一种利用自然冷源的两相冷板式液冷冷却系统方案分析

晋若男, 兰信颖, 张 涛, 王明轩, 寇禾旺

(沈阳工业大学, 辽宁沈阳 110000)

0 引言

在“双碳”政策的大背景下,数据中心作为消耗能源的主要产业之一,其制冷系统的能耗占了数据中心总能耗的40%,有效地降低数据中心的制冷能耗迫在眉睫,即高效节能、碳减排已经成为大势所趋[1]。在保证数据中心机房安全高效的同时,新型的制冷方案已经成为各大数据中心的研究对象,其中提高数据中心制冷系统的能效水平、解决数据中心冷却的余热利用问题、利用自然冷源来代替机械制冷、最大化利用自然资源已然成为各大数据中心的研究目标。本文从数据中心制冷的基础理论入手,构建了一套新型数据中心制冷系统,为数据中心提供节能、高效、经济的制冷方案。

1 制冷系统设计思路

数据中心制冷系统的作用是将服务器散发出来的热量搬运到自然环境中以维持服务器要求的运行温度条件,将整个制冷系统分成3部分,第一部分是为整套制冷系统提供冷源以及不断为数据中心发热元器件提供制冷保证;第二部分是注意冷热源间的热量输配,保证整套制冷循环可实现;第三部分是通过换热器与热源进行换热,将散发热量的服务器进行冷却以维持其正常运行温度环境。服务器散发的热量被换出至末端设备后再通过第二部分的设备将热量输配至冷源侧,由冷源设备对其进行制冷降温,由此形成制冷循环系统。该理论分析从制冷基础理论出发,分别对其3部分进行深入分析从而得到整套制冷系统的能效优化方向。

2 两相冷板式液冷冷却循环系统

传统的数据中心选择使用空气冷却技术维持服务器正常工作的温度,随着数据中心的不断发展,服务器不断提升自身处理能力和集成度,使得服务器散热量节节攀升,温度不断提高,空气冷却提供的风量和冷却能力已接近极限,无法满足现代工作负载的散热需求。我们设计的这种两相冷板式液冷冷却循环系统不仅能够很好地满足高密度数据中心的散热需求,还能减少能量的消耗,提高的能源利用率。

2.1 系统的构成

该系统构成图如图1所示。

图1 冷板式液冷冷却系统构成

本系统主要由蒸发式冷凝器、直接接触冷板式液冷蒸发器、磁悬浮离心式制冷剂气泵、储液器、膨胀阀、制冷剂液泵、换热器、阀门等组成。其中制冷剂的气泵和液泵可采用光伏供电,冷凝器由翅片管换热器、风机、填料、喷淋系统、进风栅、水槽与水泵组成,喷淋系统与换热盘管分离开,避免了换热盘管被腐蚀和结垢。将储液器放置在冷凝器与制冷剂液泵之间,可以起到贮存制冷剂以及气液分离的作用。将换热器放在蒸发式冷凝器和磁悬浮离心式制冷机气泵之间,使高温制冷剂的热量通过换热器进行热回收,回收的热量冬季可以用来供暖,夏季可以作为生活热水的热源,能实现对CPU放出热量的再利用,能提高能源的利用率。在制冷剂液泵的后面安装膨胀阀,可以通过其节流为低温低压的湿蒸汽,最后回到蒸发器中吸收热量达到制冷效果。

构成本制冷系统的关键设备是直接接触冷板式液冷蒸发器,直接与服务器散热元件部分接触,制冷剂吸收服务器散发出的热量后由液态蒸发成气态,实现了就近冷却,提高了换热密度,降低了输送能耗,从而提高了系统能效。磁悬浮离心式制冷剂气泵是本系统中的另一关键设备,保证了机械制冷的实现。设计中考虑到避免润滑油的回油问题,以及为了提高制冷系统在部分负荷下的性能,所以选择使用磁悬浮离心式制冷剂气泵,实现了在全部工况下低压缩比高效运行,减少了功耗,降低了噪声。本系统采用蒸发式冷凝器,能够起到有效地降低冷凝温度的作用。为了充分利用空气中的冷能,系统中设置了制冷剂液泵,能够实现冬季和过渡季节的自然冷却,降低了系统能耗。

2.2 系统的运行模式

该系统可以根据室外温度的变化实现4种运行模式:

(1)模式一:当室外温度较低时,关闭蒸发式冷凝器喷淋系统的水泵、制冷剂气泵和膨胀阀,开启蒸发式冷凝器的风机、制冷剂液泵,室外温度低的空气进入蒸发式冷凝器中对制冷剂进行降温,制冷剂由气态变成液态,再进入储液器中,依靠制冷剂液泵提供动力,驱动制冷剂进入直接接触冷板式液冷蒸发器,在蒸发器中吸收服务器散发出的热量,制冷剂由液态再次变成气态,随之进入换热器中进行热回收,最后进入蒸发式冷凝器中循环此过程。此模式充分利用室外空气进行降温。

