服务器浸没式液冷的换热效率及节能潜力

严逊 于航 刘成 李超恩

同济大学机械与能源工程学院

0 引言

据工信部 2019 年数据，截 至 2017 年底，我 国在用数据中心的机架总规模增长了33.4%，大 型、超 大型数据中心的规模增速达到68%[1]。根据国际环保组织绿色和平与华北电力大学发布的报告，2 018 年中国数据中心总用电量占中国全社会用电量的 2.35%，未来5 年数据中心总用电量将增长66%[2]。数 据中心的电能消耗构成中，冷 却系统约占40%。因此，降 低冷却系统的能耗是实现数据中心节能减排的关键措施之一。

随着数据中心单机柜发热功率突破20 kW，传统精密空调无法解决高功率、局 部热点等问题，从 而导致冷却系统运行能耗过高甚至出现无法完全散热的情况。浸没式液冷以其换热效率高的特点能够解决上述问题，被越来越广泛地运用。本文将重点介绍浸没式液冷的换热效率及节能潜力。

1 浸没式液冷实验台及实验方法

1.1 浸没式液冷实验台

浸没式液冷分为单相和两相两种类型，单 相浸没式液冷中的液体在使用过程中不涉及相变过程，而 两相浸没式液冷中的液体会在气态和液态中转变。本研究的对象是两相浸没式液冷，实 验搭建了用于测试浸没式液冷换热效率的实验台。主要仪器设备有箱体、加热负载、冷 凝盘管、风 机、水 泵、数 据采集装置等。实验台示意图如图1。

图1 浸没式液冷实验台示意图

实验台箱体及内部实验装置、数 据采集装置均放置于室内侧环境舱，风 机、水 泵放置于室外侧环境舱，室内侧和室外侧环境舱均可用空调系统精确控制其空气参数。室内环境舱中尺寸为0.4 m×1 m×1 .4 m 的箱体，加 热负载位于箱体内中下部，冷 凝盘管位于箱体上部。箱 体内液体能完全浸没加热元件。箱 体正面、右侧面和上表面均有部分区域用透明材料制成，方 便实验人员观察箱体内实验情况。

图2 所示为 3 个模拟服务器的加热负载，与 服务器相比，负 载能提供更稳定的加热量。每个负载能提供0～4 kW 的热量。负载长100 cm，发热圆柱体直径2.5 cm，翅 片直径5 cm。

图2 模拟服务器的加热负载

1.2 浸没式液冷实验方法

风机和水泵位于室外侧，设置风机频率为 20Hz，水泵频率为20Hz。设置风机和水泵频率均为20Hz 是由于实验配置的风机和水泵容量较大，而 频率可调范围为 20Hz 到 50Hz，通过预实验得到 20Hz 工况已能满足实验稳定运行。实验流程图如图3 所示。

1）设 置室外侧环境的温度，大 约 90 分钟后温度稳定。

2）设 置负载加热功率，等 待进口水温、出 口水温等参数稳定，大 约30 分钟后温度稳定。

3）记 录数据，包 括室内侧温度、室 外侧温度、进 水温度、出 水温度、气 体温度、液 体温度、风 机出风温度、风机功率、水 泵功率、负 载功率。每 5 分钟记录一次，共 3 次。

4）改 变负载加热功率值，重 复上述 2、3 步，如 图 3示粗箭头线。

5）改 变室外侧温度，重 复上述 1-4 步，如 图 3 示细箭头线。

上海市日最高温度大于 35 ℃的炎热天气天数平均每年为7.6 天，最 高温可达40.2 ℃。此 次室外侧温度共设置了9 个区间，分别为 10、15、20、25、30、33、36、39、42 ℃，温 度区间包含上海市最不利天气。

图3 实验流程示意图

1.3 实验仪器技术参数

表1 为实验仪器技术参数表。

表1 实验仪器技术参数表

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

本实验记录了不同室外侧温度下的风机，水 泵功率及负载加热功率。由于风机和水泵均为定频，其功率处在较小的区间内。风 机功率稳定在145 W，水 泵功率稳定在67 W。相同室外侧温度下，负 载加热功率由高到低调节，调 节范围为0.8～3.8 kW。

