基于相變冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中心新型制冷方案研究

雒志明 張炳華

(百度系統(tǒng)部，北京 100085)

0 引言

2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)提出了“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度”的要求[1-2]。數(shù)據(jù)中心首次被明確納入到了新型基礎(chǔ)設(shè)施的概念中，受到了社會(huì)各界的高度重視。鑒于數(shù)據(jù)中心一直被能耗過大等環(huán)境議題所困擾，在加快數(shù)據(jù)中心建設(shè)進(jìn)度的同時(shí)，需秉持綠色化發(fā)展原則已經(jīng)成為了全社會(huì)的共識(shí)。在保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房IT設(shè)備安全、高性能運(yùn)行的前提下，綜合利用各種節(jié)能手段，提高數(shù)據(jù)中心的能源利用效率，節(jié)能減排已成為新型數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施追求的目標(biāo)之一[3-4]。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，制冷系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右，能源耗費(fèi)嚴(yán)重，如何降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能耗對(duì)于新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展來說至關(guān)重要。本文從數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)理論分析入手，構(gòu)建出一套高效相變冷卻循環(huán)系統(tǒng)，在全國(guó)典型城市落地應(yīng)用后，其全年均值能效在20以上，為數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)提供高效解決方案。

1 制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)理論分析

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的作用是將服務(wù)器散發(fā)出來的熱量搬運(yùn)到自然環(huán)境中以維持服務(wù)器要求的運(yùn)行溫度條件，其中可將整個(gè)制冷系統(tǒng)等效為“源”“管”“端”三部分，“源”側(cè)的主要作用是提供整套制冷系統(tǒng)的冷源，不斷為數(shù)據(jù)中心發(fā)熱元器件提供制冷保證；“管”側(cè)的主要作用是負(fù)責(zé)冷熱源間的熱量輸配，保證整套制冷循環(huán)可實(shí)現(xiàn)；“端”側(cè)的主要作用是通過換熱器與熱源進(jìn)行換熱，將散發(fā)熱量的服務(wù)器進(jìn)行冷卻以維持其正常運(yùn)行溫度環(huán)境，服務(wù)器散發(fā)的熱量被換出至末端設(shè)備后再通過管側(cè)設(shè)備將熱量輸配至冷源側(cè)，由冷源設(shè)備對(duì)其進(jìn)行制冷降溫，由此形成制冷循環(huán)系統(tǒng)?；诖耍疚膹呐ɑA(chǔ)理論出發(fā)，分別對(duì)“源”“管”“端”進(jìn)行深入理論分析，以便得到整套制冷系統(tǒng)的能效優(yōu)化方向。

1.1 “源”側(cè)分析

在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用案例中，絕大部分制冷系統(tǒng)均采用蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)，也有少部分采用吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)?？紤]到普適性，本次以蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析切入，以明確“源”側(cè)運(yùn)行能效的優(yōu)化方向。

圖1為理想狀態(tài)下蒸氣壓縮制冷循環(huán)的溫熵圖[5]。其中，4→1為等溫蒸發(fā)過程，在蒸發(fā)器中實(shí)現(xiàn)；1→2為絕熱壓縮過程，在氣泵中實(shí)現(xiàn)；2→3為等溫冷凝過程，在冷凝器中實(shí)現(xiàn)；3→4為絕熱節(jié)流過程，在節(jié)流元件中實(shí)現(xiàn)；整個(gè)循環(huán)過程的蒸發(fā)溫度為T1，冷凝溫度為T2，循環(huán)過程氣泵的耗功量為W，其中1234狀態(tài)點(diǎn)在T-S圖上所組成的面積即為氣泵的耗功量。對(duì)于理想狀態(tài)蒸汽壓縮制冷循環(huán)來說，其制冷循環(huán)效率COP=T1/(T2-T1)，通過溫熵圖和能效計(jì)算公式可得：如果想將蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的能效COP做到最大，需要將整個(gè)循環(huán)過程蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的差值做到最小。而在蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程中，冷凝溫度隨室外氣象參數(shù)變化，以北京地區(qū)典型氣象年氣象數(shù)據(jù)為參考，全年濕球溫度要平均低于干球溫度4.3℃，極端濕球溫度較極端干球溫度低10.9℃；蒸發(fā)溫度是由蒸發(fā)器側(cè)的換熱面積決定的，而由于機(jī)房物理空間的限制，背板的換熱末端能夠?qū)⒄舭l(fā)器的換熱面積做到最大，蒸發(fā)溫度做到最高。通過以上對(duì)理想狀態(tài)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的分析可知，“源”側(cè)能效優(yōu)化需要利用相關(guān)措施最大限度的縮小蒸發(fā)溫度和冷凝溫度之間的溫度差值。

