于機(jī)械組件的相應(yīng)UPS及電池配置。故蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組更適宜應(yīng)用于非夏熱冬暖地區(qū)。
二、熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用與前景
近幾年來(lái)制冷技術(shù)的研究和制造商將熱管技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)中,熱管具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì),在數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)節(jié)能和節(jié)水方面收到良好的效果。
2.1 熱管技術(shù)原理
典型的熱管由管殼、吸液芯和工作介質(zhì)組成。管殼為兩端密封的圓柱管,管的內(nèi)壁貼附同心圓筒式的金屬絲網(wǎng)或其它多孔介質(zhì),即吸液芯。對(duì)熱管的一端加熱后,由于管內(nèi)壓力很低,工質(zhì)吸收熱量變?yōu)檎羝?然后在壓差作用下流向另一端,向外界釋放熱量后再凝結(jié)成液體,依靠吸液芯的毛細(xì)抽吸力流回加熱段,再次受熱氣化,如此往復(fù)循環(huán),就可以連續(xù)不斷地將熱量從一端傳遞到另一端。見(jiàn)圖18。
將熱管技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng),是利用室內(nèi)、外溫差通過(guò)熱管將室內(nèi)熱量交換到室外,從而降低室內(nèi)溫度的系統(tǒng)設(shè)備。熱管換熱系統(tǒng)利用循環(huán)工質(zhì)的氣液相變來(lái)傳遞熱量,通過(guò)特殊的管路聯(lián)接,將蒸發(fā)段和冷凝段分離開(kāi)來(lái),室內(nèi)機(jī)為該系統(tǒng)的吸熱端,冷凝器為其放熱端,室內(nèi)機(jī)中的工質(zhì)在機(jī)房?jī)?nèi)吸熱蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài),經(jīng)過(guò)氣管流入冷凝器,并在冷凝器內(nèi)放熱冷凝為液態(tài),然后通過(guò)液管回到室內(nèi)機(jī)繼續(xù)吸熱蒸發(fā)。熱量傳輸是無(wú)源運(yùn)行,無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,零能耗且故障率極低。熱管技術(shù)工作原理見(jiàn)圖19。
熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程中,包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)程:
(1)熱量從熱源通過(guò)管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面;
(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā);
(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段;
(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié);
(5)熱量從汽-液分界面通過(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源;
(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回到蒸發(fā)段。
由于熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體的相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件,所以其具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)**的導(dǎo)熱性能:熱管依靠工作介質(zhì)的汽、液相變傳熱,換熱系數(shù)高,傳熱熱阻很小,可傳遞熱流密度較大。其導(dǎo)熱系數(shù)比金、銀、銅、鋁等優(yōu)良導(dǎo)熱體高出了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
(2)優(yōu)良的等溫性:由于熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài),其粘度較低,在流動(dòng)中產(chǎn)生的壓降很小,所以熱管的蒸發(fā)段與冷凝段之間的溫差很小,近似等溫。
(3)可變熱流密度:可以通過(guò)獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積的方法調(diào)節(jié)蒸發(fā)段和冷凝段的熱流密度，以解決其他傳熱方式難以解決的問(wèn)題。
