數(shù)據(jù)中心用兩相循環(huán)冷卻系統(tǒng)研究

來(lái)源|Applied Thermal Engineering

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背景介紹

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，以及人工智能、云計(jì)算等IT技術(shù)的發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心（DC）規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，這意味著更多的能源消耗，因此需要節(jié)能技術(shù)來(lái)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(zhǎng)，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(zhǎng)。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(dòng)傳熱裝置，可用于具有遠(yuǎn)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(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。特別是水泵驅(qū)動(dòng)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(wú)疑具有更高的能效比。

壓縮機(jī)的能耗通常占冷卻系統(tǒng)的大部分，采用高效壓縮機(jī)可以降低冷卻系統(tǒng)的能耗。磁懸浮壓縮機(jī)因其非機(jī)械摩擦和無(wú)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(duì)較小或超大規(guī)模的DCs中取得了顯著的效率提高，開(kāi)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(tuán)隊(duì)提出并試驗(yàn)了一種由磁懸浮壓縮機(jī)和液泵組成的無(wú)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(dòng)模式。建立了一臺(tái)240千瓦制冷量的樣機(jī)，探索其性能和運(yùn)行參數(shù)。通過(guò)中國(guó)典型氣候帶城市的天氣參數(shù)，計(jì)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(dòng)模式下，系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)約為12，室外機(jī)的COP高達(dá)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(jī)和液泵能夠很好地協(xié)同工作，達(dá)到預(yù)期的性能。中國(guó)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(gè)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(jī)性能。

圖3.系統(tǒng)的運(yùn)行方式。

圖4.實(shí)驗(yàn)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(jī)制冷量和總功率隨室外溫度的變化。

圖6.原型機(jī)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(jī)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(shí)溫分布。

圖10.三種模式在每個(gè)城市的運(yùn)行時(shí)間。

圖10.三種模式在每個(gè)城市的運(yùn)行時(shí)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