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自然冷却技术应用于数据中心的方案分析

发表日期:2020/5/12 10:51:17 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

伴随大数据时代的发展,数据中心总热负荷和热密度急剧上升,目前单机柜发热量已在20kW~30 kW,为了提供安全、高效的工作环境,空调系统须要全天候宽温区制冷运行。空调系统能耗约占整个数据中心能耗的40%,与发达国家相比,目前中国数据中心PUE(PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗)偏高。为响应国家节能减排、发展绿色经济的号召,建设绿色数据中心、实现数据中心PUE小于1.4的目标刻不容缓,就目前空调系统来看,其节能潜力在4%~69%之间。

大型数据中心用空调设备应具备以下主要技术性能:大功率、高负荷、稳定的供冷能力,良好的气流组织,严格的空气洁净度要求,全天候、宽温区制冷运行,高可靠性、环境适应性和节能性。为实现空调系统节能,需要充分利用室外自然冷源,并提高空调系统低负荷率下的运行效率。利用室外低温介质等自然冷源的空调系统已受到业内人士的广泛关注,涌现很多解决方案,为我国数据中心节能减排做出了较大贡献。石文星等将重力型分离式热管(简称“重力热管”)技术与蒸气压缩式制冷技术结合,开发出小型重力热管复合空调系统,并将空调机组在全国南北方多个基站中试点应用,结果表明机组运行稳定、室内温度控制良好,在同等条件下,比常规基站空调系统节能30%~45%。张海南等提出了机械制冷/回路热管一体式机房空调系统,利用三介质换热器将机械制冷与回路热管耦合,包括热管模式、制冷模式以及双启模式,多地试点运行结果表明,该设备具有较好的节能效益。王飞等对比分析由液泵以及气泵构成的动力型分离式热管系统性能,如液泵驱动热管空调系统中液泵排量大、功率低,但价格高,且蒸发温度高,换热温差小,不适宜长距离、高落差输送;气泵驱动热管空调系统蒸发温度低,具有强化换热功能,然而气泵驱动热管在目前空调领域中概念不清晰,几乎还没有产品,并且气泵驱动热管一般是通过压缩机技术升级改造,故而存在排量小、功率大、COP较低的缺陷。液泵驱动热管复合空调通过制冷系统与液泵驱动热管系统进行耦合,并采用多联式背板;气泵驱动热管复合空调是对现有压缩机技术升级改造而成,一台压缩机具备2种功能,该技术方案为气泵驱动热管技术在机房空调行业应用打开新的局面。对液泵以及气泵驱动的热管复合空调进行样机测试的结果表明,液泵驱动热管复合空调与气泵驱动热管复合空调均具有较好的节能效益。王飞等针对目前行业区域化高效精确制冷需求,提出一种多联式机房空调方案,该方案类似于大数据中心用多联热管背板,具有较好的节能效益。但以上重力型分离式热管、液泵驱动热管、气泵驱动热管、多联式空调机组的制冷量一般不大于200 kW,不适用于大型数据中心。

笔者针对大型数据中心近年来运用较好的空调冷却方案进行整理分析,并对现有空调系统不足之处提出一些解决方案。

1  自然冷却技术在数据中心的应用

利用室外低温冷源为室内提供冷量已成为数据中心节能减排的研究热点,也是解决目前数据中心高能耗、实现节能减排的重要举措之一,包括无相变的自然冷却水系统与有相变的分离式热管技术,它利用室内、外两个换热器,不仅间接高效利用室外自然冷源,还可以确保室内空气品质,降低空调系统的运行能耗。根据驱动力不同可将热管分为重力型分离式热管与动力型分离式热管,根据输送工质状态的不同,动力型分离式热管可分为液泵驱动热管和气泵驱动热管,图1所示为3类热管循环压-焓图。重力型分离式热管,或称为自然循环,依靠重力作用自发循环,如果忽略风机功率,只考虑动力输送装置,那么重力型分离式热管就是一个COP无穷大的泵;液泵驱动热管采用液泵强制驱动输送液态工质,功率较低,目前行业内液泵COP较高,一般在30~60,若运用到离心式机组领域,液泵COP可以超过300;气泵一般采用压缩机升级改造而成,由于系统输送介质为气态工质,受压缩机气缸排量限制较大,并且压缩机本身泄漏率的存在,使得在同等制冷量前提下,其COP较低,一般为15~30,若是考虑采用磁悬浮或者气悬浮无油压缩机,其COP可超过30,常规压缩机可考虑采用双缸或多缸结构增加排量以提高COP。