(4)熱流傳遞方向可控:通過(guò)改變內(nèi)部循環(huán)力的方式,可以實(shí)現(xiàn)熱流單向傳遞、雙向傳遞、抗重力傳遞等。
(5)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng):熱管的形狀可根據(jù)熱源和冷源的條件靈活變化,其形狀可制成電機(jī)的轉(zhuǎn)軸、燃?xì)廨啓C(jī)葉片、鉆頭、手術(shù)刀等;可應(yīng)用于地面(重力場(chǎng)),也可以應(yīng)用于空間(無(wú)重力場(chǎng))。
(6)熱管屬于被動(dòng)傳熱:工質(zhì)在熱管內(nèi)的流動(dòng)循環(huán)完全依靠管內(nèi)結(jié)構(gòu)及工質(zhì)自身的熱力平衡實(shí)現(xiàn),沒(méi)有任何動(dòng)力部件,屬于無(wú)耗能傳熱,工作性能穩(wěn)定,可靠性高。
從熱管的工作原理可以看出,熱管是基本無(wú)耗能的原件,通過(guò)實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移從而進(jìn)行制冷。
2.2 熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用
目前熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)品主要有以下三個(gè)系統(tǒng):
1）單熱管式制冷系統(tǒng)
單熱管精密空調(diào)由熱管、蒸發(fā)器、EC風(fēng)機(jī)和室外機(jī)組成,在結(jié)構(gòu)與水冷末端精密空調(diào)相似,但采用氟的冷媒,無(wú)制冷壓縮機(jī),室外機(jī)采用風(fēng)冷或蒸發(fā)冷卻。有效的提高制冷的能效。見(jiàn)圖20。
熱管式機(jī)房精密空調(diào)適用于常年可以使用低溫自然冷源的地區(qū),不需要機(jī)械制冷,只有室內(nèi)和室外風(fēng)機(jī)的耗能,有效降低空調(diào)的耗能,提升制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果。
2）熱管+機(jī)械制制冷系統(tǒng)
在我國(guó)有很多的地區(qū)采用全熱管技術(shù)的制冷空調(diào)還無(wú)法滿足全年所有工況可以提供數(shù)據(jù)中心需要的制冷要求,因?yàn)樵谙臒岫牡貐^(qū),室外溫度限制了熱管技術(shù)的使用,室外換熱器換熱效率下降或無(wú)法對(duì)氣化的媒介進(jìn)行降溫,不能滿足機(jī)房送風(fēng)溫度要求時(shí),為此制冷的廠商在熱管精密空調(diào)機(jī)中增加了機(jī)械制的裝置,機(jī)械制冷作為熱管制冷的補(bǔ)充,很好的解決了區(qū)域氣候條件不足的缺陷,見(jiàn)圖21。
熱管+機(jī)械制冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行模式分為三種:壓縮機(jī)制冷模式、部分自然冷卻模式、完全自然冷卻模式。
當(dāng)室外濕球溫度t>T1℃(可調(diào))時(shí)，壓縮機(jī)工作，自然冷源不工作，系統(tǒng)運(yùn)行模式為冷機(jī)制冷模式。
當(dāng)室外濕球溫度T1 當(dāng)室外濕球溫度t≤T2℃(可調(diào))時(shí),壓縮機(jī)不工作,自然冷源工作,系統(tǒng)運(yùn)行模式為完全自然冷卻模式。 熱管+機(jī)械制冷模式產(chǎn)品有區(qū)域機(jī)柜式和行間空調(diào)兩種,以適應(yīng)不同規(guī)模數(shù)據(jù)中心的需要。 3）重力熱管背板 重力熱管型背板空調(diào)是熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心另一種應(yīng)用,安裝在機(jī)柜后門,與機(jī)柜緊密結(jié)合,通過(guò)水冷冷凝器中工質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝循環(huán)直接冷卻機(jī)柜排風(fēng),機(jī)柜外部形成冷環(huán)境。熱管運(yùn)行時(shí)工質(zhì)回流依靠重力,無(wú)須其它動(dòng)力。熱管背板系統(tǒng)主要由外殼、風(fēng)機(jī)、換熱盤(pán)管、控制器、水冷冷凝器、熱管工質(zhì)、熱管工質(zhì)管道、水過(guò)濾器及群控系統(tǒng)等組件組成,應(yīng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)組*優(yōu)性能和保證工藝設(shè)備等安全運(yùn)行。重力熱管型背板空調(diào)系統(tǒng)示意和氣流組織如圖22所示。 