双碳目标下蒸发冷、热管、液冷节能技术在数据中心中的应用(一)

2020年12月中央经济工作会议中将碳达峰、碳中和工作位列其中,重申我国二氧化碳的排放力争2030年前达到峰值,力争2060年前实现碳中和。数据中心的高耗能越来越受到社会的关注,国家相继出台了数据中心能耗的指导意见和限令,因此绿色和碳中和是数据中心建设和运维必然趋势。本文重点介绍数据中心行业近些年在蒸发冷、热管、液冷制冷系统的技术突破、性能、需要关注的问题和发展。

     对于一个PUE=1.5的数据中心,基础设施的耗能主要来自电力设备自身的耗能和制冷系统的耗能,另外还有照明+其他辅助设施(加湿、新风、智能化等)的耗能,这三部分耗能的占比见图1。可见基础设施的耗能中,机械制冷系统的耗能占到总耗能的23%。近三年来数据中心制冷系统在蒸发冷却、热管和液冷技术以及产品上有了创新和突破,在进一步提高制冷系统的能效和节能上收到了较好的效果,在数据中心逐步被采用和推广。蒸发冷、热管和液冷在降低能耗上的优越性也将成为今后数年数据中心降低制冷系统能耗发展趋势。

蒸发冷却+机械制冷:虽然在自然蒸发冷却的过程中所消耗的能量较少,主要是风机和水泵耗能,与目前主流的机械制冷的空调相比在节能和经济性上更有优势。但是直接和间接蒸发冷却无法满足全年所有工况可以提供数据中心需要的制冷要求,因为在室外温度(夏季)上升时,换热器的换热效率下降,不能满足机房送风温度要求时,必须增加机械制冷系统的补充。

　数据中心蒸发冷却系统主要是以自然冷却为主,机械制冷为辅,蒸发冷却系统主要运行的模式可分为干、湿和混合等三种模式。

　　1）干模式:在室外干球温度低于16℃左右,依靠室内外空气在换热芯体换热就可以提供足够的冷量,此时运行在干工况。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统都不工作。室外新风与室内回风直接经换热器换热,数据中心较高的回风经由空气-空气换热器被室外的低温空气直接冷却。见图10。

　　2）湿模式:当室外环境温度较温和时(湿球温度高于19℃左右),机组运行在湿模式。此时开启喷淋蒸发,而机械制冷系统仍然不工作。室外空气通过增发冷却系统进行预降温,然后再经由空气空气换热器冷却数据中心回风。