摘 要：通過對服務器浸沒式液冷實驗臺進行測試，得出了在不同室外側溫度、不同服務器發(fā)熱功率條件下該實驗系統(tǒng)的制冷PUE（能源使用效率）。實驗結果表明，該系統(tǒng)制冷PUE值在1.05~1.28之間。室外側溫度為39℃，負載功率為3.773kW，制冷PUE達到最小值1.056。本文得出上海市數(shù)據(jù)中心全年運行制冷PUE值為1.060。使用浸沒式液冷的數(shù)據(jù)中心其冷卻系統(tǒng)能耗僅為使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的10%左右。
根據(jù)工信部2019年的數(shù)據(jù)，截至2017年底，我國在用數(shù)據(jù)中心的機架總規(guī)模增長了33.4%，大型、超大型數(shù)據(jù)中心的規(guī)模增速達到68%[1]。根據(jù)國際環(huán)保組織綠色和平與華北電力大學發(fā)布的報告，2018年中國數(shù)據(jù)中心總用電量占中國全社會用電量的2.35%，未來5年數(shù)據(jù)中心總用電量將增長66%[2]。數(shù)據(jù)中心的電能消耗構成中，冷卻系統(tǒng)約占40%。因此，降低冷卻系統(tǒng)的能耗是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的關鍵措施之一。
隨著數(shù)據(jù)中心單機柜發(fā)熱功率突破20kW，傳統(tǒng)精密空調(diào)無法解決高功率、局部熱點等問題，從而導致冷卻系統(tǒng)運行能耗過高甚至出現(xiàn)無法完全散熱的情況。浸沒式液冷以其換熱效率高的特點能夠解決上述問題，被越來越廣泛地運用。本文將重點介紹浸沒式液冷的換熱效率及節(jié)能潛力。
1.1 浸沒式液冷實驗臺
浸沒式液冷分為單相和兩相兩種類型，單相浸沒式液冷中的液體在使用過程中不涉及相變過程，而兩相浸沒式液冷中的液體會在氣態(tài)和液態(tài)中轉(zhuǎn)變。本研究的對象是兩相浸沒式液冷，實驗搭建了用于測試浸沒式液冷換熱效率的實驗臺。主要儀器設備有箱體、加熱負載、冷凝盤管、風機、水泵、數(shù)據(jù)采集裝置等。實驗臺示意圖如圖1。
實驗臺箱體及內(nèi)部實驗裝置、數(shù)據(jù)采集裝置均放置于室內(nèi)側環(huán)境艙，風機、水泵放置于室外側環(huán)境艙，室內(nèi)側和室外側環(huán)境艙均可用空調(diào)系統(tǒng)精確控制其空氣參數(shù)。室內(nèi)環(huán)境艙中尺寸為0.4m×1m×1.4m的箱體，加熱負載位于箱體內(nèi)中下部，冷凝盤管位于箱體上部。箱體內(nèi)液體能完全浸沒加熱元件。箱體正面、右側面和上表面均有部分區(qū)域用透明材料制成，方便實驗人員觀察箱體內(nèi)實驗情況。
圖2所示為3個模擬服務器的加熱負載，與服務器相比，負載能提供更穩(wěn)定的加熱量。每個負載能提供0~4kW的熱量。負載長100cm，發(fā)熱圓柱體直徑2.5cm，翅片直徑5cm。
1.2 浸沒式液冷實驗方法
風機和水泵位于室外側，設置風機頻率為20Hz，水泵頻率為20Hz。設置風機和水泵頻率均為20Hz是由于實驗配置的風機和水泵容量較大，而頻率可調(diào)范圍為20Hz到50Hz，通過預實驗得到20Hz工況已能滿足實驗穩(wěn)定運行。實驗流程圖如圖3所示。 1）設置室外側環(huán)境的溫度，大約90分鐘后溫度穩(wěn)定。 2）設置負載加熱功率，等待進口水溫、出口水溫等參數(shù)穩(wěn)定，大約30分鐘后溫度穩(wěn)定。 3）記錄數(shù)據(jù)，包括室內(nèi)側溫度、室外側溫度、進水溫度、出水溫度、氣體溫度、液體溫度、風機出風溫度、風機功率、水泵功率、負載功率。每5分鐘記錄一次，共3次。 4）改變負載加熱功率值，重復上述2、3步，如圖3示粗箭頭線。
5）改變室外側溫度，重復上述14步，如圖3示細箭頭線。
上海市日最高溫度大于35℃的炎熱天氣天數(shù)平均每年為7.6天，最高溫可達40.2℃。此次室外側溫度共設置了9個區(qū)間，分別為10、15、20、25、30、33、36、39、42℃，溫度區(qū)間包含上海市最不利天氣。
圖3 實驗流程示意圖
2.1 實驗結果