图1  重力热管/液相热管/气相热管压-焓图

目前大型数据中心一般采用冷冻水末端形式和热管背板形式,其中冷冻水末端可以是模块化冷冻水末端盘管,或列间(行间)冷冻水末端盘管,或水冷背板;热管背板仍采用制冷剂作为换热介质。

1.1  冷冻水末端冷却方式

图2  所示为带自然冷却型冷水机组,室外换热器由风冷式冷凝器和自然冷却冷凝器通过中间换热器(壳管式换热器或板式换热器)复叠构成。在室外温度较低时三通阀切换到自然冷却冷凝器,再进入中间换热器开启蒸气压缩制冷补偿制冷(自然冷源足够时不启用蒸气压缩制冷系统),使出水温度达到设定值并在水泵作用下进入冷冻水末端盘管实现冷却。在水源充足的条件下,可以使用带自然冷却型冷水机组获得更低的冷凝温度,提高机组COP。


图2  带自然冷却型冷水机组原理图

传统的螺杆(离心)式冷水机组一般在一定压比下才能运行,如压比≥1.5,这样就造成了不必要的能源消耗;并且数据中心IT设备使用率随时间发生变化,数据中心冷负荷不恒定,这对冷水机组的低压比运行提出了挑战。针对这两类问题,相继推出了可变容量、低压比运行的冷水机组(其压-焓图见图3),即变频冷水机组,拓宽了机组节能运行范围。

相关研究表明,制冷剂中的润滑油会导致机组出现性能衰减,当机组制冷系统中含油率达到4%时机组效率衰减9%,而目前传统离心式冷水机组中制冷系统含油率一般达到12.9%,效率衰减较大,如图4所示。


图3  低压比冷水机组循环压-焓图


图4  含油率与效率衰减关系

传统冷水机组在实际运用过程中,须要考虑选址因素,构建PUE低的数据中心,比如将数据中心建在北方严寒地区,缩短蒸气压缩制冷运行时间,但要注意防冻、爆管问题;或者建在空气干球温度与湿球温度和露点有较大差值的地区,采用蒸发冷却技术,只需要少量的水,避免了水源不足问题,延长自然冷却使用时间,提高蒸气压缩制冷效率;或者考虑建在低温冷水源充足的地区,缩短蒸气压缩制冷运行时间,如阿里巴巴在千岛湖的数据中心即采用了千岛湖深层常年10~15 ℃的湖水冷却,全年不运行蒸气压缩制冷模式。

1.2  热管背板末端冷却方式

由于数据中心可靠性要求高,采用冷冻水末端冷却方式会带来安全隐患,行业一般采用带自然冷却型冷水机组+热管背板冷却系统,如图5所示。重力热管背板冷却系统在多联模式下容易出现分液不均,导致数据中心出现局部热点问题,为解决该问题,需要在中间换热器后配置一个制冷剂泵,构成液泵驱动热管背板系统,当然制冷剂泵引入同样带来成本的增加。同样,采用热管背板作为蒸发器,可以考虑采用低压比、可变容量、带自然冷却型冷水机组以及磁(气)悬浮无油离心式冷水机组。


