數(shù)據(jù)中心用兩相循環(huán)冷卻系統(tǒng)研究

來源|Applied Thermal Engineering

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背景介紹

隨著5G時代的到來，以及人工智能、云計算等IT技術(shù)的發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心（DC）規(guī)模快速增長，這意味著更多的能源消耗，因此需要節(jié)能技術(shù)來提高系統(tǒng)效率。數(shù)據(jù)中心能效的提高抑制了能源需求的快速增長，特別是冷卻系統(tǒng)用電需求的減少部分抵消了IT設(shè)備用電需求的增長。然而，冷卻系統(tǒng)的能耗約占典型直流系統(tǒng)能耗的30 ~ 50%，冷卻系統(tǒng)效率的提升潛力巨大。

循環(huán)熱管等自然冷卻技術(shù)是降低冷卻系統(tǒng)功耗的有效解決方案。循環(huán)熱管是一種被動傳熱裝置，可用于具有遠程散熱器或熱源的不同熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)?；芈窡峁?又稱兩相回路熱虹吸)系統(tǒng)具有熱效率高、可靠性好、性價比高等優(yōu)點。特別是水泵驅(qū)動的循環(huán)熱管系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)中心的自然冷卻，與空調(diào)相比，無疑具有更高的能效比。

壓縮機的能耗通常占冷卻系統(tǒng)的大部分，采用高效壓縮機可以降低冷卻系統(tǒng)的能耗。磁懸浮壓縮機因其非機械摩擦和無油的特性成為新的選擇?；跇?gòu)建了新的冷卻系統(tǒng)，并在相對較小或超大規(guī)模的DCs中取得了顯著的效率提高，開發(fā)新型的冷卻系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)中心是非常重要的。

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成果掠影

近期，華中科技大學(xué)的邵雙全教授團隊提出并試驗了一種由磁懸浮壓縮機和液泵組成的無油、結(jié)構(gòu)可靠的兩相循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

系統(tǒng)有三種工作模式:蒸汽壓縮制冷模式、一體化制冷模式和液泵驅(qū)動模式。建立了一臺240千瓦制冷量的樣機，探索其性能和運行參數(shù)。通過中國典型氣候帶城市的天氣參數(shù)，計算了系統(tǒng)的年COP和直流電力利用效率(PUE)。結(jié)果表明，在泵驅(qū)動模式下，系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)約為12，室外機的COP高達31 ~ 40。在集成模式和蒸汽壓縮模式下，系統(tǒng)COP從3.85增加到8.16，壓比從2.64增加到1.13，表明磁懸浮壓縮機和液泵能夠很好地協(xié)同工作，達到預(yù)期的性能。中國應(yīng)用的綜合系統(tǒng)的年COP在大部分氣候帶都在6.5以上。假設(shè)除冷卻系統(tǒng)外的輔助系統(tǒng)能耗占信息技術(shù)設(shè)備能耗的5%，數(shù)據(jù)中心的電力使用效率可低至1.2。本文將有助于構(gòu)建一個高效的超大規(guī)模綠色直流集成冷卻系統(tǒng)。

研究成果以“Investigation on the two-phase loop cooling system composed of maglev compressor and liquid pump for data centers ”為題發(fā)表于《Applied Thermal Engineering》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1.兩相循環(huán)冷卻系統(tǒng)原理圖。

圖2.典型的數(shù)據(jù)中心磁懸浮壓縮機性能。

圖3.系統(tǒng)的運行方式。

圖4.實驗裝置:(a)制冷裝置;(b)、水側(cè)換熱器;(c)冷凍水終端;(d)風(fēng)冷式冷凝器。

圖5.原型機制冷量和總功率隨室外溫度的變化。

圖6.原型機能耗分布隨室外溫度的變化。

圖7.壓力和壓力比在蒸汽壓縮制冷模式和綜合模式。

圖8.原型機性能系數(shù)隨室外溫度的變化。

圖9.所選城市一年內(nèi)的時溫分布。

圖10.三種模式在每個城市的運行時間。

圖10.三種模式在每個城市的運行時間。

圖11.各城市綜合系統(tǒng)的年度COP(在蒸汽壓縮制冷模式和綜合制冷模式的不同切換溫度下)。

圖12.兩相循環(huán)冷卻系統(tǒng)年COP與PUE的關(guān)系(除冷卻系統(tǒng)外的輔助系統(tǒng)能耗占IT設(shè)備能耗的5% ~ 10%)。

END

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審核編輯黃宇