本文主要是介绍浸没式液冷服务器的换热效率及节能潜力分析，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
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。
-对此，您有什么看法见解？-
-欢迎在评论区留言探讨和分享。-
这篇关于浸没式液冷服务器的换热效率及节能潜力分析的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
