機(jī)房服務(wù)器散熱技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展＊

施 勇，許志慧，柳博文，許家翔，張可凡，劉志航，蔣達(dá)華

（江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

1 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高熱流密度數(shù)據(jù)機(jī)房的數(shù)量越來越多，設(shè)備產(chǎn)生的熱量和機(jī)房的能耗也越大。機(jī)房?jī)?nèi)大量服務(wù)器設(shè)備以堆?；虿⑴诺姆绞讲贾眠\(yùn)行使電子設(shè)備的工作溫度升高，從而導(dǎo)致機(jī)柜和機(jī)房的溫度也會(huì)持續(xù)上升。如果這些熱量不能及時(shí)被轉(zhuǎn)移，將會(huì)影響服務(wù)器正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)機(jī)房的能耗主要由通信設(shè)備能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗、電源系統(tǒng)能耗三部分組成。其中，通信設(shè)備能耗占數(shù)據(jù)機(jī)房能耗的比例最大，約為50%；其次，空調(diào)系統(tǒng)能耗也較高，約占40%；電源系統(tǒng)能耗相對(duì)較少，約占10%[1]。因此，數(shù)據(jù)中心高效制冷散熱技術(shù)是機(jī)房空調(diào)節(jié)能解決方案中的重要環(huán)節(jié)[2]。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)房散熱方案的同時(shí)，數(shù)據(jù)機(jī)房節(jié)能降耗顯得尤為重要。常用的散熱技術(shù)有風(fēng)冷散熱技術(shù)、液冷散熱技術(shù)及蒸發(fā)冷卻散熱技術(shù)，分別對(duì)三種技術(shù)進(jìn)行分析和梳理，從中發(fā)現(xiàn)服務(wù)器散熱技術(shù)的發(fā)展方向。

2 風(fēng)冷散熱技術(shù)在機(jī)房中的應(yīng)用

電子通信行業(yè)常用的空調(diào)節(jié)能方法主要是采用高效空調(diào)設(shè)備、換熱設(shè)備和利用室外冷源的新風(fēng)等。常見的兩種散熱方式有：利用溫度較低的自然冷源來冷卻機(jī)房，有效地降低機(jī)房的能耗；利用冷卻設(shè)備進(jìn)行機(jī)械冷卻。機(jī)房冷卻系統(tǒng)具有兩套冷卻設(shè)備，一套是常規(guī)的冷卻液冷卻設(shè)備，另一套利用室外的冷卻空氣作為冷卻劑，當(dāng)室外溫度在某個(gè)特定值之下或者室外溫度與室內(nèi)溫度的差值大于某個(gè)特定值時(shí)，可以采用室外冷空氣冷卻電子設(shè)備。在室外氣溫較低的冬季，這種組合冷卻裝置也能有效降低能耗[3]；在炎熱的夏季，兩套設(shè)備組合使用加快了散熱響應(yīng)時(shí)間。

自然冷卻技術(shù)是利用自然空氣對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行散熱，能耗低，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑，但其冷卻能力有限[4]。在工程應(yīng)用中，利用空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行散熱是目前應(yīng)用最廣泛的方法。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織形式可以分為上送下回、下送上回、側(cè)送上回等，不同的氣流組織形式有不同的散熱效果。在實(shí)際數(shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)工程案例中，下送風(fēng)方式較上送風(fēng)方式約節(jié)約20%的運(yùn)行費(fèi)用[5]。孫鐵柱等[6]利用自泄壓熱管散熱器，將該散熱器應(yīng)用到機(jī)房服務(wù)器導(dǎo)出內(nèi)部熱量，然后再由排風(fēng)系統(tǒng)直接將熱量排出室外，該種方法有效降低了空調(diào)負(fù)荷和空調(diào)能耗。另外，布置冷熱通道是數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種調(diào)節(jié)氣流組織的方法，該方法無需對(duì)整個(gè)機(jī)房制冷，可節(jié)省空調(diào)能耗，還可靈活擴(kuò)充，利于機(jī)械化加工，安裝簡(jiǎn)易，能大幅度避免冷熱空氣混合以減少能量損耗[7]。由于風(fēng)冷散熱技術(shù)存在散熱能力低、冷卻效率低、能耗大、易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象等諸多問題，因此液冷散熱技術(shù)逐漸被學(xué)者關(guān)注。

3 液冷散熱技術(shù)在機(jī)房中的應(yīng)用

液冷散熱技術(shù)是依靠液體的流動(dòng)來傳遞熱量，與風(fēng)冷散熱方式相比，液冷散熱效果相對(duì)更好。與傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱方式相比，當(dāng)使用循環(huán)水冷系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行散熱時(shí)，數(shù)據(jù)中心的總能耗大約可以降低50%；當(dāng)使用蒸汽壓縮兩相冷卻系統(tǒng)散熱時(shí)，數(shù)據(jù)中心的總能耗大約可以降低41%；如果將機(jī)房的熱量出售給熱用戶，數(shù)據(jù)中心的總能耗還可以進(jìn)一步降低[8]。

