基于蒸发冷却的数据中心热管背板空调系统研究

陈石鲁 张小松 赵善国

(1 东南大学能源与环境学院 南京 210096;2 江苏海事职业技术学院轮机电气与智能工程学院 南京 211170)

云计算、区块链、5G等信息技术爆发式发展应用,数字化社会信息数据的传输速度和数量迅速增长。数据中心为传递、计算和存储数据的IT应用系统提供安全稳定的运行环境,数据需求急剧加大导致数据中心规模和数量日益扩增[1-3]。过去5年全球超大规模数据中心数量增长一倍多;至2022年中期我国在用数据中心机架总规模达590万标准机架[4]。数据中心扩增带来严重的能耗问题,2020年我国数据中心耗电量突破2 000亿kW·h,约占社会总用电量的2.71%[5],非IT设施中制冷系统能耗占比最大,约达38%[6]。单机柜功率密度增加造成单机热流密度提升,机房散热要求提高,传统房间级空调无法有效制冷散热。因此,数据中心亟需节能高效的制冷系统,面临两大挑战:降低能耗和保障散热冷却,即优化冷源系统和末端设备[7]。

蒸发冷却主要以水为冷却介质,利用“干空气能”,通过水蒸发吸热进行冷却空气或水[8-10]。江亿等[11-12]开发了间接蒸发冷却冷水机组,黄翔等[13-15]研究了风侧、水侧蒸发冷却技术。目前,风侧蒸发冷却在干燥寒冷地区应用较广,水侧蒸发冷却由于产生的冷水温度受气候条件限制,应用受到制约[16-17]。田振武等[18]实测了干燥地区蒸发冷却冷水机组性能变化,分析其运行模式和切换条件。郭志成等[19]在新疆地区设计了复合乙二醇的单、双面进风蒸发冷却冷水机组,测试结果表明双面型制冷效果更好。常健佩等[20]实验测试并对比分析了卧管、立管、板管、露点等间接蒸发冷却器的效率和性能。E. Sofia等[21]探讨了直接蒸发冷却、间接蒸发冷却和联合蒸发冷却三种蒸发冷却方式的研究结果。潘振皓等[22]探索蒸发冷却技术在极端热湿气候中具有1.5～6.4 ℃冷却效益潜力。Xuan Y. M. 等[23]阐述了蒸发冷却的环境影响和节能潜力,分析了水处理、自动控制策略等与蒸发冷却实际应用密切相关因素。

热管背板空调是基于分离式热管的数据机房制冷设备,紧贴机柜后门安装,直接冷却通过机柜的高温排风,适用于高热密度的服务器机房[24-26]。罗铭等[27]研究了热管背板性能受回风温度、风量的影响,提出可提高正常工作背板风量暂时应对部分背板出现故障的极端情况。陈文婷等[28]分析得到背板换热量对过热度和过冷度较敏感,同时受水温、水量等影响。刘莹等[29]分析表明热管背板空调气流组织最优,能够提高机房空间利用率。刘再德等[30]对215个机架改造安装热管背板测试分析,改造后PUE(电能使用效率,power usage effectiveness)由2.32降至1.6。何其振等[31]得出重力热管背板空调采用制冷剂液体从下进,吸热蒸发后制冷剂气体从上出的方式时,整体的制冷效果更好。

现有文献主要针对蒸发冷却技术和热管背板末端分别进行研究,尚无搭建蒸发冷却冷源和热管背板末端的整体数据中心制冷系统研究。本文创新性提出利用间接-直接蒸发冷却冷水机组耦合热管背板空调系统应用于高湿度地区数据中心全年不间断制冷,冷源部分充分利用自然冷源降低能耗,末端贴近热源优化散热。首先介绍系统组成和工作原理,然后进行全工况运行策略和性能分析,结合数学模型和实验测试数据计算系统制冷能力和节能效果,最后通过实验数据分析影响热管背板空调性能的相关因素,为数据中心低碳高效制冷设计提供绿色可行方案。

