数据中心双通道致冷系统换热特性分析

陈 晨， 朱健能

数据中心双通道致冷系统换热特性分析

陈 晨， 朱健能

（广东安耐智节能科技有限公司，广东 广州 510000）

针对数据中心双通道致冷系统进行换热特性分析，首先以传热学的傅里叶定律为出发点，理论论证数据中心双通道致冷系统的可行性。通过设置两个试验进行测试，分析双通道致冷系统得出以下两个换热特性：接触式致冷系统换热量随着内循环供水温度降低而升高；非接触式致冷系统能耗随着行间空调出风温度升高而降低。

数据中心； 双通道致冷系统； 水冷； 热管； 服务器

0 引言

近十年来随着国家信息化水平的不断提高，数据中心的服务器功耗增加了约15倍，从过去单机架功耗为2-3kW到现在单机架功率高达20-30kW。随着信息行业的飞速发展，机房建设速度增快，机房数量大幅增加，其耗电量和散热密度也不断增加。数据中心的高功率密度化对空调系统的制冷及机房散热提出了更高的要求，传统机房空调存在着能耗高，机房局部热点等问题，已经难以满足数据中心机房高密度散热的需求[1]。

双通道致冷系统有效的解决了机房局部过热和机房高密度的问题，通过建立“液冷为主、风冷为辅”的双通道致冷系统。构建一种低热阻高效率导热通道，直接针对服务器芯片级热源制冷，实现大部分热量高效传导、自然冷却，大幅减少制冷系统能耗，可应用于新一代高密度数据中心。

1 双通道致冷系统原理

针对数据中心传统致冷系统的高能耗弊端，提出一种“去空调”思路，建立一种低热阻的高效致冷通道，减少使用、甚至去除冷水机组等高能耗设备，从而达到降低致冷系统能耗的目的。其理论依据为传热学的傅里叶基础定律[2]：

Q=ΔT/R式中 Q—热流，W；

R—通道的热阻，℃/W；

ΔT—冷热源之间的温度之差，℃。根据公式可得，为了排走某一定量的发热量Q，若能使致冷通道的热阻降低，则需要的冷热源温差就越小，这样就降低了对集热媒介的温度要求；当温度要求降低到一定程度时，即可无需压缩机等高能耗设备来制备中温冷水、进而降低致冷能耗。

在具体实现上，建立以“接触式致冷系统”为主，“非接触式致冷系统”为辅的一种“双通道致冷系统”方

案[3]。

接触式致冷系统：第一步、热管水冷模块的内端与服务器直接接触，将占服务器发热量为65%的CPU发热量通过热管传递到外端；第二步、内循环纯水传导系统内，纯水在水泵驱动作用下流动，将热管水冷模块外端上吸收的热量不断传导至板式换热器；第三步、外循环冷却水散热系统内，水通过板式换热器吸收内循环纯水的热量，在水泵驱动作用下再将热量携带至冷却塔自然冷却散发。接触式致冷系统原理图如图1所示。

非接触式致冷系统：第一步、将机房中服务器CPU除外的占服务器35%的发热量由服务器内部传递给行间空调；第二步、行间空调通过冷冻水循环将热量传递给冷水机组；第三步、热量再由冷水机组通过冷却水循环通过冷却塔散发到环境中。

2 试验测试分析

选取一个应用双通道致冷系统的微模块数据中心机房，对微模块中五个服务器机柜进行测试，每个机柜摆放15台服务器，单机柜功率为6kW，服务器功率400W，每个服务器有两个CPU，单个CPU热功耗为100W。微模块中接触式系统液冷总换热量45kW，非接触式系统总制冷量为60kW。本次试验主要针对数据中心双通道致冷系统的实际应用，考虑微模块机房实际运行可能遇到的各种问题，根据这些问题设置相应的试验方案。

2.1 液冷内循环供水温度变化测试

接触式液冷系统所提供的冷量与服务器CPU散热量保持动态平衡，同时在不同季节情况下，室外的自然环境变化会导致冷却塔出水温度改变，内循环供水温度会相应出现变化，内循环供水温度变化相应的会影响服务器CPU的温度情况。