圖1 理想工況蒸汽壓縮制冷循環(huán)T-S圖

1.2 “管”側(cè)分析

在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中，“管”所起的作用是輸配冷量和熱量，讓整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)得以正常運(yùn)行。在冷量和熱量輸配的過程中，其冷量和熱量需要借助載冷工質(zhì)以將冷量和熱量輸配到末端和冷源。目前，常用的載冷工質(zhì)主要有空氣、水和冷媒，空氣和水主要采用顯熱換熱，冷媒則主要為潛熱換熱；在相同輸配距離和輸配冷量的前提下，“管”的功耗和輸配流體的體積流量直接相關(guān)，而體積流量則和單位體積載冷能力直接相關(guān)。如表1所示，由于不同介質(zhì)的換熱特性、比熱容、密度以及設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)換熱溫差不同，對(duì)空氣、水和冷媒(以25℃ R134a為例)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，單位體積換熱工質(zhì)載冷能力比值為：R134a∶水∶空氣=214846∶25140∶17，即R134a∶空氣=13116∶1、R134a∶水=8.5∶1。在相同物理距離的基礎(chǔ)上，同樣輸配350 kw的冷量，對(duì)比分析冷凍水系統(tǒng)的水泵功耗和采用R134a為換熱工質(zhì)的冷媒相變系統(tǒng)制冷劑泵的功耗比約為水泵功∶制冷劑泵功率=10∶1。通過以上對(duì)輸配系統(tǒng)的分析可知，“管”側(cè)能效優(yōu)化需要最大限度地減小輸配工質(zhì)的體積流量，即選取載冷能力更大的載冷工質(zhì)。

表1 不同工質(zhì)載冷能力分析

1.3 “端”側(cè)分析

在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中，“端”所起的作用是和室內(nèi)熱源進(jìn)行熱量交換，達(dá)到熱源溫度控制的目的，但空調(diào)末端和熱源之間仍存在物理距離，物理距離的大小會(huì)直接影響末端空調(diào)所需要的機(jī)外余壓，在相同制冷流量下，物理距離越遠(yuǎn)需要的末端空調(diào)風(fēng)機(jī)功耗越大；另外，由于末端空調(diào)部署的物理空間約束，末端換熱器的部署面積也會(huì)受到影響，末端空調(diào)換熱面積越大，出風(fēng)溫度和輸配介質(zhì)的溫差就可以越小，其配置介質(zhì)的輸入溫度就可以更高。如表2所示，對(duì)風(fēng)墻末端、列間空調(diào)和背板末端3種方案進(jìn)行分析，背板換熱末端既能在有限的物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)換熱面積最大化，又能將末端空調(diào)和發(fā)熱源的物理距離縮小至最小，所需機(jī)外余壓和換熱溫差最小。通過以上對(duì)末端換熱系統(tǒng)的分析可知，“端”側(cè)能效優(yōu)化需要最大限度地減小末端空調(diào)與熱源的物理距離，并需最大限度地增大末端空調(diào)的換熱面積。

通過將數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)按功能形式拆分，并通過對(duì)制冷系統(tǒng)“源”“管”“端”的能效優(yōu)化方向分析可知，高效的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)需要具備以下技術(shù)特點(diǎn)。

表2 不同末端型式換熱溫差對(duì)標(biāo)分析

(1)換熱損失?。簭南到y(tǒng)組成的角度看，高效制冷系統(tǒng)需盡量減小中間換熱損失，甚至是無(wú)中間換熱環(huán)節(jié)。

(2)低冷凝溫度：冷凝溫度與室外環(huán)境條件和冷凝設(shè)備選型有關(guān)，高效制冷系統(tǒng)需盡量利用環(huán)境更低的濕球溫度進(jìn)行冷凝換熱，并在可行的范圍內(nèi)加大冷凝設(shè)備的換熱面積。

圖2 新型制冷方案部件系統(tǒng)圖

(3)高蒸發(fā)溫度：蒸發(fā)溫度由服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度要求和末端換熱器面積及中間換熱損失有關(guān)，而服務(wù)器進(jìn)風(fēng)溫度在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)確定，高效的制冷系統(tǒng)需在可行的范圍內(nèi)盡量增大蒸發(fā)設(shè)備的換熱面積。

(4)載冷能力高的載冷劑：輸配環(huán)節(jié)的功耗和輸配工質(zhì)的體積流量有關(guān)，高效的制冷系統(tǒng)需在可行的范圍內(nèi)盡量選擇單位體積載冷能力更強(qiáng)的載冷工質(zhì)。