1 系统原理

基于蒸发冷却的热管背板制冷系统主要分为冷源主机和室内末端部分,如图1所示。冷水机组设计蒸发冷却冷凝器,并增加水-水板式换热器,蒸发冷却填料塔制取的冷却水可用于室外温度较高时开启压缩机制冷循环的冷凝器冷却,也可通过板换预冷或完全冷却室内末端回水,减少压缩机运行功率和运行时间。机房内背板末端低温制冷剂液体从背板底部管道分配进入热管换热器铜管,吸收服务器机柜的热量相变成气体从顶部管道返回CDU(冷量分配单元,coolant distribution unit),与冷源供给冷水换热,冷却为液体依靠重力重复循环。服务器机柜内热空气经过热管背板换热器被制冷剂冷却降温后由背板风机吹出,营造机房内冷环境,冷空气进入机柜吸热循环。

蒸发冷却冷凝器制取冷却水过程如图2所示,填料塔进风两侧设空气-水换热器和立管间接蒸发预冷器,获取更低温度的冷却水。通过填料塔降温的冷却水,大部分用于冷却冷凝器和板式换热器,小部分流入空气-水换热器预冷室外进风,室外空气经过换热器第一次预冷后分开流入立管间接蒸发冷却器管内湿通道和管外干通道,湿通道内空气和喷淋水接触蒸发,间接冷却干通道空气。室外空气第二次预冷后流入填料塔与喷淋水接触直接蒸发冷却,喷淋水温度降低流入填料塔底部循环供水。

2 全工况运行策略及节能分析

GB 50174—2017《数据中心设计规范》[32]要求的机房环境如表1所示,机房内全年24 h制冷,为延长高湿度地区蒸发冷却利用自然冷源时间,结合冷水机组与热管背板的制冷特点,本系统设计3组不同冷源供回水温度研究全工况主机和末端运行可行性和机组性能,分别为10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃、20 ℃/26 ℃。

表1 数据中心设计规范要求

2.1 全工况4种运行模式

对室外空气进行预冷的蒸发冷却冷水机组耦合热管背板空调系统,全工况运行共4种模式,每种模式各关键部件开闭情况如表2所示。

表2 运行4种模式的关键部件开闭状态

模式1:直接蒸发冷却完全自然冷源模式。室外环境温度很低时,室外空气直接与填料喷淋水接触蒸发,制取冷却水满足将背板末端回水降温至要求的供水温度,压缩机制冷循环关闭,该模式仅利用低温室外空气可提供数据中心机房所需全部冷源。当室外气温低于0 ℃时,该模式添加使用乙二醇溶液进行制冷循环,防止冷冻结冰。

模式2:间接-直接蒸发冷却完全自然冷源模式。室外环境温度较低时,开启间接蒸发冷却器,经过二次预冷的室外空气与填料喷淋水接触蒸发制取的冷却水能够完全冷却末端回水达到室内末端换热要求,压缩机制冷循环仍关闭,该模式也可利用室外自然冷源提供机房所需全部冷量。

模式3:间接-直接蒸发冷却部分自然冷源模式。室外环境温度较高时,开启空气-水换热器和立管间接蒸发冷却器,经二次预冷的室外空气与填料喷淋水接触制取冷却水不能完全冷却末端回水至供水温度,但可以一定程度降低回水温度,经过预冷的回水流入蒸发器内通过开启压缩机制冷循环进一步降温至供水温度,压缩机制冷量减小,功率减小。

模式4:压缩机机械制冷模式。室外环境温度很高时,蒸发冷却冷凝器制备冷却水温度等于或高于机房回水温度,开启压缩机制冷循环,冷却水吸收压缩机制冷循环中冷凝器散发的热量。

2.2 开式冷却塔与预冷蒸发冷却制冷效果

传统开式冷却塔冷水机组广泛应用于数据中心,开式冷却塔利用直接蒸发冷却原理,室外空气与喷淋水在填料直接接触,冷却水冷却冷凝器高温高压制冷剂,完成压缩机制冷循环。实验主要测试开式冷却塔的制冷性能,在焓差实验室内安装冷却塔冷水机组,开启压缩机制冷循环模式,测试开式冷却塔在高湿度地区典型室外工况的制冷效果,图3所示为提供不同温度的冷冻水时冷却塔制取冷却水的温度变化。