图5  带自然冷却型冷水机组+热管背板冷却系统原理图


2  新型数据中心冷却方案

为实现数据中心PUE降低的目标,需要构建新型数据中心冷却方案,去除冷热空气掺混环节,最大化利用自然冷源,减少换热环节。较高的回风温度使得空调系统具有较高蒸发温度,并且系统蒸发温度(热管工作温度)提高,可利用的自然冷源更多,如热管工作温度20 ℃,即室外环境温度低于20 ℃即可使用热管系统。其核心就是尽量减少蒸气压缩制冷运行时间。笔者提出以下解决方案,为未来大型数据中心冷却提供参考。

1)风/水/蒸发冷热管型冷水机组+冷冻水末端

图6所示为热管型冷水机组+冷冻水末端系统原理图(冷冻水末端在图中未画出),分为带制冷剂泵以及不带制冷剂泵2种形式,其中不带制冷剂泵系统可根据数据中心负荷以及室外温度分别切换运行气泵驱动热管模式、过渡循环以及蒸气压缩制冷模式,若冷凝器与蒸发器之间具有足够高度差,还可以运行重力热管模式。当室内外温差足够时,室外自然冷源充足,旁通阀完全打开,采用重力热管模式为数据中心提供冷量;当重力热管驱动力不足或高度差不够时,开启磁悬浮压缩机(低转速运行),此时节流装置全开(若节流装置流量不足,可并联一个电磁阀增加循环流量),形成气泵驱动热管循环;随着室内外温差进一步减小,系统在过渡模式下运行,通过压缩机增压补偿作用,构建近似气泵驱动热管循环;当室内外温差不足时,系统采用蒸气压缩制冷模式。


图6  热管型冷水机组+冷冻水末端系统原理图

对于图6(b)带制冷剂泵的热管型冷水机组+冷冻水末端系统,可根据数据中心负荷以及室外温度分别切换运行液泵驱动热管模式、混合循环模式以及蒸气压缩制冷模式,若系统冷凝器与蒸发器之间具有足够高度差,可以运行重力热管模式。当室内外温差足够时,室外自然冷源充足,旁通阀完全打开,运行重力热管模式为数据中心提供冷量;当重力热管驱动力不足或高度差不足够时,运行液泵驱动热管模式;随着室内外温差进一步减小,系统运行混合循环模式,通过压缩机与制冷剂泵联合运行;当室内外温差不足时,旁通阀打开(可根据实际成本需求选择是否匹配旁通阀7),系统在蒸气压缩制冷模式下运行。制冷剂泵的引入,克服了压缩机低压比运行时压头不足的问题,同时弥补了压缩机作为气泵使用时COP低于30的不足。

为适用于全国各地区以及充分发挥各地区自然冷源优势,比如在空气干球温度与湿球温度和露点有较大温差的地区,可以采用蒸发冷却技术,补偿常规风冷冷水机组在过渡季节以及夏季系统运行效率低下的不足。GB 50174—2017《数据中心设计规范》规定温控目标为封闭的冷通道内温度或者机柜送风温度推荐值为18~27 ℃。因此可以提高供水温度(比如20 ℃甚至更高),配合蒸发冷却,机组几乎全年在热管模式下运行,PUE可低于1.3。在水源充足地区,尤其是低温水源充足地区,室外机采用水冷方式,在机组冷凝器和蒸发器之间设置足够的高度差,使得机组几乎全年运行在重力热管模式下与气泵驱动热管模式下,减少蒸气压缩制冷循环模式运行时间。对于南方地区,如上海、广州等地,建立数据中心仍需要多模式运行的机组。

2)风/水/蒸发冷热管型冷水机组+热管背板

为防止水直接进入数据中心给数据中心带来安全隐患,采用二次换热方式,在数据中心外侧设置中间换热器,将冷水机组的冷量传递给第二制冷剂,通过重力作用或者制冷剂泵的作用将第二制冷剂输送至热管背板,降低数据中心PUE,其系统原理可参考图6所示的热管型冷水机组+冷冻水末端系统,末端可参考图5所示热管背板或风墙、列间空调等形式,通过制冷剂—水—制冷剂多次换热方式运行,牺牲换热效率,确保数据中心安全。