制冷PUE 随负载加热功率的变化如图 4，可 以看出，制 冷PUE 值在1.05～1.28 之间。制冷PUE 定义为：

图4 制冷PUE 值随加热功率、室 外侧温度的变化在不同室外侧温度下，制冷 PUE 变化趋势呈现一致性，都是随负载加热功率的上升而降低。图4 中制冷PUE 最大值为 1.270，对应室外侧 30 ℃，负载功率0.895 kW。最小值为1.056，对 应室外侧39 ℃，负 载功率3.773 kW。

图5 展示了室外侧温度为42 ℃时，进口水温、出 口水温、气 体温度随加热功率的变化。随着负载加热功率的上升，进口水温从 42.9 ℃升高到了 44.7 ℃，升 高1.8 ℃。出口水温从43.9 ℃升高到52.7 ℃，升高了8.8 ℃。而 气体温度维持在60.5 ℃不变。由 于本实验台制冷系统的冷却能力较大，冷却水经过制冷系统后，能够被冷却到和室温42 ℃接近的温度。而 加热功率一直在上升，进出口水温温差会和加热功率成比例上升，故 出口水温温升更大，进 口水温温升较小。气体温度一直维持在沸点温度60.5 ℃。

图5 室外侧温度42 ℃时，进口水温、出口水温、气体温度随加热功率的变化

2.2 全年制冷PUE 计算

数据中心的能耗主要由 IT 设备能耗，制冷设备能耗，供 配电系统能耗，照 明及其他能耗组成，数 据中心PUE 的计算如下式：

图6 使用传统精密空调的数据中心全年能耗比例

关于数据中心能耗的构成比例，学 者做了大量的调查与研究。虽然研究结果中各部分占比不尽相同，但能耗构成种类及排序基本相同。根据文献[3-7]中数据中心的容量以及能耗构成比例可以得出，使 用传统精密空调的数据中心总能耗中，IT 设备能耗占比最高，约 为56%。其次是制冷系统能耗，约 占34%。再其次是供配电系统能耗，约 占 7%，其 中最主要的是 UPS设备的能耗，次 之是变压器设备的能耗。最后是照明及其他能耗，约 占3%。这里的其他能耗主要包括：安 防设备，消 防设备，电 梯，传 感器以及数据中心管理系统的能耗等。综合了论文中数据得出，P UE 值为1.786，其 中制冷PUE 值为 1.609。使用传统精密空调的数据中心能耗构成如图6 所示。

本文得出的是某一室外侧温度、负 载加热功率下的制冷 PUE，评 价数据中心能源利用效率的指标是全年制冷 PUE，因此需要用制冷 PUE 得出全年制冷PUE，具 体公式如下：

式中：下标i代表不同的天气区间；P UEi代表在该天气区间下的制冷PUE 值；ni代表该天气下的小时数。

采用上海市气象文件，将天气根据温度分为8 个级别，与实验数据相对应，分别为 10、15、20、25、30、33、36、39 ℃。对应关系如表2：

表2 上海市气象参数区间分布

由式（3）得 到上海地区全年制冷PUE 为 1.060，远 低于论文中使用传统精密空调的数据中心全年制冷PUE——1 .609，制 冷能耗降低幅度高达90.2%。

3 结论

本文通过对浸没式液冷实验台进行测试，得 出以下结论：

1）在 不同室外侧温度、相 同的发热功率下，制 冷PUE 值基本相同。

2）制 冷PUE 变化趋势呈现一致性，都 是随负载加热功率的上升而降低。图 中制冷PUE 最大值为1.270，对应室外侧30 ℃，负载功率0.895 kW 时。最小值为1.056，对 应室外侧39 ℃，负 载功率3.773 kW。

3）上 海市使用浸没式液冷的数据中心其全年制冷PUE 为1.060，相 比于使用传统精密空调的数据中心，其制冷系统能耗降低了90.2%。