图3 不同温度冷水机组冷却塔水温测试

目前数据中心冷却塔冷水机组供回水温度设置为7 ℃/12 ℃、10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃的工况较普遍。实验数据表明随着室外空气干球温度从35 ℃逐渐降至11 ℃,相对湿度约为65%,传统冷却塔冷却水的供回水温度均同步降低。调节压缩机制冷量不变,冷却水循环量固定,冷凝温度从约40 ℃降至约26 ℃,压缩机运行功率降低。分析测试数据,冷却水进出水温差范围为1.63～2.27 ℃,且冷却水的供水温度高于空气湿球温度2.13 ℃以上。

使用MATLAB软件参考相关文献模型建立蒸发冷却冷凝器数学模型[33-34],模拟对室外空气预冷的蒸发冷却换热效果,结果如图4所示。室外空气先经过空气-水换热器,与冷却水供水换热预冷,再通过立管间接蒸发冷却二次预冷。预冷后空气湿球温度降低1.06～1.98 ℃,在填料塔与冷却水回水接触直接蒸发冷却,制取冷却水供水温度更低,接近室外空气的湿球温度。冷却水供回水平均温差为4.46 ℃,大于传统冷却塔。

2.3 高湿度地区运行节能分析

蒸发冷却冷水机组耦合热管背板空调系统在高湿度地区应用的可行性及能效分析,关键在于冷水机组制取冷水的温度、自然冷源利用时长。蒸发冷却冷凝器冷却水的极限温度是经过预冷后的空气湿球温度。室外空气先通过空气-水换热器被冷却水减焓降温,然后被立管内空气和喷淋水间接蒸发冷却,此时空气湿度保持不变,干球温度与湿球温度均降低。冷却后的空气从填料塔底部经过填料吸收水膜表面蒸发的水分子,机组回水从填料塔顶部喷淋,填料表面水分子与空气接触,由于温差存在发生显热交换,水蒸气分压力差促使发生潜热交换,回水沿饱和相对湿度曲线降低温度。

湿球温度效率通过式(1)计算,表示二次预冷对室外空气湿球温度的降低程度[13,35]:

(1)

式中:ηIEC,a为蒸发冷却冷凝器室外空气预冷湿球温度效率;twb,a1为室外空气的湿球温度,℃;twb,a2为预冷后空气的湿球温度,℃;tdp,a1为室外空气的露点温度,℃。

蒸发冷却冷凝器淋水填料水侧冷却效率表示淋水填料对回水的冷却效率[13,35],如式(2)所示:

(2)

式中:ηDEC,w为蒸发冷却冷凝器淋水填料水侧冷却效率;tw,h为冷却水回水温度,℃;tw,g为冷却水供水温度,℃。

填料塔风侧冷却效率ηDEC,a,表示预冷后室外空气与喷淋水换热效率[13,35],如式(3)所示:

(3)

由式(1)和式(3)推出蒸发冷却冷凝器的冷却水供水温度表达式:

(4)

根据建模及实验测试,依据不同室外空气参数设定高湿度地区湿球温度效率为62%,淋水填料水侧冷却效率为80%,当背板末端供回水温为10 ℃/16 ℃时,板式换热器处冷却水供水比末端冷冻水供水低1 ℃,室外湿球温度低于8.1 ℃,冷水机组运行直接蒸发冷却完全自然冷源模式,室外气温<0 ℃时,使用乙二醇溶液防冻;8.1 ℃<室外湿球温度≤10.7 ℃时,冷水机组运行模式为间接-直接蒸发冷却完全自然冷源;10.7 ℃<室外湿球温度≤16.7 ℃时,机组运行部分自然冷源模式;当室外湿球温度>16.7 ℃时运行压缩机制冷模式。当末端供回水温为15 ℃/21 ℃时,室外湿球温度≤13.1 ℃,冷水机组运行直接蒸发冷却完全自然冷源模式;室外湿球温度≤21.5 ℃时,冷水机组可利用自然冷源。当末端供回水温为20 ℃/26 ℃时,室外湿球温度≤18.1 ℃,冷水机组运行直接蒸发冷却完全自然冷源模式,室外湿球温度>26.5 ℃,运行压缩机机械制冷模式。