重力熱管型背板空調(diào)適用于前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng),標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器機(jī)柜,安裝在機(jī)柜后門,與機(jī)柜緊密結(jié)合與機(jī)柜形成一體,更接近熱源,機(jī)柜內(nèi)部服務(wù)器空氣流動(dòng)分布均勻。重力熱管型背板空調(diào)更有利于機(jī)柜吸收、散熱制冷效果。目前重力熱管型空調(diào)主要用于8KW～15KW中高密機(jī)柜的制冷。 重力熱管型背板空調(diào)優(yōu)勢(shì)有: (1)冷媒管進(jìn)機(jī)房,無(wú)水患。 (2)不占機(jī)柜位,可增加機(jī)房出架率。 (3)建筑也無(wú)需做預(yù)留,后期建設(shè)靈活。 (4)風(fēng)機(jī)備份:風(fēng)機(jī)選用多個(gè)軸流EC風(fēng)機(jī),可通過(guò)控制單元實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能,且風(fēng)量放有1.2倍余量,風(fēng)機(jī)接線口采用插拔結(jié)構(gòu)。萬(wàn)一有某個(gè)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障,其余風(fēng)機(jī)將自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速,保證機(jī)柜正常運(yùn)行所需風(fēng)量,并報(bào)故障。維護(hù)人員有充分的時(shí)間替換風(fēng)機(jī)。 (5)背板內(nèi)雙盤(pán)管設(shè)計(jì),安全可靠; (6)電源備份:為保證產(chǎn)品的可靠性,可使用雙路電源供電,以防止有一路電源斷電后,風(fēng)機(jī)無(wú)法運(yùn)行。 重力熱管型背板空調(diào)需要關(guān)注一下的問(wèn)題: 該技術(shù)目前還只是在某運(yùn)營(yíng)商已完成試點(diǎn)并規(guī)模推廣，一般適用于前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜形式，并且機(jī)柜內(nèi)負(fù)載需垂直方向均勻分布，前期規(guī)劃需要與使用方確認(rèn)后期業(yè)務(wù)類型及服務(wù)器形式。 根據(jù)以往試點(diǎn)機(jī)房的建設(shè)價(jià)格,背板的投資約為普通冷凍水房間空調(diào)建設(shè)模式(地板下送風(fēng)+冷通道封閉)的1.2倍。 制冷管路上、下均走線,或全部上走線,冷量分配模塊需高于機(jī)柜1m就近安裝,空調(diào)數(shù)量、管路多,工藝要求高。 機(jī)柜、熱管背板、冷量分配模塊供應(yīng)商需緊密合作。 2.3熱管技術(shù)與傳統(tǒng)空調(diào)方案對(duì)比 以1棟m2機(jī)樓為例,對(duì)風(fēng)冷房間級(jí)空調(diào)、冷凍水房間級(jí)空調(diào)、熱管+機(jī)械制冷精密空調(diào)、熱管背板空調(diào)的建設(shè)成本、節(jié)能效果等進(jìn)行分析對(duì)比,見(jiàn)表1。 熱管技術(shù)是在傳統(tǒng)壓縮制冷空調(diào)基礎(chǔ)上的演進(jìn)而來(lái),熱管循環(huán)是無(wú)動(dòng)力循環(huán),具有更好的節(jié)能性。 熱管背板除了結(jié)合冷凍水系統(tǒng)的應(yīng)用外,現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的廠家也研發(fā)出多聯(lián)式風(fēng)冷熱管主機(jī),該產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心使用,可以實(shí)現(xiàn)快速部署,因?yàn)閺?fù)合了自然冷卻模板和機(jī)械制冷模板,節(jié)能性更好。 總結(jié):熱管技術(shù)充分利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，將機(jī)房?jī)?nèi)的熱量迅速傳遞到室外；熱管技術(shù)因?yàn)榫哂袩o(wú)漏水風(fēng)險(xiǎn)、安裝方便、無(wú)動(dòng)力循環(huán)、節(jié)能效果好等特點(diǎn)，未來(lái)會(huì)在數(shù)據(jù)中心空調(diào)建設(shè)中，扮演更重要的角色。 三、液冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中制冷系統(tǒng)的應(yīng)用與前景 現(xiàn)階段主流數(shù)據(jù)中心所用空調(diào)類型,無(wú)論是風(fēng)冷還是水冷,無(wú)論是房間級(jí)還是行級(jí)、背板式,都是先冷卻空氣,再通過(guò)冷空氣與服務(wù)器的發(fā)熱元器件進(jìn)行熱交換,這種冷卻方式被稱為空氣冷卻或“空冷”。