摘要：通过对服务器浸没式液冷实验台的测试，分析不同室外温度和服务器发热功率下系统的制冷PUE（能源使用效率）。结果显示，制冷PUE值在1.05到1.28之间，室外温度39℃，负载功率3.773kW时，制冷PUE最低为1.056。上海市数据中心全年运行制冷PUE为1.060，使用浸没式液冷的数据中心冷却系统能耗仅为传统精密空调的10%。

关键词：数据中心、浸没式液冷、制冷PUE、节能

数据背景

据工信部2019年数据，截至2017年底，我国数据中心机架总规模增长33.4%，大型、超大型数据中心增速68%。2018年中国数据中心总用电量占全国用电量2.35%，未来5年预计增长66%。数据中心电能消耗中，冷却系统约占40%，因此降低冷却系统能耗是关键。

随着单机柜发热功率突破20kW，传统精密空调难以解决高功率和局部热点问题，导致冷却系统能耗过高甚至无法完全散热。浸没式液冷以高换热效率解决这些问题，应用日益广泛。本文将介绍浸没式液冷的换热效率及节能潜力。

实验台与方法

实验台

浸没式液冷分为单相和两相两种类型，单相浸没式液冷中的液体在使用过程中不涉及相变过程，而两相浸没式液冷中的液体会在气态和液态中转变。本研究的对象是两相浸没式液冷，实验搭建了用于测试浸没式液冷换热效率的实验台。主要仪器设备有箱体、加热负载、冷凝盘管、风机、水泵、数据采集装置等。实验台示意图如图1。

实验台箱体及内部实验装置、数据采集装置均放置于室内侧环境舱，风机、水泵放置于室外侧环境舱，室内侧和室外侧环境舱均可用空调系统精确控制其空气参数。室内环境舱中尺寸为0.4m×1m×1.4m的箱体，加热负载位于箱体内中下部，冷凝盘管位于箱体上部。箱体内液体能完全浸没加热元件。箱体正面、右侧面和上表面均有部分区域用透明材料制成，方便实验人员观察箱体内实验情况。

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. 设置室外温度，约90分钟后温度稳定。

2. 设置负载加热功率，等待温度稳定，约30分钟。

3. 每5分钟记录一次数据，共记录3次。

4. 改变负载加热功率，重复步骤2和3。

5. 改变室外温度，重复上述步骤。

上海市最高温度超过35℃的天数平均每年为7.6天，最高温可达40.2℃。此次实验设置了9个温度区间，涵盖最不利天气。

实验仪器

实验仪器技术参数表

实验结果与分析

实验结果

记录不同室外温度下风机和水泵功率及负载加热功率，发现制冷PUE值在1.05到1.28之间（如图4）。在39℃环境下，负载功率3.773kW时，制冷PUE最低为1.056。

数据中心能耗主要由IT设备、制冷设备、供配电系统、照明及其他能耗组成。根据文献，使用传统精密空调的数据中心，IT设备能耗占比56%，制冷系统34%，供配电系统7%，照明及其他3%。计算得出传统空调PUE为1.786，其中制冷PUE为1.609（如图6）。

采用上海市气象文件，将天气根据温度分为8个级别，与实验数据相对应，分别为10、15、20、25、30、33、36、39℃。对应关系如表

由式表得到上海地区全年制冷PUE为1.060，远低于论文中使用传统精密空调的数据中心全年制冷PUE-1.609，制冷能耗降低幅度高达90.2%。

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. 不同温度和相同功率下，制冷PUE基本相同。

2. 制冷PUE随负载功率上升而降低，最大值为1.270（30℃，0.895kW），最小值为1.056（39℃，3.773kW）。

3. 上海市数据中心全年制冷PUE为1.060，相比于使用传统精密空调的数据中心,能耗降低90.2%。