液冷散熱系統(tǒng)主要通過水泵、導(dǎo)管、散熱器等部件，將芯片產(chǎn)生的熱量傳遞給液體[9]。數(shù)據(jù)機(jī)房液冷散熱包括單相冷卻、兩相冷卻和熱管冷卻[10]。單相液冷散熱在冷卻過程中不發(fā)生相變，是利用水作為循環(huán)冷卻劑實(shí)現(xiàn)散熱，在數(shù)據(jù)機(jī)房或者數(shù)據(jù)機(jī)柜內(nèi)應(yīng)用冷水板，利用離心泵驅(qū)動(dòng)冷水流經(jīng)冷水板來實(shí)現(xiàn)散熱，可以對(duì)多個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行冷卻，具有較高且可靠的散熱效果，同時(shí)還可以回收機(jī)房?jī)?nèi)的余熱，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。以水冷散熱方式為例，一個(gè)功率密度為500 kW的數(shù)據(jù)機(jī)房，需要1 000臺(tái)風(fēng)機(jī)才能達(dá)到的冷卻效果，32臺(tái)冷卻水泵就可以達(dá)到[11]。以北京市某數(shù)據(jù)中心為例，在一臺(tái)功率為10 kW的機(jī)柜內(nèi)采用封閉式液冷散熱方式后，可達(dá)到一臺(tái)5匹空調(diào)的散熱效果，每年可節(jié)約近30%的用電量[12]。為了提高換熱器的散熱量，增強(qiáng)單相冷卻的余熱回收效果，可將液冷機(jī)柜進(jìn)行封閉式設(shè)計(jì)，控制冷卻水溫度始終高于露點(diǎn)溫度，此種設(shè)計(jì)方案可滿足機(jī)柜內(nèi)高熱密度服務(wù)器的散熱要求，與傳統(tǒng)的空調(diào)制冷系統(tǒng)相比，散熱效率可提高80%以上，且服務(wù)器安放在密閉的機(jī)柜中，大大降低了機(jī)房的噪聲值[13]。雖然單相液冷散熱技術(shù)能夠提高散熱效果，降低數(shù)據(jù)機(jī)房的能源消耗，但是由于液體存在泄漏或?qū)щ姷娘L(fēng)險(xiǎn)，因此在數(shù)據(jù)機(jī)房液冷散熱并沒有得到廣泛的應(yīng)用，無法全面替代風(fēng)冷散熱。

兩相冷卻的散熱性能要比單相冷卻強(qiáng)，制冷劑在發(fā)生相變吸收熱量蓄熱時(shí)，其溫度不會(huì)上升。在吸收相同的熱量情況下，兩相冷卻的制冷劑溫度比單相冷卻低；在相同的熱負(fù)載下，單相冷卻需要的循環(huán)流量較兩相冷卻系統(tǒng)大得多，若要達(dá)到相同的冷卻效果，單相冷卻需要的流量是兩相冷卻系統(tǒng)的26倍之多[14]。但是兩相冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初期投入高，實(shí)際應(yīng)用較少。熱管冷卻是一種利用熱管兩端的溫差驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)傳熱的散熱方式[8]。熱管冷卻無需工質(zhì)泵提供動(dòng)力，而是利用重力驅(qū)動(dòng)，冷卻劑的泄漏風(fēng)險(xiǎn)較低，是一種安全可靠的冷卻方式[15]。熱管冷卻的主要優(yōu)勢(shì)有：熱管的冷凝段與蒸發(fā)段溫差越大，其散熱效率越高，并且熱管冷凝段可設(shè)置換熱器與冷卻塔相連，冬季可利用自然冷源冷卻提高能源利用率。分離式熱管換熱器是目前技術(shù)較為成熟的小型機(jī)房換熱設(shè)備，其效果體現(xiàn)在當(dāng)室外環(huán)境溫度比較低的時(shí)候，可以通過引入室外自然冷源，排除機(jī)房?jī)?nèi)的熱空氣來減少空調(diào)的開啟時(shí)間，達(dá)到節(jié)能降耗的效果[16]。

為了增強(qiáng)散熱效果，液冷散熱與風(fēng)冷散熱可形成互補(bǔ)，結(jié)合多種冷卻技術(shù)，尋求最優(yōu)的解決方案[17]，或者通過放置改性相變材料模塊能有效減緩機(jī)房?jī)?nèi)的溫度波動(dòng)情況，增強(qiáng)溫控效果，達(dá)到節(jié)約能耗的目的[18]。于昕等提出一種新型的相變蓄能空調(diào)系統(tǒng)，利用相變材料吸收和釋放冷量的特性來控制移動(dòng)通信基站機(jī)房?jī)?nèi)的溫度，可以有效節(jié)約空調(diào)能耗，減小機(jī)房?jī)?nèi)的溫度波動(dòng)[19]。應(yīng)用研究表明，無機(jī)相變材料具備較好的穩(wěn)定性，使用壽命不低于10年，而且該類相變材料可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需要封裝成各種形狀，充分滿足產(chǎn)品使用的便利性、長(zhǎng)期性和安全性等要求[20]。在未來的數(shù)據(jù)機(jī)房散熱方式中，液冷散熱技術(shù)將成為主力軍，但液冷散熱技術(shù)無法完全替代傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱，兩種散熱方式結(jié)合使用，相輔相成，將成為未來數(shù)據(jù)機(jī)房散熱的發(fā)展趨勢(shì)。