由于空氣的換熱效率差,熱流密度低,造成服務(wù)器需要自帶散熱風(fēng)扇,不僅增加冷卻能耗,而且噪聲大、設(shè)備密度低等問(wèn)題。當(dāng)單機(jī)架功率密度接近20kW時(shí),風(fēng)冷系統(tǒng)就已達(dá)到制冷極限,為解決服務(wù)器散熱難題,廠商開(kāi)始嘗試使用液態(tài)流體作為熱量傳輸?shù)闹虚g媒介,將發(fā)熱源的熱量通過(guò)液體的載體直接傳遞到遠(yuǎn)處再進(jìn)行冷卻,即“液冷”。由于液體冷媒比空氣的比熱大,散熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣,因此制冷效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)冷散熱,可有效就近解決服務(wù)器的散熱問(wèn)題,降低冷卻系統(tǒng)能耗和噪聲。 3.1液冷技術(shù)工作原理和分類 液冷是指使用高比熱容的液體作為熱量傳輸?shù)慕橘|(zhì)代替空氣,將IT設(shè)備的CPU、芯片組、存儲(chǔ)等功能器件在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量帶走。目前液冷按照冷卻原理、技術(shù)和產(chǎn)品形態(tài)主要分為以下三種: 1）冷板式液冷技術(shù) 冷板式液冷技術(shù)是液體不接觸被冷卻器件,將液冷冷板固定在服務(wù)器的主要發(fā)熱器件上,依靠流經(jīng)冷板的液體將熱量帶走達(dá)到散熱目的。該技術(shù)將冷媒直接導(dǎo)向熱源,同時(shí)由于液體比空氣的比熱大,散熱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣,因此制冷效率遠(yuǎn)高于風(fēng)冷散熱。冷板模塊結(jié)構(gòu)示意圖和服務(wù)器采用冷板實(shí)例見(jiàn)圖23。 冷板液冷解決了服務(wù)器里發(fā)熱量大的器件的散熱,其他散熱器件還得依靠風(fēng)冷。所以采用冷板式液冷的服務(wù)器也稱為氣液雙通道服務(wù)器。 冷板技術(shù)可有效解決高密度服務(wù)器散熱問(wèn)題,降低冷卻系統(tǒng)能耗,而且降低對(duì)環(huán)境制冷要求,同時(shí)降低噪聲。采用冷板技術(shù)的液冷系統(tǒng)主要由冷板模塊、內(nèi)循環(huán)冷媒傳導(dǎo)系統(tǒng)和外水循環(huán)冷卻水散熱系統(tǒng)三部分組成。板模塊服務(wù)器發(fā)熱元器件產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出到服務(wù)器機(jī)箱外，然后通過(guò)內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)將熱量帶出數(shù)據(jù)中心。冷板式液冷系統(tǒng)工作原理如圖24所示。 2）浸沒(méi)式液冷技術(shù) 浸沒(méi)式液冷技術(shù)是一種以液體作為傳熱介質(zhì),將發(fā)熱元器件完全或部分浸沒(méi)在液體中,發(fā)熱元器件與液體直接接觸并進(jìn)行熱交換的技術(shù)。在數(shù)據(jù)中心液冷制冷系統(tǒng)中,浸沒(méi)式液冷技術(shù)是將服務(wù)器的板卡、CPU、內(nèi)存等發(fā)熱元器件完全浸沒(méi)在冷卻液中,直接帶走服務(wù)器熱量。根據(jù)冷卻液工質(zhì)的制冷形態(tài)分為單相浸沒(méi)和相變浸沒(méi)。單相浸沒(méi)式冷卻液不蒸發(fā)、不沸騰,靠液體的溫升和流動(dòng)進(jìn)行熱交換;相變浸沒(méi)式冷卻液通過(guò)沸騰、蒸發(fā)利用汽化潛熱帶走熱量,相變的液態(tài)技術(shù)具有更高的傳熱效率。見(jiàn)圖25所示。 浸沒(méi)式液冷技術(shù)利用液體的流動(dòng)直接與發(fā)熱元器件接帶走熱量,減少了傳熱過(guò)程的熱阻,相比冷板式液冷,具有更高的傳熱效果,是也冷卻技術(shù)中*節(jié)能、*高效新型制冷模式,見(jiàn)圖26。 3）噴淋式液冷技術(shù) 噴淋技術(shù)是將冷卻液直接通過(guò)服務(wù)器機(jī)箱上的噴淋板,噴射到發(fā)熱設(shè)備表面或與其接觸的延伸表面,噴淋的液體和被冷卻器件直接接觸,帶走熱量,從而達(dá)到設(shè)備的冷卻的目的。吸收的熱量被轉(zhuǎn)移到室外,并與大型冷卻源的外部環(huán)境交換,降溫后再送往服務(wù)器,循環(huán)使用。噴淋式液冷技術(shù)原理和工作示意見(jiàn)圖27。 噴淋式液冷技術(shù)需要對(duì)服務(wù)器的機(jī)殼或者對(duì)整體機(jī)柜做相應(yīng)的改造。 噴淋服務(wù)器機(jī)箱:與普通服務(wù)器機(jī)箱相比,主要特點(diǎn)是取消了風(fēng)扇的進(jìn)出風(fēng)口,改為進(jìn)液口與回液口。