查找气象数据集中南京地区典型年份室外气候数据,分别统计不同供回水温工况下蒸发冷却冷水机组在南京数据中心的运行时间,结果如图5所示。供回水温度为10 ℃/16 ℃时,全年可利用自然冷源的时间占59.9%,完全自然冷源时间占42.6%;供回水温度为15 ℃/21 ℃时,全年可利用自然冷源的时间占77.1%,完全自然冷源时间占57.0%;供回水温度为20 ℃/26 ℃时,全年可利用自然冷源的时间占94.7%,完全自然冷源时间占73.5%。因此对室外空气进行预冷的蒸发冷却冷水机组在高湿度地区数据中心节能效果显著,具有可观的应用前景。

图5 间接-直接蒸发冷却冷水机组全年运行时长统计

3 末端性能实验测试

空调末端的换热特性对机房内环境至关重要,也会影响整个制冷系统能耗,是研究数据中心制冷系统必不可少的一部分,蒸发冷却冷水机组耦合热管背板制冷系统中,影响背板性能的因素包括冷源供回水温度、CDU安装高度差、热管换热器铜管管径、制冷剂充注量和制冷剂种类等,本研究通过实验详细测试了前三项对背板的影响,并分析各因素影响程度。实验选取某品牌额定制冷量为5 kW的热管背板在焓差实验室内模拟数据中心机房环境,进行单一变量对比测试实验,下面详述实验测试数据及分析结果。

3.1 冷源供回水温度

热管背板紧贴机柜换热,在保证机房内环境温度满足要求的前提下,适当提高供回水温度可以提高蒸发冷却冷水机组的能效和延长自然冷源的利用时间,从而降低能耗减小数据中心PUE值。结合蒸发冷却冷水机组的制冷特性及高湿度地区气候条件,设定3组供回水温度进行实验研究,分别为10 ℃/16 ℃,15 ℃/21 ℃,20 ℃/26 ℃。室内回风干球温度为35 ℃,热管背板测试机1、2制冷剂R410A充注量、风机转速、CDU安装高差等参数均保持一致,并排安装在实验室内,测试两组背板在不同供回水温的性能参数以获取准确的实验数据。图6所示为测试机1、2在3组不同供回水温的制冷量和性能系数(性能系数为设备制冷量与输入功率的比值,热管背板末端输入功率为风机总功率)、风量和送风温度。

图6 不同供回水温度对热管背板换热性能的影响

风机转速设定不变,风量变化很小,随着供回水温10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃、20 ℃/26 ℃依次提高,制冷量和性能系数明显降低,测试机1的制冷量由7.75 kW减小25.21%、55.11%,测试机2制冷量由7.84 kW减小29.84%、57.30%,20 ℃/26 ℃工况下制冷量低于额定制冷量。同时送风温度明显升高,10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃工况满足机房送风温度要求,20 ℃/26 ℃工况下送风温度已高达28.12 ℃。由此可知,冷源供回水对热管背板末端制冷性能影响显著,10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃的供回水既能够延长蒸发冷却自然冷源利用时长又能够满足机房内环境温度要求;20 ℃/26 ℃供回水可用于机房部分负载工作未达到满负荷的工况,延长蒸发冷却自然冷源利用时长。

3.2 CDU安装高差

重力型热管背板制冷剂依靠自身重力完成蒸发冷凝循环,热管背板换热器与CDU安装需要满足一定的高度差,理论上安装高度差越大循环动力越大,数据中心机房高度有限,安装高度会影响管路布置,实际工程中安装高差通常大于800 mm,本研究通过实验测试高度差对热管背板换热性能的影响,实验结果如图7所示。