4 蒸發(fā)冷卻技術(shù)在機(jī)房中的應(yīng)用

蒸發(fā)冷卻技術(shù)[21]是將風(fēng)冷和水冷有效結(jié)合起來的一種新型復(fù)合散熱技術(shù)，依靠流體沸騰造成的密度差即可形成自然循環(huán)，無需外加驅(qū)動(dòng)力，提高了運(yùn)行的可靠性，并且無需風(fēng)機(jī)，降低了噪聲水平。

蒸發(fā)冷卻分為直接蒸發(fā)冷卻（DEC）和間接蒸發(fā)冷卻（IEC）兩種。直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，直接蒸發(fā)式冷氣機(jī)組在數(shù)據(jù)機(jī)房中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，主要的應(yīng)用形式有兩種：直接在數(shù)據(jù)機(jī)房中設(shè)置蒸發(fā)式冷氣機(jī)，并且增加排風(fēng)系統(tǒng)，與蒸發(fā)式冷氣機(jī)配合；在蒸發(fā)式冷氣機(jī)運(yùn)行的同時(shí)，讓部分回風(fēng)與冷氣機(jī)處理后的空氣一次混合。蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)結(jié)合區(qū)域的濕度進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，只有適應(yīng)區(qū)域的技術(shù)才能得到最大化的節(jié)能[22]。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了蒸發(fā)式冷氣機(jī)和原有機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的運(yùn)行方案，其運(yùn)行成本是傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的20%左右，但原有空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)增加空氣含濕度，導(dǎo)致無法在任意室外條件下，實(shí)現(xiàn)同步排熱和排濕，給冷氣機(jī)帶來冷負(fù)荷增大能耗，達(dá)不到節(jié)能目的[23]。間接蒸發(fā)冷卻指通過非直接接觸式換熱器將直接蒸發(fā)冷卻得到的介質(zhì)中的冷量傳遞給工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)熱濕交換的過程。某數(shù)據(jù)中心整體占地420 000 m2，規(guī)模為30萬臺(tái)服務(wù)器，建成后若采用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)中心PUE值低于1.100，與同規(guī)模傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心制冷相比，全年節(jié)能率超過60%[24]。在節(jié)能方面，數(shù)據(jù)機(jī)房使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)可減少空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電力的需求量，西安地區(qū)某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行蒸發(fā)冷卻技術(shù)改造后，每年節(jié)能約179 180 kW·h，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)對(duì)指導(dǎo)綠色數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義[25]。由于各方面性能良好，蒸發(fā)冷卻技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到超算中心，冷卻系統(tǒng)本身可達(dá)到節(jié)能降噪甚至零功耗無噪音的標(biāo)準(zhǔn)[26]。

利用蒸發(fā)相變帶走潛熱，有效地提高了CPU的散熱效果；而且在原有散熱器的結(jié)構(gòu)上也不必做太大的改動(dòng)，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。應(yīng)充分考慮蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)形式、設(shè)備組成形式和蒸發(fā)冷卻與原有的機(jī)械制冷系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)模式，將蒸發(fā)冷卻技術(shù)的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)更好發(fā)揮[27]。

5 小結(jié)

面對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)計(jì)算需求，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)與使用規(guī)模更加龐大，數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)高熱密度服務(wù)器的數(shù)量逐漸增多，IT設(shè)備集成度和功率密度將會(huì)更高，依靠傳統(tǒng)的空調(diào)制冷方式難以滿足高熱密度數(shù)據(jù)機(jī)房的散熱需求，同時(shí)造成大量的能源浪費(fèi)。目前應(yīng)用廣泛的風(fēng)冷冷卻技術(shù)都難以做到高效綠色，仍需進(jìn)行較大改進(jìn)，可以從散熱方式上進(jìn)行優(yōu)化，或是研究新的散熱材料，但最為核心的綠色方式是利用自然冷源散熱。傳統(tǒng)的散熱技術(shù)多以風(fēng)冷技術(shù)為主，但能耗大的問題顯著。而液冷技術(shù)正逐漸得到關(guān)注，并被運(yùn)用到實(shí)踐工程中。液冷技術(shù)不僅降低系統(tǒng)的能耗，還可以將余熱回收利用。盡管液冷技術(shù)有利之處顯著，但完全替換風(fēng)冷技術(shù)仍不可能，未來將集中于液冷與相變材料的復(fù)合散熱技術(shù)。蒸發(fā)冷卻技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯，但在實(shí)際應(yīng)用中較為復(fù)雜，仍是一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著節(jié)能意識(shí)的不斷加深，服務(wù)器散熱技術(shù)將迎來蓬勃發(fā)展。