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服务器浸没式液冷的换热效率及节能潜力
摘要：我们针对服务器浸没式液冷实验台进行了深入测试，探究了不同室外温度和服务器发热功率对系统制冷PUE的影响。实验数据显示，该系统的制冷PUE值介于1.05至1.28之间，高效节能特点显著。
在室外温度高达39℃、负载功率为3.773kW的极端条件下，制冷PUE仍能达到优异的1.056。此外，本研究还发现，上海市数据中心全年平均制冷PUE值为1.060。值得一提的是，采用浸没式液冷技术的数据中心，其冷却系统能耗仅为传统精密空调的十分之一。
关键词：数据中心 浸没式液冷 制冷PUE 节能
工信部2019年数据显示，截至2017年底，我国数据中心机架规模激增33.4%，其中大型及以上数据中心增速更是高达68%。而据绿色和平组织与华北电力大学联合报告指出，2018年中国数据中心用电量已占全社会用电量的2.35%，预计未来五年还将猛增66%。值得注意的是，数据中心电能消耗中，冷却系统耗电约占四成。因此，减少冷却系统能耗成为数据中心节能减排的重中之重。
数据中心单机柜发热功率已超20kW，传统空调难以应对高功率及局部热点，能耗高且散热受限。浸没式液冷凭借卓越换热效率，有效应对挑战，被广泛应用。本文深入剖析其换热效能与节能潜力，助力数据中心绿色高效发展。
1 浸没式液冷实验台及实验方法
1.1 浸没式液冷实验台
浸没式液冷技术分为单相与两相两种，本研究聚焦于两相浸没式液冷，其中液体会在气液两相间转变。为测试其换热效率，我们精心搭建了实验台，配备了箱体、加热负载、冷凝盘管、风机、水泵及数据采集装置等核心设备。实验台配置详见图1。通过这一专业实验台，我们将深入探索浸没式液冷的性能表现。
实验台箱体及内部装置均置于室内环境舱，精确调控空气参数。室内环境舱内，箱体尺寸为0.4m×1m×1.4m，加热负载位于中下部，冷凝盘管位于上部。液体完全浸没加热元件，确保实验高效。箱体正面、右侧面及上表面采用透明材料，让实验人员轻松观察实验情况，确保实验过程清晰可见。
图2展示了3个模拟服务器的加热负载，相比服务器，其加热量更稳定。每负载可输出0至4kW热量，长度100cm，发热圆柱直径2.5cm，翅片直径5cm。图2直观呈现了模拟服务器的加热负载设计。
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14步，如图3示细箭头线。
上海市年均高温（>35℃）天数达7.6天，极端高温可达40.2℃。本次室外温度测试覆盖9个关键区间，包括10℃至42℃，全面模拟上海市最不利天气条件，确保测试结果的全面性和准确性。
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。
2 实验结果及分析
2.1 实验结果
本实验在不同室外温度下监测了风机、水泵及负载加热的功率。风机和水泵定频运行，功率分别稳定在145W和67W的低区间。在相同室外温度下，负载加热功率可实现0.8至3.8kW的灵活调节，满足多样化需求。
如图4所示，制冷PUE值在负载加热功率变化下保持在1.05至1.28之间，定义为制冷效率与总能耗之比。
图4显示制冷PUE值随加热功率和室外温度变化具有一致性趋势，即随负载加热功率上升而降低。最大PUE值1.270出现在室外30℃、负载0.895kW时；最小值1.056则在室外39℃、负载3.773kW时达到。这一数据揭示了制冷效率与环境条件及负载之间的密切关系。
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
数据中心能耗涵盖IT设备、制冷、供配电系统及照明等，PUE计算公式精准反映能耗结构，助力绿色数据中心建设。
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，PUE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。
图6 使用传统精密空调的数据中心全年能耗比例
本文阐述了在特定室外温度和负载加热功率条件下的制冷PUE。为全面评估数据中心能效，需采用全年制冷PUE指标，具体计算公式依据制冷PUE得出，详见下文。
根据上海市气象文件，我们将天气按温度划分为8个等级，与实验数据相匹配，具体为10、15、20、25、30、33、36、39℃。详细对应关系参见表2。
上海地区全年制冷PUE仅为1.060，较传统精密空调数据中心（PUE-1.609）显著降低，制冷能耗降幅高达90.2%，显著提升能效表现。
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。
制冷PUE随着负载加热功率上升而降低，趋势一致。其最大值1.270出现在室外30℃、负载功率0.895kW时，而最小值1.056则对应室外39℃、负载功率3.773kW。高效制冷，性能稳定，PUE值变化精准可控。
上海市某数据中心采用浸没式液冷技术，全年制冷PUE低至1.060，与传统精密空调相比，其制冷能耗锐减90.2%，节能效果显著。
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