數(shù)據(jù)中心雙通道致冷系統(tǒng)換熱特性分析

陳 晨， 朱健能

數(shù)據(jù)中心雙通道致冷系統(tǒng)換熱特性分析

陳 晨， 朱健能

（廣東安耐智節(jié)能科技有限公司，廣東 廣州 510000）

針對(duì)數(shù)據(jù)中心雙通道致冷系統(tǒng)進(jìn)行換熱特性分析，首先以傳熱學(xué)的傅里葉定律為出發(fā)點(diǎn)，理論論證數(shù)據(jù)中心雙通道致冷系統(tǒng)的可行性。通過(guò)設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，分析雙通道致冷系統(tǒng)得出以下兩個(gè)換熱特性：接觸式致冷系統(tǒng)換熱量隨著內(nèi)循環(huán)供水溫度降低而升高；非接觸式致冷系統(tǒng)能耗隨著行間空調(diào)出風(fēng)溫度升高而降低。

數(shù)據(jù)中心； 雙通道致冷系統(tǒng)； 水冷； 熱管； 服務(wù)器

0 引言

近十年來(lái)隨著國(guó)家信息化水平的不斷提高，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器功耗增加了約15倍，從過(guò)去單機(jī)架功耗為2-3kW到現(xiàn)在單機(jī)架功率高達(dá)20-30kW。隨著信息行業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)房建設(shè)速度增快，機(jī)房數(shù)量大幅增加，其耗電量和散熱密度也不斷增加。數(shù)據(jù)中心的高功率密度化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的制冷及機(jī)房散熱提出了更高的要求，傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)存在著能耗高，機(jī)房局部熱點(diǎn)等問(wèn)題，已經(jīng)難以滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房高密度散熱的需求[1]。

雙通道致冷系統(tǒng)有效的解決了機(jī)房局部過(guò)熱和機(jī)房高密度的問(wèn)題，通過(guò)建立“液冷為主、風(fēng)冷為輔”的雙通道致冷系統(tǒng)。構(gòu)建一種低熱阻高效率導(dǎo)熱通道，直接針對(duì)服務(wù)器芯片級(jí)熱源制冷，實(shí)現(xiàn)大部分熱量高效傳導(dǎo)、自然冷卻，大幅減少制冷系統(tǒng)能耗，可應(yīng)用于新一代高密度數(shù)據(jù)中心。

1 雙通道致冷系統(tǒng)原理

針對(duì)數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)致冷系統(tǒng)的高能耗弊端，提出一種“去空調(diào)”思路，建立一種低熱阻的高效致冷通道，減少使用、甚至去除冷水機(jī)組等高能耗設(shè)備，從而達(dá)到降低致冷系統(tǒng)能耗的目的。其理論依據(jù)為傳熱學(xué)的傅里葉基礎(chǔ)定律[2]：

Q=ΔT/R式中 Q—熱流，W；

R—通道的熱阻，℃/W；

ΔT—冷熱源之間的溫度之差，℃。根據(jù)公式可得，為了排走某一定量的發(fā)熱量Q，若能使致冷通道的熱阻降低，則需要的冷熱源溫差就越小，這樣就降低了對(duì)集熱媒介的溫度要求；當(dāng)溫度要求降低到一定程度時(shí)，即可無(wú)需壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備來(lái)制備中溫冷水、進(jìn)而降低致冷能耗。

在具體實(shí)現(xiàn)上，建立以“接觸式致冷系統(tǒng)”為主，“非接觸式致冷系統(tǒng)”為輔的一種“雙通道致冷系統(tǒng)”方

案[3]。

接觸式致冷系統(tǒng)：第一步、熱管水冷模塊的內(nèi)端與服務(wù)器直接接觸，將占服務(wù)器發(fā)熱量為65%的CPU發(fā)熱量通過(guò)熱管傳遞到外端；第二步、內(nèi)循環(huán)純水傳導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)，純水在水泵驅(qū)動(dòng)作用下流動(dòng)，將熱管水冷模塊外端上吸收的熱量不斷傳導(dǎo)至板式換熱器；第三步、外循環(huán)冷卻水散熱系統(tǒng)內(nèi)，水通過(guò)板式換熱器吸收內(nèi)循環(huán)純水的熱量，在水泵驅(qū)動(dòng)作用下再將熱量攜帶至冷卻塔自然冷卻散發(fā)。接觸式致冷系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