(5)就近冷卻：末端換熱設(shè)備的功耗和末端設(shè)備與發(fā)熱源的物理距離有關(guān)，高效的制冷系統(tǒng)需在可行的范圍內(nèi)盡量縮短末端與服務(wù)器的物理距離。

2 制冷系統(tǒng)搭建

鑒于以上理論分析，以制冷劑氣泵、制冷劑液泵、蒸發(fā)冷凝器和背板末端蒸發(fā)器以及相關(guān)管路閥件等硬件搭建成一套數(shù)據(jù)中心高能效制冷系統(tǒng)，整套系統(tǒng)的部件組成如圖2所示。

(1)系統(tǒng)介紹：整套制冷系統(tǒng)只有一個(gè)循環(huán)，無(wú)任何中間換熱環(huán)節(jié)，最大限度地減小換熱損失。

(2)蒸發(fā)冷凝器：利用蒸發(fā)冷凝技術(shù)，將冷凝器內(nèi)冷凝溫度由干球溫度降到濕球溫度，縮小氣泵的壓縮功耗。

(3)制冷劑氣泵：采取無(wú)油離心氣泵，擺脫因?yàn)闈?rùn)滑油回油問題導(dǎo)致的部署限制并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下的全工況低壓比運(yùn)行，是整套循環(huán)系統(tǒng)得以運(yùn)行的核心設(shè)備。

(4)制冷劑液泵：利用液泵技術(shù)，支持過渡季節(jié)和冬季的液泵自然冷卻運(yùn)行，減少氣泵的開始時(shí)長(zhǎng)。

(5)背板末端：利用就近冷卻和最大限度地?cái)U(kuò)大換熱面積，將蒸發(fā)溫度提到最大的同時(shí)，最小化末端的換熱能耗。

(6)載冷劑：如表3所示，綜合運(yùn)行壓力、安全性及成本選擇R134a。

3 試驗(yàn)測(cè)試

高效的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)搭建后，其能效水平需通過焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行工況模擬驗(yàn)證，鑒于單一焓差實(shí)驗(yàn)室只能模擬一種環(huán)境工況，而整套制冷系統(tǒng)工況測(cè)試既要保證室外環(huán)境參數(shù)又要保證室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，所以利用水氟換熱器替代蒸發(fā)器和冷凝器，分別測(cè)試“源”+“管”和“端”的穩(wěn)定工況能效數(shù)據(jù)(見圖3)。在測(cè)試“源”+“管”的能效數(shù)據(jù)時(shí)，用水氟換熱器替代背板末端作為蒸發(fā)器，利用實(shí)驗(yàn)室外側(cè)冷凍水系統(tǒng)調(diào)節(jié)得到測(cè)試的蒸發(fā)溫度，而焓差實(shí)驗(yàn)室則用于模擬室外環(huán)境參數(shù)，按此測(cè)試出相應(yīng)模擬工況下“源”+“管”部分的能效；在測(cè)試“端”的能效數(shù)據(jù)時(shí)，用水氟換熱器替代蒸發(fā)冷凝器，利用實(shí)驗(yàn)室外側(cè)冷凍水系統(tǒng)調(diào)節(jié)得到測(cè)試的冷凝溫度，而焓差實(shí)驗(yàn)室則用于模擬室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，按此測(cè)試出相應(yīng)模擬工況下“端”部分的能效。在得到多種工況下的焓差測(cè)試數(shù)據(jù)后，對(duì)我國(guó)華北、華東、華南和西部典型城市全年均值能效和峰值能效(極端濕球溫度下的最低COP)進(jìn)行計(jì)算，背板方案在5個(gè)核心城市的均值COP均高于20，峰值COP高于7.5，在降低運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)提高機(jī)柜部署數(shù)量，詳細(xì)數(shù)據(jù)參見表4。

表3 不同制冷劑分析對(duì)標(biāo)

圖3 焓差實(shí)驗(yàn)室新型制冷系統(tǒng)搭建系統(tǒng)圖

表4 29℃工況下不同末端方案均值/峰值COP計(jì)算

4 結(jié)束語(yǔ)

以提高數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能效水平為目標(biāo)，構(gòu)建了一套基于相變冷卻的數(shù)據(jù)中心新型制冷系統(tǒng)。焓差試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析表明，該相變冷卻系統(tǒng)具有較好的均值/峰值能效，較強(qiáng)的適用性和經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)未來技術(shù)方案具備兼容性。后續(xù)工作重點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)據(jù)中心層面的推廣落地應(yīng)用，通過系統(tǒng)的工況設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制和測(cè)試分析，深入論證其可行性和經(jīng)濟(jì)性，有針對(duì)性地作出改進(jìn)和優(yōu)化，為未來高速建設(shè)的數(shù)據(jù)中心提供高能效制冷系統(tǒng)解決方案。