专题丨基于相变冷却技术的数据中心新型制冷方案研究
作者简介
雒志明
百度系统部资深系统工程师，主要从事数据中心技术规划、新技术研发及项目管理等研究工作。
张炳华
百度系统部总经理，长期从事数据中心和网络方向战略制定、技术和产品规划、前沿技术演进发展等研究工作。
论文引用格式
雒志明, 张炳华. 基于相变冷却技术的数据中心新型制冷方案研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(4):38-42.
基于相变冷却技术的数据中心新型制冷方案研究
雒志明 张炳华
（百度系统部，北京 100085）
摘要：从基础理论出发，构建出一套从机柜到室外环境的相变换热制冷循环系统，使用制冷剂气泵、制冷剂液泵、蒸发冷凝及重力热管等技术，高效地将服务器散发的热量搬运到室外环境中，整个过程没有中间换热环节，将蒸发温度和冷凝温度的差值做到最小。试验测试结果表明，在全国核心城市数据中心应用此套制冷方案，全年平均能效比达到20以上。同时，该系统还具有峰值能效高、适用性、兼容性等优势，进一步降低数据中心的建设和运行成本。
关键词：数据中心；相变冷却；自然冷却；能效
中图分类号：TP393 文献标识码：A
引用格式：雒志明, 张炳华. 基于相变冷却技术的数据中心新型制冷方案研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(4):38-42.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.04.007
0 引言
2020年3月，中共中央政治局常务委员会提出了“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”的要求[1-2]。数据中心首次被明确纳入到了新型基础设施的概念中，受到了社会各界的高度重视。鉴于数据中心一直被能耗过大等环境议题所困扰，在加快数据中心建设进度的同时，需秉持绿色化发展原则已经成为了全社会的共识。在保证数据中心机房IT设备安全、高性能运行的前提下，综合利用各种节能手段，提高数据中心的能源利用效率，节能减排已成为新型数据中心基础设施追求的目标之一[3-4]。在传统数据中心中，制冷系统能耗约占数据中心总能耗的40%左右，能源耗费严重，如何降低数据中心制冷系统的能耗对于新型数据中心发展来说至关重要。本文从数据中心制冷系统基础理论分析入手，构建出一套高效相变冷却循环系统，在全国典型城市落地应用后，其全年均值能效在20以上，为数据中心制冷系统提供高效解决方案。
1 制冷系统基础理论分析
数据中心制冷系统的作用是将服务器散发出来的热量搬运到自然环境中以维持服务器要求的运行温度条件，其中可将整个制冷系统等效为“源”“管”“端”三部分，“源”侧的主要作用是提供整套制冷系统的冷源，不断为数据中心发热元器件提供制冷保证；“管”侧的主要作用是负责冷热源间的热量输配，保证整套制冷循环可实现；“端”侧的主要作用是通过换热器与热源进行换热，将散发热量的服务器进行冷却以维持其正常运行温度环境，服务器散发的热量被换出至末端设备后再通过管侧设备将热量输配至冷源侧，由冷源设备对其进行制冷降温，由此形成制冷循环系统。基于此，本文从暖通基础理论出发，分别对“源”“管”“端”进行深入理论分析，以便得到整套制冷系统的能效优化方向。
1.1 “源”侧分析
在数据中心的应用案例中，绝大部分制冷系统均采用蒸汽压缩制冷循环系统，也有少部分采用吸收式制冷循环系统。考虑到普适性，本次以蒸汽压缩制冷循环系统进行分析切入，以明确“源”侧运行能效的优化方向。图1为理想状态下蒸气压缩制冷循环的温熵图[5]。其中，4→1为等温蒸发过程,在蒸发器中实现；1→2为绝热压缩过程，在气泵中实现；2→3为等温冷凝过程，在冷凝器中实现；3→4为绝热节流过程，在节流元件中实现；整个循环过程的蒸发温度为T1，冷凝温度为T2，循环过程气泵的耗功量为W，其中1、2、3、4状态点在T-S图上所组成的面积即为气泵的耗功量。对于理想状态蒸汽压缩制冷循环来说，其制冷循环效率COP = T1/(T2-T1)，通过温熵图和能效计算公式可得：如果想将蒸汽压缩制冷循环系统的能效COP做到最大，需要将整个循环过程蒸发温度和冷凝温度的差值做到最小。而在蒸汽压缩制冷循环过程中，冷凝温度随室外气象参数变化，以北京地区典型气象年气象数据为参考，全年湿球温度要平均低于干球温度4.3℃，极端湿球温度较极端干球温度低10.9℃；蒸发温度是由蒸发器侧的换热面积决定的，而由于机房物理空间的限制，背板的换热末端能够将蒸发器的换热面积做到最大，蒸发温度做到最高。通过以上对理想状态蒸汽压缩制冷循环的分析可知，“源”侧能效优化需要利用相关措施最大限度地缩小蒸发温度和冷凝温度之间的温度差值。