服務(wù)器機(jī)箱有密封處理,防止冷卻液泄露;機(jī)箱頂板改為噴淋板,用于向發(fā)熱器件噴灑絕緣冷卻液; 液冷機(jī)柜:液冷機(jī)柜內(nèi)部設(shè)有進(jìn)液管與回液管,進(jìn)液管向IT設(shè)備供應(yīng)冷卻液,回液管回收被加熱后的冷卻液; 噴淋冷卻系統(tǒng)主要包括向IT設(shè)備噴灑冷卻液的布液裝置(包括特制的噴淋服務(wù)器機(jī)箱,特制的液冷機(jī)柜),冷量分配單元(CDU),室外散熱器;冷量分配單元:內(nèi)部主要包括泵,過(guò)濾器,換熱器,其中,泵的作用是驅(qū)動(dòng)冷卻液流動(dòng),向IT設(shè)備內(nèi)不間斷輸送冷卻液;過(guò)濾器作用是濾除冷卻液內(nèi)部的微米級(jí)雜質(zhì),防止固體雜質(zhì)在IT設(shè)備上沉積;換熱器作用是將冷卻液的熱量與二次循環(huán)回路中的冷媒(如水,乙二醇)進(jìn)行熱交換,見(jiàn)圖28。 室外散熱器:布置于室外的散熱器將二次循環(huán)回路中的冷媒與室外空氣進(jìn)行熱交換,將熱量散失到外部大氣,散熱器通常使用空調(diào)行業(yè)常用的管翅式換熱器,工業(yè)常用的板翅式換熱器,以及冷水塔。管翅式換熱器,板翅式換熱器,冷水塔能夠*大程度利用自然冷源-空氣,無(wú)需采用能效較低的壓縮制冷方式,因此較節(jié)能。 4）冷卻液類型 在液冷技術(shù)中的制冷媒介常用的冷卻液有水、礦物油和氟化液。 水,有良好的比熱容,是一種**的散熱媒介,價(jià)格低廉無(wú)污染。但由于水并非絕緣體,只能應(yīng)用于非直接接觸型液冷技術(shù)中。 礦物油,是一種價(jià)格相對(duì)低廉的絕緣冷卻液,單相礦物油無(wú)味無(wú)毒不易揮發(fā),是一種環(huán)境友好型介質(zhì),但是,由于礦物油粘性較高比較容易殘留,特定條件下有燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。 氟化液,由于具有絕緣且不燃的惰性特點(diǎn),不會(huì)對(duì)設(shè)備造成任何影響,是目前應(yīng)用*廣泛的浸沒(méi)式冷卻液,但價(jià)格較為昂貴。 3.2液冷的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn) 1）液冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì) (1)熱量帶走更多:同體積液體帶走熱量是同體積空氣3000倍,溫度傳遞更快:液體導(dǎo)熱能力是空氣25倍;可大幅降低CPU和系統(tǒng)的溫度,提高CPU元器件的使用壽命,并提升運(yùn)算能力; (2)冷板式液冷技術(shù)可將服務(wù)器風(fēng)扇功耗可以降低70%～80%,空調(diào)系統(tǒng)功耗降低70%; (3)噪音品質(zhì)更好:同等散熱水平時(shí),液冷系統(tǒng)噪音比風(fēng)冷噪音降低可降低機(jī)房噪音20～30dB; (4)耗電節(jié)能更省:液冷系統(tǒng)約比風(fēng)冷系統(tǒng)節(jié)電30%以上。 2）液冷技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景 冷板式液冷可以將原有風(fēng)冷服務(wù)器升級(jí)改裝成冷板式服務(wù)器，使數(shù)據(jù)中心PUE有較大大幅度降低。目前冷板式液冷技術(shù)在服務(wù)器中已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，曙光、微軟和浪潮等都推出基于冷板技術(shù)的服務(wù)器，進(jìn)入商用。有效解決了服務(wù)器高密度散熱問(wèn)題，冷板式液冷更適合用于單機(jī)柜15kW～30kW的中高密度數(shù)據(jù)中心。 浸沒(méi)式液冷技術(shù)目前還處于按客戶需求定制化階段,沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,服務(wù)器的制造商按照需求和提供液冷技術(shù)產(chǎn)品的廠商合作,按照浸沒(méi)式液冷的要求的定制專用的機(jī)柜、機(jī)柜內(nèi)集成電路的插槽和板卡以及所帶板卡的數(shù)量。目前只是在個(gè)別的BAT的數(shù)據(jù)中心和超算的數(shù)據(jù)中心有應(yīng)用,浸沒(méi)式液冷更適用于單機(jī)柜功率60kW以上的高密度數(shù)據(jù)中心。 噴淋式液冷技術(shù)目前主要用于現(xiàn)有機(jī)柜的節(jié)能改造，對(duì)原有服務(wù)器的機(jī)柜和服務(wù)器機(jī)殼進(jìn)行改造，將原有的通過(guò)風(fēng)扇降溫的服務(wù)器改造成噴淋式液冷，降低服務(wù)器的耗能和制冷系統(tǒng)的耗能，應(yīng)該說(shuō)有對(duì)老舊的數(shù)據(jù)中心降能節(jié)能很廣闊的應(yīng)用價(jià)值。 