3)风/水/蒸发冷热管型制冷剂机组+热管背板

热管型冷水机组+热管背板系统冷却方式虽然避免水进入产生不良后果,但采用了制冷剂—水—制冷剂多次换热,牺牲了换热效率,降低机组实际蒸发温度,降低COP。为实现数据中心无水运行,减少中间换热过程,提高换热效率,采用直接输送制冷剂型磁(气)悬浮机组,配合重力热管以及气泵驱动热管技术,提高蒸发温度,拓宽自然冷却工作温区与工作时间,降低数据中心PUE。如图7所示的热管型制冷剂机组+热管背板系统原理图,系统同样可以在重力热管模式、气泵驱动热管模式以及蒸气压缩制冷模式下运行,与上述热管型冷水机组+热管背板系统相比,该系统直接将低温制冷剂输送至热管背板,节省了中间换热器以及换热效率损失,然而该系统存在气泵驱动热管模式下压缩机COP低于30和离心式冷水机组压头不足的弊端。


图7  热管型制冷剂机组+热管背板系统原理图

4)带制冷剂泵的风/水/蒸发冷热管型制冷剂机组+热管背板

引入制冷剂泵强化循环,解决重力热管无法实现多个热管背板在水平方向上分液均匀性的问题,制冷剂泵可以根据具体应用场合布置在高压侧或低压侧。图8所示

机组+热管背板系统原理图为制冷剂泵设置在高压侧的热管型制冷剂机组+热管背板系统原理图,制冷剂泵驱动高压侧制冷剂输送至热管背板,系统可切换运行重力热管、液泵驱动热管、混合循环以及蒸气压缩制冷循环4种模式,高压侧制冷剂泵克服管路阻力尤其适用于长配管、高落差的场合,并且可以与机组一起设置在室外侧。图9所示为制冷剂泵设置在低压侧的热管型制冷剂机组+热管背板系统原理图,系统在低压储液器中耦合,节省了高压储液器,由于低压侧制冷剂泵增压,虽然可以提高过冷度,但抬高了蒸发温度,降低了换热能力。该系统一般适用于制冷剂泵与热管背板距离较近的场合。


图8  带制冷剂泵(高压侧)热管型制冷剂空调


图9  带制冷剂泵(低压侧)热管型制冷剂


图10  耦合型制冷剂机组+热管背板系统原理图

根据文献,将系统压缩机更换为磁(气)悬浮压缩机,构成耦合型制冷剂空调系统,如图10所示,省去了复杂的回油控制逻辑,可根据室外环境温度以及室内负荷需求分别切换运行蒸气压缩制冷模式、复合模式以及热管模式。鉴于可靠性和调节性的要求,制冷系统可由一个或多台压缩机并联或由变流量系统构成,具备能量调节、轮值运行、故障自锁、安全保护等功能。

3  结论

对现有数据中心采用的自然冷却技术现状进行分析,总结我国数据中心冷却方案,为未来大型数据中心采用冷风冷却方式提出新的解决方案:

1)现有大型数据中心一般采用冷水机组,其末端形式大致为冷冻水末端与热管背板,采用冷冻水末端存在水进入数据中心的安全隐患,采用热管背板存在二次换热以及蒸发温度低的问题;

2)热管型冷水系统结构简单,自然冷却利用率高,并且可根据各地不同自然冷源优势进行风冷、水冷、蒸发冷等不同形式的选择及综合调整。

3)热管型制冷剂系统解决了水进入数据中心的安全隐患,同时化解了常规热管背板多次换热性能效率较低的问题,提高了系统蒸发温度,拓宽了自然冷却利用时间。




本文选自《制冷与空调》2020年2月刊25-30页,作者:王飞,未经许可,不得转载




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