1.2 “管”侧分析在数据中心制冷系统中，“管”所起的作用是输配冷量和热量，让整个循环系统得以正常运行。在冷量和热量输配的过程中，其冷量和热量需要借助载冷工质以将冷量和热量输配到末端和冷源。目前，常用的载冷工质主要有空气、水和冷媒，空气和水主要采用显热换热，冷媒则主要为潜热换热；在相同输配距离和输配冷量的前提下，“管”的功耗和输配流体的体积流量直接相关，而体积流量则和单位体积载冷能力直接相关。如表1所示，由于不同介质的换热特性、比热容、密度以及设计经济换热温差不同，对空气、水和冷媒（以25℃ R134a为例）进行对标分析，单位体积换热工质载冷能力比值为：R134a∶水∶空气=214846∶25140∶17，即R134a∶空气=13116∶1、R134a∶水=8.5∶1。在相同物理距离的基础上，同样输配350 kW的冷量，对比分析冷冻水系统的水泵功耗和采用R134a 为换热工质的冷媒相变系统制冷剂泵的功耗比约为水泵功∶制冷剂泵功率=10∶1。通过以上对输配系统的分析可知，“管”侧能效优化需要最大限度地减小输配工质的体积流量，即选取载冷能力更大的载冷工质。表1 不同工质载冷能力分析
1.3 “端”侧分析在数据中心制冷系统中，“端”所起的作用是和室内热源进行热量交换，达到热源温度控制的目的，但空调末端和热源之间仍存在物理距离，物理距离的大小会直接影响末端空调所需要的机外余压，在相同制冷流量下，物理距离越远需要的末端空调风机功耗越大；另外，由于末端空调部署的物理空间约束，末端换热器的部署面积也会受到影响，末端空调换热面积越大，出风温度和输配介质的温差就可以越小，其配置介质的输入温度就可以更高。如表2所示，对风墙末端、列间空调和背板末端3种方案进行分析，背板换热末端既能在有限的物理空间内实现换热面积最大化，又能将末端空调和发热源的物理距离缩小至最小，所需机外余压和换热温差最小。通过以上对末端换热系统的分析可知，“端”侧能效优化需要最大限度地减小末端空调与热源的物理距离，并需最大限度地增大末端空调的换热面积。通过将数据中心制冷系统按功能形式拆分，并通过对制冷系统“源”“管”“端”的能效优化方向分析可知，高效的数据中心制冷系统需要具备以下技术特点。表2 不同末端型式换热温差对标分析
（1）换热损失小：从系统组成的角度看，高效制冷系统需尽量减小中间换热损失，甚至是无中间换热环节。
（2）低冷凝温度：冷凝温度与室外环境条件和冷凝设备选型有关，高效制冷系统需尽量利用环境更低的湿球温度进行冷凝换热，并在可行的范围内加大冷凝设备的换热面积。
（3）高蒸发温度：蒸发温度由服务器进风温度要求和末端换热器面积及中间换热损失有关，而服务器进风温度在设计之初已经确定，高效的制冷系统需在可行的范围内尽量增大蒸发设备的换热面积。
（4）载冷能力高的载冷剂：输配环节的功耗和输配工质的体积流量有关，高效的制冷系统需在可行的范围内尽量选择单位体积载冷能力更强的载冷工质。
（5）就近冷却：末端换热设备的功耗和末端设备与发热源的物理距离有关，高效的制冷系统需在可行的范围内尽量缩短末端与服务器的物理距离。
2 制冷系统搭建
鉴于以上理论分析，以制冷剂气泵、制冷剂液泵、蒸发冷凝器和背板末端蒸发器以及相关管路阀件等硬件搭建成一套数据中心高能效制冷系统，整套系统的部件组成如图2所示。
（1）系统介绍：整套制冷系统只有一个循环，无任何中间换热环节，最大限度地减小换热损失。
（2）蒸发冷凝器：利用蒸发冷凝技术，将冷凝器内冷凝温度由干球温度降到湿球温度，缩小气泵的压缩功耗。
（3）制冷剂气泵：采取无油离心气泵，摆脱因为润滑油回油问题导致的部署限制并实现数据中心场景下的全工况低压比运行，是整套循环系统得以运行的核心设备。
（4）制冷剂液泵：利用液泵技术，支持过渡季节和冬季的液泵自然冷却运行，减少气泵的开始时长。
（5）背板末端：利用就近冷却和最大限度地扩大换热面积，将蒸发温度提到最大的同时，最小化末端的换热能耗。
（6）载冷剂：如表3所示，综合运行压力、安全性及成本选择R134a。表3 不同制冷剂分析对标
3 试验测试
