大数据中心空气冷却极限节能及余热发电技术

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原标题:大数据中心空气冷却极限节能及余热发电技术

目前大数据机房冷却耗能严重,一个大型数据中心冷却年用电几亿度电以上,产生大量二氧化碳,污染环境。国家采取措施,规定新建大数据中心耗能指标PUE要小于1.4。目前在建大数据中心大部分PUE值在1.25左右。另一方面,大数据中心巨量机房余热利用率很低,造成巨大能源浪费。

一 空气冷却极限节能方案

为解决大数据中心冷却耗能和能源浪费问题,设计出一套大数据中心冷却极限节能方案,它包含了全新的冷却节能理念和多种高效节能技术。

全新的冷却节能理念。首先是在保证大数据中心冷却节能,同时又要实现机房余热高效利用。改变原来那种只考虑冷却、不考虑余热利用的耗能做法。其次是在保证机房设备使用寿命和安全运行的前提下,尽量提高机房热源的运行温度,具体办法采用板式沸腾蒸发冷却,并采用低沸点氟化液(比如沸点是70℃)。这样也获取了接近沸点(70℃)的较高温余热。再次是服务器内根据不同情况采用多级散热,最后通过新风冷却机房。这样极大限度实现大数据中心冷却节能。

在获取高温余热前提下,设计余热利用和余热发电方案,根据太阳能烟囱发电原理,研发大数据中心余热发电是余热高效利用的一个重要研发方向。

高效节能技术包括板式沸腾蒸发冷却、冷却介质相变自然循环散热、高效风冷,高效风冷包括自然通风冷却和高效机力通风冷却。具体方案:大数据中心空气冷却极限节能方案分为两种型式:一种是大数据中心自然通风冷却楼,是参照电厂自然通风凉水塔原理演变开发而成。如图1所示。另一种是大数据中心机力通风冷却楼,配备风机能耗比最小低于0.5%,最大限度降低了冷却耗能。如图2所示。以上两种方式差别是冷却节能楼内冷却风产生的原因不同,一种是楼顶布置高效风机产生风完成散热过程,一种是由于塔内、外空气温度差产生的空气流动散热。从服务器热源到散热器的散热原理和结构是相同的。

二 数据中心自然通风冷却楼和其余热发电特点

大数据中心自然通风冷却楼方案,采用电厂自然通风凉水塔原理和烟囱效应,通过合理布置圈状机房楼、机房内散热通道(内部布置散热器)、冷却楼顶部大型吸风筒,让冷却楼外空气自然流经机房内的散热通道到达冷却楼内部空间,同时吸走散热器的热量,空气温度增高,通过大型吸风筒的烟囱效应,加热后的空气升向高空。自然通风冷却型式在电厂已经应用多年,技术非常成熟,这种散热过程,所用风冷不耗电,最大限度降低冷却能耗。

大数据中心自然通风冷却楼还结合了相变自热循环节能技术,具体内容主要包括紧贴CPU等热源布置高效散热冷板,相应热源的散热器布置在机柜上面的冷却风道里,散热器通过进、出两根管道连接热源冷板,组成循环回路系统,在此系统内填充适量的低沸点(比如沸点为70度)氟化液。当服务器等产热设备运行时,氟溶液工质在CPU冷板里持续受热,加热一段时间时,氟化液就沸腾蒸发成汽体,上升到机柜顶部的散热器里,而散热器布置在冷却风道里,风道里连续流过的空气带走散热器热量,散热器里的汽体被冷却变成液体,顺着回流管道流回CPU等热源冷板。随着氟化液在热源和散热器两个位置连续加热、冷却,反复相变,形成在不耗电能的情况下,氟化液在热源、管道、散热器三者形成的循环回路系统内,持续反复循环,并完成热源热量高效传送到散热器里,并通过冷却风道内自然流动的空气把热量送向高空。

综合上述,热量从热源到散热器是相变自然循环,不耗电能。热量从散热器到高空是通过自然通风散到高空,不耗电能。从而大数据中心自然通风冷却楼实现了极大限度的减低耗能,做到极限节能。考虑特殊天气、辅助新风耗电,保守评估PUE<1.03。

冷却楼机房内散热通道、机柜组及服务器、散热器等布置如图3所示。自然通风冷却楼里的服务器产生热量从CPU等热源到散热器、从散热器到高空的散热过程,不耗费电能,最大限度降低冷却耗能。

用冷板直接冷却热源和沸腾蒸发冷却有利于提取较高温度的余热,提高冷却效果。目前认可的CPU等热源部件工作允许温度在70℃左右,如利用沸点70℃的氟溶液,由于这种冷却系统布置,只有保持连续让氟溶液沸腾蒸发,才能实现及时带走热源所产生的热量,运行后冷却工质温度会保持70℃,散热器的温度也接近70℃,在夏天高温天气,将近40度的空气依然能容易冷却70℃的散热器。

三 大数据中心自然通风冷却楼结构具有余热发电前景

大数据中心随着社会发展、规模增大,将会产生巨量余热,余热高效利用、特别是大数据中心余热发电将是研发重要方向。余热高效利用的前提是在设备安全运行的前提下,尽量提高余热温度,余热温度越高利用价值越广泛。目前机房热风道温度是45度,最多用来冬天取暖,余热利用效率很低,大量的余热白白抛弃。

大数据中心余热发电有多种预案,采取措施尽量提高余热的温度,并采用新技术优化改进目前有机朗肯循环余热发电设备,比如采用磁悬浮轴承,改高速转子变为低速转子,改发高压电变为适合服务器应用的24伏、48伏等,使其更适合低热能发电。根据太阳能烟囱发电原理,可以考虑利用大数据中心余热实现烟囱发电,考虑叶轮转子效率低,将其更换成扇叶转子风力发电。大数据中心自然通风节能楼再通过优化,经过计算用几个相同吸风能力的烟囱组合代替凉水塔吸风筒,并确保烟囱底部热风流速达到5米/秒以上,实现用叶扇风机发电。这是大数据中心余热高效利用研发的一个方向。

四 结束语

目前已经在国内申请两项技术核心专利。机力通风冷却楼的实用新型专利已经授权,自然通风冷却楼的发明专利进入实质审查阶段。公司还要在专利优先权期限内,申请国际专利,确保顺利进入国际市场。

本冷却节能方案专门为大数据中心冷却节能设计,降低运行成本,提高大数据中心开发商、集成商的新建项目的竞争力,也是能源合同管理公司运作项目的理想节能应用技术。根据本冷却节能方案原理规划改造原有大数据中心机房,同样会获得节能效果。

目前大多数新建机房PUE在1.25左右,相比之下,本方案大约节能20%,按20万台服务器的大数据中心计算,改为本方案后,每年冷却耗能减少1.7亿度电,减少大量二氧化碳排放,运行2.5年左右节省收回增加成本,而冷却楼使用寿命要在30年以上,产生巨大经济效益和良好社会效益。

作者简介

乔彦勋

1991年7月热动专业毕业,分到北京电建工作,从事火电厂施工管理,对电厂自然通风冷却塔和机力通风塔两种冷却方式原理和能耗比较熟悉,2017年参与电厂节能项目研究,接触中科院工程热物理研究所倡议的微槽群复合相变冷却系统,属于无动力循环节能技术。通过多年技术积累,奠定了研发大数据中心冷却节能系统的良好基础。

(来源:《数据中心建设+》杂志)

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