本實驗記錄了不同室外側溫度下的風機，水泵功率及負載加熱功率。由于風機和水泵均為定頻，其功率處在較小的區(qū)間內(nèi)。風機功率穩(wěn)定在145W，水 泵功率穩(wěn)定在67W。相同室外側溫度下，負載加熱功率由高到低調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.8~3.8kW。
制冷PUE隨負載加熱功率的變化如圖4，可以看出，制冷PUE值在1.05~1.28之間。制冷PUE定義為：
圖4制冷PUE值隨加熱功率、室外側溫度的變化在不同室外側溫度下，制冷 PUE變化趨勢呈現(xiàn)一致性，都是隨負載加熱功率的上升而降低。圖4中制冷PUE最大值為1.270，對應室外側30℃，負載功率0.895kW。最小值為1.056，對應室外側39℃，負載功率3.773kW。
圖5展示了室外側溫度為42℃時，進口水溫、出口水溫、氣體溫度隨加熱功率的變化。隨著負載加熱功率的上升，進口水溫從42.9℃升高到了44.7℃，升高1.8℃。出口水溫從43.9℃升高到52.7℃，升高了8.8℃。而氣體溫度維持在60.5℃不變。由于本實驗臺制冷系統(tǒng)的冷卻能力較大，冷卻水經(jīng)過制冷系統(tǒng)后，能夠被冷卻到和室溫42℃接近的溫度。而加熱功率一直在上升，進出口水溫溫差會和加熱功率成比例上升，故出口水溫溫升更大，進口水溫溫升較小。氣體溫度一直維持在沸點溫度60.5℃。
圖5 室外側溫度42℃時，進口水溫、出口水溫、氣體溫度隨加熱功率的變化
2.2 全年制冷PUE計算
數(shù)據(jù)中心的能耗主要由IT設備能耗，制冷設備能耗，供配電系統(tǒng)能耗，照 明及其他能耗組成，數(shù)據(jù)中心PUE的計算如下式：
關于數(shù)據(jù)中心能耗的構成比例，學者做了大量的調(diào)查與研究。雖然研究結果中各部分占比不盡相同，但能耗構成種類及排序基本相同。根據(jù)文獻[3-7]中數(shù)據(jù)中心的容量以及能耗構成比例可以得出，使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心總能耗中，IT設備能耗占比最高，約為56%。其次是制冷系統(tǒng)能耗，約占34%。再其次是供配電系統(tǒng)能耗，約占7%，其中最主要的是UPS設備的能耗，次之是變壓器設備的能耗。最后是照明及其他能耗，約占3%。這里的其他能耗主要包括：安防設備，消防設備，電梯，傳感器以及數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)的能耗等。綜合了論文中數(shù)據(jù)得出，PUE值為1.786，其中制冷PUE值為1.609。使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心能耗構成如圖6所示。
圖6 使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心全年能耗比例
本文得出的是某一室外側溫度、負載加熱功率下的制冷PUE，評價數(shù)據(jù)中心能源利用效率的指標是全年制冷PUE，因此需要用制冷PUE得出全年制冷PUE，具體公式如下：
式中：下標i代表不同的天氣區(qū)間；PUEi代表在該天氣區(qū)間下的制冷PUE值；ni代表該天氣下的小時數(shù)。
采用上海市氣象文件，將天氣根據(jù)溫度分為8個級別，與實驗數(shù)據(jù)相對應，分別為10、15、20、25、30、33、36、39℃。對應關系如表2：
由式（3）得到上海地區(qū)全年制冷PUE為1.060，遠低于論文中使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心全年制冷PUE-1.609，制冷能耗降低幅度高達90.2%。
3 結論
本文通過對浸沒式液冷實驗臺進行測試，得出以下結論：
1）在不同室外側溫度、相同的發(fā)熱功率下，制冷PUE值基本相同。
2）制冷PUE變化趨勢呈現(xiàn)一致性，都是隨負載加熱功率的上升而降低。圖中制冷PUE最大值為1.270，對應室外側30℃，負載功率0.895kW時。最小值為1.056，對應室外側39℃，負載功率3.773kW。
3）上海市使用浸沒式液冷的數(shù)據(jù)中心其全年制冷PUE為1.060，相比于使用傳統(tǒng)精密空調(diào)的數(shù)據(jù)中心，其制冷系統(tǒng)能耗降低了90.2%。
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來源：數(shù)據(jù)中心基礎設施運營管理
