数据中心用两相循环冷却系统研究

来源|Applied Thermal Engineering

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背景介绍

随着5G时代的到来，以及人工智能、云计算等IT技术的发展，全球数据中心（DC）规模快速增长，这意味着更多的能源消耗，因此需要节能技术来提高系统效率。数据中心能效的提高抑制了能源需求的快速增长，特别是冷却系统用电需求的减少部分抵消了IT设备用电需求的增长。然而，冷却系统的能耗约占典型直流系统能耗的30 ~ 50%，冷却系统效率的提升潜力巨大。

循环热管等自然冷却技术是降低冷却系统功耗的有效解决方案。循环热管是一种被动传热装置，可用于具有远程散热器或热源的不同热调节系统。回路热管(又称两相回路热虹吸)系统具有热效率高、可靠性好、性价比高等优点。特别是水泵驱动的循环热管系统用于数据中心的自然冷却，与空调相比，无疑具有更高的能效比。

压缩机的能耗通常占冷却系统的大部分，采用高效压缩机可以降低冷却系统的能耗。磁悬浮压缩机因其非机械摩擦和无油的特性成为新的选择。基于构建了新的冷却系统，并在相对较小或超大规模的DCs中取得了显著的效率提高，开发新型的冷却系统用于数据中心是非常重要的。

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成果掠影

近期，华中科技大学的邵双全教授团队提出并试验了一种由磁悬浮压缩机和液泵组成的无油、结构可靠的两相循环冷却系统。

系统有三种工作模式:蒸汽压缩制冷模式、一体化制冷模式和液泵驱动模式。建立了一台240千瓦制冷量的样机，探索其性能和运行参数。通过中国典型气候带城市的天气参数，计算了系统的年COP和直流电力利用效率(PUE)。结果表明，在泵驱动模式下，系统的性能系数(COP)约为12，室外机的COP高达31 ~ 40。在集成模式和蒸汽压缩模式下，系统COP从3.85增加到8.16，压比从2.64增加到1.13，表明磁悬浮压缩机和液泵能够很好地协同工作，达到预期的性能。中国应用的综合系统的年COP在大部分气候带都在6.5以上。假设除冷却系统外的辅助系统能耗占信息技术设备能耗的5%，数据中心的电力使用效率可低至1.2。本文将有助于构建一个高效的超大规模绿色直流集成冷却系统。

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

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图文导读

图1.两相循环冷却系统原理图。

图2.典型的数据中心磁悬浮压缩机性能。

图3.系统的运行方式。

图4.实验装置:(a)制冷装置;(b)、水侧换热器;(c)冷冻水终端;(d)风冷式冷凝器。

图5.原型机制冷量和总功率随室外温度的变化。

图6.原型机能耗分布随室外温度的变化。

图7.压力和压力比在蒸汽压缩制冷模式和综合模式。

图8.原型机性能系数随室外温度的变化。

图9.所选城市一年内的时温分布。

图10.三种模式在每个城市的运行时间。

图10.三种模式在每个城市的运行时间。

图11.各城市综合系统的年度COP(在蒸汽压缩制冷模式和综合制冷模式的不同切换温度下)。

图12.两相循环冷却系统年COP与PUE的关系(除冷却系统外的辅助系统能耗占IT设备能耗的5% ~ 10%)。

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审核编辑黄宇