(2)模式二:当室外温度上升,导致模式一供应的制冷量不足时,可在模式一的基础上打开蒸发式冷凝器的喷淋水泵,制冷剂依靠冷空气和喷淋水降温,气态的制冷剂逐渐被冷凝为液态的制冷剂,进风栅靠强风使水泵喷出的水覆盖在换热盘管表面,喷淋水借助风力,极大地提高了换热效果。以下的过程同模式一,制冷剂继续进行热管式循环。此模式充分利用室外空气和冷却水进行降温。

(3)模式三:当室外温度继续上升使模式二供应的制冷量不足时,关闭蒸发式冷凝器喷淋系统的水泵和制冷剂液泵,开启蒸发式冷凝器的风机、磁悬浮离心式制冷剂气泵和膨胀阀。仅依靠冷空气对制冷剂进行降温,使制冷剂从高压气态变成液态进入储液器中。再经过膨胀阀使高压的液态制冷剂节流为低温低压,接着进入直接接触冷板式液冷蒸发器,在蒸发器中吸收服务器散发的热量,制冷剂由液态变成气态,再通过磁悬浮离心式制冷剂气泵成为高压气态制冷剂,随之进入换热器中进行热回收,最后回到蒸发式冷凝器中继续循环。此模式运用的是蒸气压缩式制冷循环,且冷凝器为风冷模式。

(4)模式四:当室外温度较高时,在模式三的基础上开启蒸发式冷凝器水泵,制冷剂同时被冷空气和喷淋水降温,制冷剂由气态逐渐被冷凝为液态,以下的过程同模式三,继续运用蒸气压缩式制冷循环,冷凝器变为蒸发式。

2.3 系统的优势

该系统相比于传统数据中心制冷系统的优势是采用冷板式相变液冷技术,让蒸发器中的冷板直接与服务器元件触,实现了就近冷却,增大了换热密度从而提高了系统能效。选择使用磁悬浮离心式制冷剂气泵能实现机械冷却,能摆脱润滑油回油的问题,能实现在全部工况下低压缩比地运行,减少功耗。同时系统内设置换热器,作好热回收处理,通过换热器回收高温制冷剂的热量,将其提供给周围建筑冬季供暖、夏季供给生活热水,能实现热量的再利用,提高能源的利用率。以及本系统采用蒸发式冷凝器能够根据室外气温的变化,对其进行自然冷却与机械冷却的灵活切换从而充分地利用自然冷源,减少机械制冷的运行时间,解决了电能消耗严重的问题。非常适用于温度较低的内陆地区。

3 制冷剂的选择与使用

根据对该制冷系统的研究,为满足提高系统能效和节能的需要,以及在保证实际的运行过程中热力学性质符合要求的条件下,该系统选择的该制冷剂与其他制冷剂相比临界点要更高、凝固温度也要更低,运行时的工作压力和压缩比需要符合系统要求。所以经过综合比较决定选取载冷能力更强的载冷工质:R134a(四氟乙烷),氟利昂134a是一种新型的制冷剂,其属于氢氟烃类物质。该制冷剂在换热特性、比热容密度及经济换热温差上都有比较好的特点,且与传统的制冷剂比较而言,该制冷剂的相对单位容量制冷能力更强。就经济性而言,R134a在价格、生产获得以及储存费用等综合方面上具有独特的优势,满足了实用性的要求。同时在研究数据中心制冷系统的运行过程中,通过理论分析,在输配相同冷量和相同物理距离的基础上比较,其中的输配环节的功耗,从而发现了R134a的单位体积制冷能力更强,更适合该数据中心制冷系统。

但氟利昂如有泄漏则会与二氧化碳一样破坏臭氧层,同样促使地球变暖,有悖于“双碳”目标。若能找到更好的制冷剂应停止使用氟利昂。

4 结论

通过研究分析表明这种利用自然冷源的两相冷板式液冷冷却循环系统具有节能、充分地利用自然冷源、便于调节运行工况等特点,相比于传统数据中心制冷系统,该系统采用冷板式相变液冷技术配合磁悬浮离心式制冷剂气泵和制冷剂液泵,做到了充分吸收服务器中高热耗元件的热量的同时最大化利用自然资源,非常适用于温度较低的内陆地区。通过根据室外气温的变化,对其进行自然冷却与机械冷却灵活切换从而充分利用自然冷源,减少机械制冷运行时间,解决了电能消耗严重的问题。在系统内设置换热器,实现了对CPU放出热量的循环利用,提高了能源利用率。结合当前数据中心制冷系统的发展现况,本系统有较好推广前景,整个系统大大节约能源的同时有效的提高数据中心制冷系统的工作效率,使用范围和应用空间。总之,这种利用自然冷源的两相冷板式液冷冷却循环系统有着比较强的适用性、经济性、可行性,不仅满足了现代工作负载需求,而且对推动数据中心制冷系统高速发展具有一定的作用。