3.3液冷的發(fā)展挑戰(zhàn)與前進(jìn)之路 目前液冷技術(shù)有非常驕人的能效和優(yōu)勢(shì),在一些服務(wù)器的制造商和數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用,但在液冷仍然面臨著許多的挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)有: 1）涉及到上游、中游和下游的協(xié)同 在傳統(tǒng)的風(fēng)冷和水冷系統(tǒng)是對(duì)機(jī)房環(huán)境溫度的控制,服務(wù)器與制冷系統(tǒng)是完全割裂的。而無(wú)論是間接或直接的液態(tài)冷卻方式都必須涉及上游(產(chǎn)品制造)、中游(設(shè)計(jì)、材料和施工)和下游(運(yùn)維)的共同參與和配合。需要與服務(wù)器制造廠商聯(lián)系在一起,按照液冷的技術(shù)要求定制化設(shè)計(jì)服務(wù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形和防護(hù),這會(huì)增加服務(wù)器的制造成本,還需要兼顧可用性、可靠性和后續(xù)維護(hù)成本,需要上游(制造商)、中游和下游的配合。 2）全密封和泄露 無(wú)論是間接或直接液態(tài)冷卻,冷板和機(jī)柜的全密封至關(guān)重要,還需要關(guān)注冷媒進(jìn)/出冷板或機(jī)柜連接的可靠性,目前主要還是采用軟管的軟連接,因此對(duì)軟連接的材質(zhì)和連接頭提出更高的要求,不僅要求軟管的材質(zhì)的可靠性,同時(shí)還需要維護(hù)時(shí)滿足軟連接熱拔插時(shí)不會(huì)造成液冷劑的泄露。 2017年歐洲云計(jì)算巨頭OVH位于法國(guó)的數(shù)據(jù)中心由于水冷系統(tǒng)中的軟管出現(xiàn)裂痕而引起冷卻液流入系統(tǒng),其中內(nèi)部有一臺(tái)96個(gè)固態(tài)硬盤(pán)和15個(gè)磁盤(pán)陣列遭受損壞,進(jìn)而導(dǎo)致該數(shù)據(jù)中心服務(wù)的超過(guò)5萬(wàn)個(gè)網(wǎng)站在24h內(nèi)無(wú)法正常訪問(wèn)。 3）液進(jìn)風(fēng)退 液冷技術(shù)是目前散熱效果*佳的載體,具有著優(yōu)良的節(jié)能效果,是否液進(jìn)風(fēng)退將帶動(dòng)整個(gè)數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品成為下一代制冷系統(tǒng)。從目前的情況看,除非有強(qiáng)制的使用冷板液冷服務(wù)器的限令或過(guò)渡期的要求,幾十年一貫制的風(fēng)冷服務(wù)器有其獨(dú)立、快速部署以及與制冷設(shè)備的松耦合還會(huì)持續(xù)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的的時(shí)期。但是對(duì)于超過(guò)30kW單機(jī)柜的數(shù)據(jù)中心液冷一定成為**。 4)展望 盡管液冷已經(jīng)從幕后走到前臺(tái),但是還需要有一個(gè)檢驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的積累,有待解決在標(biāo)準(zhǔn)化、降低建造成本上存在的問(wèn)題。但是毫無(wú)疑問(wèn),液態(tài)冷卻技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)的制冷技術(shù)一項(xiàng)巨大的革命,是對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心部署的一場(chǎng)變革,而且這個(gè)變革已經(jīng)到來(lái),液冷技術(shù)代表了綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的發(fā)展方向,同時(shí)在國(guó)家對(duì)數(shù)據(jù)中心能效的指標(biāo)嚴(yán)控和在綠色數(shù)據(jù)中心和碳排放達(dá)標(biāo)的大環(huán)境下,液冷技術(shù)會(huì)得到大力的發(fā)展,將促進(jìn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能邁向一個(gè)更高的水平。 部分內(nèi)容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，僅用于學(xué)習(xí)分享，如發(fā)現(xiàn)有侵權(quán)，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系刪除，謝謝。