图7 不同CDU高度差对热管背板换热性能的影响

实验设置4种高度差:300、500、700、900 mm,室内回风温度为35 ℃,测试机1冷源供回水温为10 ℃/16 ℃,测试机2供回水温为15 ℃/21 ℃,其他配置保持一致,风机转速不变。测试数据显示,安装高差从300 mm增至900 mm,两台背板的制冷量和性能系数随高度差的增大有小幅提升,制冷量增幅不超过5%,均满足额定制冷量要求;送风风量几乎不变,送风温度随高差增大略有下降,降幅不大于2%,均满足送风温度要求。

实验测试其他机组在相同工况下仍满足上述变化规律,实验还发现300 mm高差热管背板启动相对困难,说明300 mm高差已经满足单台热管背板制冷剂循环动力要求,CDU与热管背板安装高差仅需满足制冷剂循环的动力要求,对热管背板的性能影响较小,在安装条件允许下适当加大高差有利于热管背板快速启动,且可以小幅提高换热性能。实际工程应用中,机房内多台热管背板并联供液和回气管道,多台背板回气管路在同一CDU冷凝换热,因此对CDU安装高度差要求会更高,高差对多台并联使用的热管背板性能影响更大。

3.3 换热器铜管管径

热管背板换热器为铜管铝翅片形式,铜管管径变化会改变制冷剂流态和换热特性,从而影响整个背板换热性能,实验研究两组铜管铝翅片换热器螺纹铜管的尺寸分别为Φ7 mm×0.25 mm×0.1 mm,Φ5 mm×0.2 mm×0.15 mm,管长均为1 700 mm;其他参数均保持一致:开窗翅片长为380 mm,宽为33 mm,片距为1.8 mm。图8所示为不同换热器管径对热管背板换热性能的影响,对比了两组铜管管径的热管背板在不同供回水温工况下的制冷量、性能系数、风量和送风温度等参数。

实验数据表明5 mm管径换热器换热性能整体优于7 mm管径。在相同工况下,5 mm管径的换热器背板制冷量和性能系数大于7 mm管径,供回水温10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃、20 ℃/26 ℃依次变化,5 mm管径的换热器背板制冷量相比7 mm管径分别增加13.87%、12.46%、8.46%。同时,5 mm管径背板风量相比7 mm提高约16%,送风温度变化不显著。风机转速不变的情况下,换热器铜管管径减小管道数量并未变化,因此增加换热器的通风面积减小送风阻力,导致风量增大,制冷效果提升。

4 结论

本文通过数学模型和实验测试研究了应用于高湿度地区数据中心的基于蒸发冷却的热管背板空调系统,得到如下结论:

1)间接-直接蒸发冷却冷水机组在高湿度地区的节能潜力很大。与传统开式冷却塔相比,对室外空气预冷的蒸发冷却冷凝器能够制取温度更低的冷却水;间接-直接蒸发冷却冷水机组全年4种运行模式不间断制冷,以南京为例,供回水温度为10 ℃/16 ℃时,全年可利用自然冷源的时间占59.9%,完全自然冷源时间占42.6%;供回水温度提高,可利用自然冷源的时间延长。

2)蒸发冷却冷水机组耦合热管背板系统适用于数据中心制冷。热管背板制冷量和性能系数随冷水机组供水温度的提高显著降低,10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃的供回水温既能够延长蒸发冷却自然冷源利用时长又能够满足机房内环境温度要求;CDU与热管背板安装高差300、500、700、900 mm,单台背板的制冷量和性能系数随高度差增大有小幅提升,均满足额定制冷量要求;5 mm管径的换热器背板换热性能整体优于7 mm管径的热管背板。

综上所述,间接-直接蒸发冷却冷水机组耦合热管背板空调系统可在高湿度地区推广使用,为数据中心提供节能高效的制冷方案。同时,蒸发冷却冷凝器风侧冷却效率、水侧冷却效率及影响因素等需要进一步研究分析;数据中心机房内热管背板热负荷与冷水机组制冷能力、蒸发冷却冷凝器换热能力等匹配特性也需要进一步研究。