非接觸式致冷系統(tǒng)：第一步、將機(jī)房中服務(wù)器CPU除外的占服務(wù)器35%的發(fā)熱量由服務(wù)器內(nèi)部傳遞給行間空調(diào)；第二步、行間空調(diào)通過(guò)冷凍水循環(huán)將熱量傳遞給冷水機(jī)組；第三步、熱量再由冷水機(jī)組通過(guò)冷卻水循環(huán)通過(guò)冷卻塔散發(fā)到環(huán)境中。

2 試驗(yàn)測(cè)試分析

選取一個(gè)應(yīng)用雙通道致冷系統(tǒng)的微模塊數(shù)據(jù)中心機(jī)房，對(duì)微模塊中五個(gè)服務(wù)器機(jī)柜進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)機(jī)柜擺放15臺(tái)服務(wù)器，單機(jī)柜功率為6kW，服務(wù)器功率400W，每個(gè)服務(wù)器有兩個(gè)CPU，單個(gè)CPU熱功耗為100W。微模塊中接觸式系統(tǒng)液冷總換熱量45kW，非接觸式系統(tǒng)總制冷量為60kW。本次試驗(yàn)主要針對(duì)數(shù)據(jù)中心雙通道致冷系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，考慮微模塊機(jī)房實(shí)際運(yùn)行可能遇到的各種問(wèn)題，根據(jù)這些問(wèn)題設(shè)置相應(yīng)的試驗(yàn)方案。

2.1 液冷內(nèi)循環(huán)供水溫度變化測(cè)試

接觸式液冷系統(tǒng)所提供的冷量與服務(wù)器CPU散熱量保持動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)在不同季節(jié)情況下，室外的自然環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致冷卻塔出水溫度改變，內(nèi)循環(huán)供水溫度會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)變化，內(nèi)循環(huán)供水溫度變化相應(yīng)的會(huì)影響服務(wù)器CPU的溫度情況。

圖1 接觸式致冷系統(tǒng)原理圖

表1 內(nèi)循環(huán)供水溫度變化情況下服務(wù)器運(yùn)行情況

為了模擬這種情況，在此試驗(yàn)中，保持內(nèi)循環(huán)供水流量為3m3/h（每個(gè)機(jī)柜流量為0.6m3/h），服務(wù)器負(fù)載率為100%，行間空調(diào)出風(fēng)溫度設(shè)定27℃。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)供水溫度在28-36℃范圍內(nèi)變化，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1：當(dāng)內(nèi)循環(huán)供水溫度逐漸升高時(shí)，服務(wù)器CPU運(yùn)行溫度也隨之穩(wěn)定升高，熱管水冷模塊連接CPU和水冷板，熱管會(huì)根據(jù)兩端的工況自行調(diào)節(jié)，CPU和水冷板中水之間的溫差基本在20℃左右；當(dāng)內(nèi)循環(huán)供水溫度過(guò)高時(shí)，水冷板也會(huì)向微模塊散熱，導(dǎo)致環(huán)境溫度有所提升，服務(wù)器內(nèi)部元件溫度有所提升，所以接觸式系統(tǒng)帶走的熱量會(huì)相應(yīng)減少，非接觸式系統(tǒng)帶走的熱量相對(duì)增加，接觸式和非接觸式系統(tǒng)帶走的熱量總和基本不變。

內(nèi)循環(huán)供水溫度28℃時(shí)，服務(wù)器CPU運(yùn)行溫度為47.2℃，接觸式系統(tǒng)帶走熱量為14.47kW，內(nèi)循環(huán)供水溫度32℃時(shí)，服務(wù)器CPU運(yùn)行溫度為51.38℃，接觸式系統(tǒng)帶走熱量為14.19kW，當(dāng)內(nèi)循環(huán)供水溫度36℃時(shí)，服務(wù)器CPU運(yùn)行溫度為55.25℃，接觸式系統(tǒng)帶走熱量為13.87kw。反推可知，服務(wù)器CPU運(yùn)行溫度在60℃時(shí)，內(nèi)循環(huán)供水溫度只要低于40℃即可，同時(shí)內(nèi)循環(huán)供水溫度越低，接觸式致冷系統(tǒng)帶走的熱量越多。因此，雙通道致冷系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同季節(jié)調(diào)整內(nèi)循環(huán)供水溫度值，確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加節(jié)能。