图1 接触式致冷系统原理图

表1 内循环供水温度变化情况下服务器运行情况

为了模拟这种情况，在此试验中，保持内循环供水流量为3m3/h（每个机柜流量为0.6m3/h），服务器负载率为100%，行间空调出风温度设定27℃。通过调节内循环供水温度在28-36℃范围内变化，测试结果见表1：当内循环供水温度逐渐升高时，服务器CPU运行温度也随之稳定升高，热管水冷模块连接CPU和水冷板，热管会根据两端的工况自行调节，CPU和水冷板中水之间的温差基本在20℃左右；当内循环供水温度过高时，水冷板也会向微模块散热，导致环境温度有所提升，服务器内部元件温度有所提升，所以接触式系统带走的热量会相应减少，非接触式系统带走的热量相对增加，接触式和非接触式系统带走的热量总和基本不变。

内循环供水温度28℃时，服务器CPU运行温度为47.2℃，接触式系统带走热量为14.47kW，内循环供水温度32℃时，服务器CPU运行温度为51.38℃，接触式系统带走热量为14.19kW，当内循环供水温度36℃时，服务器CPU运行温度为55.25℃，接触式系统带走热量为13.87kw。反推可知，服务器CPU运行温度在60℃时，内循环供水温度只要低于40℃即可，同时内循环供水温度越低，接触式致冷系统带走的热量越多。因此，双通道致冷系统在运行时，根据不同季节调整内循环供水温度值，确保整个系统运行更加节能。

2.2 行间空调出风温度变化测试

服务器的热量通过两种途径散出：封闭空间的空气循环和热传导系统的水循环组成的“双通道”，其中封闭空间的冷量由行间空调提供。服务器CPU的发热量被接触式致冷系统功能带走，服务器中除CPU之外其他元件散热量都需要被非接触式致冷系统利用行间空调带走。服务器的负载实际运行时会发生变化，会导致行间空调的运行工况时时发生变化。

为了模拟这种情况，在此试验中，保持内循环供水温度设定为28℃、内循环供水流量为3m3/h（每个机柜流量为0.6m3/h），服务器负载率为100%。调节行间空调温度在23-29℃范围内变化，测试结果见表2：当行间空调送风温度逐渐升高6℃时，服务器中内存、PCH板和raid卡温度随之升高1.5℃左右，服务器中CPU温度基本不变。这是因为服务器中内存、PCH板和raid卡通过行间空调降温，CPU通过接触式致冷系统降温。同时，在服务器满足运行情况下，行间空调耗电量随着行间空调出风温度提高而降低，因为行间空调出风温度提高，行间空调换热效率提高，所以行间空调耗电量下降，双通道致冷系统的数据中心PUE更低。

表2 行间空调出风温度变化情况下的服务器运行情况

测试结果发现：在数据中心相同运行情况下，行间空调出风温度越低，空调冷量消耗浪费的冷量越多，提高空调出风温度有利于液冷系统整体PUE降低；双通道致冷系统有效的解决了CPU高发热量的问题，行间空调出风温度在29℃内提高，对服务器CPU温度影响不大，不会对服务器性能产生较大影响。

3 结语

通过理论计算以及试验分析，可得出以下结论：

（1）接触式致冷系统能够高效带走服务器CPU热量，内循环供水温度小于40℃情况下，CPU运行温度能够稳定在60℃以下。内循环供水温度越低，服务器CPU运行温度越低，服务器性能更好；

（2）双通道致冷系统中，行间空调出风温度可以适当提高，并且行间空调出风温度越高，行间空调能耗越低，双通道致冷系统更节能。

[1]陈文婷，陈华，谢春辉，等.数据中心背板空调换热特性分析[J].制冷与空调，2015，15（1）:27-30.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社，2006:211.

[3]林湧双，丘文博.数据中心节能致冷技术研究与试验[J].电信科学，2014（8）:106-111.

Analysis of Heat Transfer Characteristics of Double-channels-cooling System in Data Center

CHEN Chen，ZHU Jian-neng
（Guangdong Energy Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

According to the analysis of heat transfer characteristics of the data center dual channel cooling system,the feasibility of the data center dual channel cooling system is demonstrated based on the Fourier law of heat transfer.Two experiments were carried out to analyze the two heat transfer characteristics of the dualchannel cooling system:the heat exchange rate of the contact cooling system increases with the decrease of the inner circulating water supply temperature.The energy consumption of non-contact cooling system decreases with the increase of air temperature.

data center； double-channels-cooling system； water-cooling； heat pipe； server

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.019

TP308

B

2095-3429（2017）04-0089-03

陈 晨（1991-），男，江西抚州人，工程师，研究方向：IDC节能；

朱健能（1987-），男，广东江门人，工程师，研究方向：IDC节能。

2017-06-15

修回日期：2017-07-10