高效的数据中心制冷系统搭建后，其能效水平需通过焓差实验室进行工况模拟验证，鉴于单一焓差实验室只能模拟一种环境工况，而整套制冷系统工况测试既要保证室外环境参数又要保证室内环境参数，所以利用水氟换热器替代蒸发器和冷凝器，分别测试“源” +“管”和“端”的稳定工况能效数据（见图3）。在测试“源”+“管”的能效数据时，用水氟换热器替代背板末端作为蒸发器，利用实验室外侧冷冻水系统调节得到测试的蒸发温度，而焓差实验室则用于模拟室外环境参数，按此测试出相应模拟工况下“源”+“管”部分的能效；在测试“端”的能效数据时，用水氟换热器替代蒸发冷凝器，利用实验室外侧冷冻水系统调节得到测试的冷凝温度，而焓差实验室则用于模拟室内环境参数，按此测试出相应模拟工况下“端”部分的能效。在得到多种工况下的焓差测试数据后，对我国华北、华东、华南和西部典型城市全年均值能效和峰值能效（极端湿球温度下的最低COP）进行计算，背板方案在5个核心城市的均值COP均高于20，峰值COP高于7.5，在降低运行费用的同时提高机柜部署数量，详细数据参见表4。
表4 29℃工况下不同末端方案均值/峰值COP计算
4 结束语
以提高数据中心制冷系统能效水平为目标，构建了一套基于相变冷却的数据中心新型制冷系统。焓差试验数据和理论分析表明，该相变冷却系统具有较好的均值/峰值能效，较强的适用性和经济性，并对未来技术方案具备兼容性。后续工作重点是进行数据中心层面的推广落地应用，通过系统的工况设计、运行控制和测试分析，深入论证其可行性和经济性，有针对性地作出改进和优化，为未来高速建设的数据中心提供高能效制冷系统解决方案。
参考文献
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A new method of data center cooling system based on phase change technology
LUO Zhiming, ZHANG Binghua
(Baidu, Beijing 100085, China)
Abstract: Based on the basic theory, a phase change refrigeration cycle system from cabinet to outdoor environment is constructed, which uses gas pump, liquid pump, evaporation condensation, gravity heat pipe technology and so on. This system can transport the heat from the server to the outdoor environment efficiently and there is no intermediate heat exchange in the whole process. Therefore, this system can minimize the difference between evaporation temperature and condensation temperature. The test results show that the cooling system annual average energy efficiency ratio can be above 20 when it is used in the national core city data center. At the same time, the system also has the advantages of high peak energy efficiency, applicability and compatibility, which further reduces the construction and operation costs of the data center.Keywords: data center; phase change cooling; natural cooling; energy efficiency
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第4期
主办：中国信息通信研究院
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