2.2 行間空調(diào)出風(fēng)溫度變化測(cè)試

服務(wù)器的熱量通過(guò)兩種途徑散出：封閉空間的空氣循環(huán)和熱傳導(dǎo)系統(tǒng)的水循環(huán)組成的“雙通道”，其中封閉空間的冷量由行間空調(diào)提供。服務(wù)器CPU的發(fā)熱量被接觸式致冷系統(tǒng)功能帶走，服務(wù)器中除CPU之外其他元件散熱量都需要被非接觸式致冷系統(tǒng)利用行間空調(diào)帶走。服務(wù)器的負(fù)載實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致行間空調(diào)的運(yùn)行工況時(shí)時(shí)發(fā)生變化。

為了模擬這種情況，在此試驗(yàn)中，保持內(nèi)循環(huán)供水溫度設(shè)定為28℃、內(nèi)循環(huán)供水流量為3m3/h（每個(gè)機(jī)柜流量為0.6m3/h），服務(wù)器負(fù)載率為100%。調(diào)節(jié)行間空調(diào)溫度在23-29℃范圍內(nèi)變化，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2：當(dāng)行間空調(diào)送風(fēng)溫度逐漸升高6℃時(shí)，服務(wù)器中內(nèi)存、PCH板和raid卡溫度隨之升高1.5℃左右，服務(wù)器中CPU溫度基本不變。這是因?yàn)榉?wù)器中內(nèi)存、PCH板和raid卡通過(guò)行間空調(diào)降溫，CPU通過(guò)接觸式致冷系統(tǒng)降溫。同時(shí)，在服務(wù)器滿足運(yùn)行情況下，行間空調(diào)耗電量隨著行間空調(diào)出風(fēng)溫度提高而降低，因?yàn)樾虚g空調(diào)出風(fēng)溫度提高，行間空調(diào)換熱效率提高，所以行間空調(diào)耗電量下降，雙通道致冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心PUE更低。

表2 行間空調(diào)出風(fēng)溫度變化情況下的服務(wù)器運(yùn)行情況

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在數(shù)據(jù)中心相同運(yùn)行情況下，行間空調(diào)出風(fēng)溫度越低，空調(diào)冷量消耗浪費(fèi)的冷量越多，提高空調(diào)出風(fēng)溫度有利于液冷系統(tǒng)整體PUE降低；雙通道致冷系統(tǒng)有效的解決了CPU高發(fā)熱量的問(wèn)題，行間空調(diào)出風(fēng)溫度在29℃內(nèi)提高，對(duì)服務(wù)器CPU溫度影響不大，不會(huì)對(duì)服務(wù)器性能產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算以及試驗(yàn)分析，可得出以下結(jié)論：

（1）接觸式致冷系統(tǒng)能夠高效帶走服務(wù)器CPU熱量，內(nèi)循環(huán)供水溫度小于40℃情況下，CPU運(yùn)行溫度能夠穩(wěn)定在60℃以下。內(nèi)循環(huán)供水溫度越低，服務(wù)器CPU運(yùn)行溫度越低，服務(wù)器性能更好；

（2）雙通道致冷系統(tǒng)中，行間空調(diào)出風(fēng)溫度可以適當(dāng)提高，并且行間空調(diào)出風(fēng)溫度越高，行間空調(diào)能耗越低，雙通道致冷系統(tǒng)更節(jié)能。

[1]陳文婷，陳華，謝春輝，等.數(shù)據(jù)中心背板空調(diào)換熱特性分析[J].制冷與空調(diào)，2015，15（1）:27-30.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2006:211.

[3]林湧雙，丘文博.數(shù)據(jù)中心節(jié)能致冷技術(shù)研究與試驗(yàn)[J].電信科學(xué)，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

陳 晨（1991-），男，江西撫州人，工程師，研究方向：IDC節(jié)能；

朱健能（1987-），男，廣東江門人，工程師，研究方向：IDC節(jié)能。

2017-06-15

修回日期：2017-07-10