数据中心分布式热管冷却系统优化分析方法

With the rapid growth of information industry, demand for high performance data center is increasing.Nearly 50% of data center operating cost is spent on air- conditioning. Reducing cooling cost is an urgent issue for management and development of high heat density data centers. In this project, thermal behavior and governing rules of data center cooling will be characterized by analysis of heat transfer ability loss. Maximizing heat flux under given temperature difference by flow rate optimization will be performed using both thermodynamic method (entropy generation and exergy loss) and entransy analysis (entranssy dissipation). Previous studies show that entransy analysis is suitable for heat transfer optimization by minimizing heat transfer ability loss, which is represented by entransy dissipation caused by temperature difference driven heat conduction, mixing of hot and cold air and unmatching flowrate in heat exchangers. The essential work is to remove cerntain heat under available driven force (temperature difference between indoor and outdoor), with minimum temperature difference dissipation and cold source of high temperature. The temperature distribution of a real data center indicates that mixing of hot and cold air has a significant impact on heat transfer performance. The following works are proposed in this project: 1)Analyze the influence of input work and flowrate change in HX network on entransy dissipation with test data. 2) Apply distributed cooling solution to improve data cooling performance based on minimum principle of entransy dissipation. 3) Build a test bench to verify the analysis above. 4) Study the key parameters of applied heat pipe system, including tube size, temperature loss between the terminals, pressure loss, heat flux and so on. 5) Propose a whole-cycle input-output optimization model for distributed cooling system of data center, which could provide guidance for application of such system.

我国数据中心的年耗电量已超过1000亿度，而且逐年递增。数据中心空调系统的能耗占总能耗接近一半，如何降低空调能耗是建设高效数据中心的关键。对于数据中心的空调系统，通常采用火用分析和熵产分析方法，但得到的结果并不能给出系统的优化工况。 本项目拟对比采用熵产分析、火用分析方法与火积耗散理论建立机房冷却过程的评价与优化方法，通过运行参数和气流组织的优化实现运行能耗的减小。并且通过计算热量采集、传递和冷热空气混合过程的传热火积损失，量化空气不等温混合以及换热流体的流量匹配程度对机房传热性能的影响，得出数据中心节能的系统方案以及优化运行方法。本项目拟搭建数据中心排热测试系统，验证上述优化理论，并且得到分布式热管系统的温差损失、传热量、输送距离以及几何尺寸的内在联系。在以上研究的基础上，综合考虑投资成本和运行成本，提出用于数据中心分布式冷却系统的全周期投入产出优化模型，为该系统的应用提供指导。

数据中心是一个集中存放计算服务器的场所，其散热密度高达500～3000W/m2，是常规建筑的100倍，近年来随着IT设备性能的逐渐提高，在今后的发展中，数据中心散热密度进一步提高。数据中心极高的热流密度和不均匀的热源分布特性也对空调系统提出了挑战，传统的数据中心空调系统难以满足高密度数据中心的散热需求，新的冷却方式亟待开发。.针对目前数据中心冷却技术存在的高能耗问题，本项目提出了数据中心分布式冷却系统的概念、结构特征及运行控制方式，解决了中低密度数据中心（单机柜5～10kW）的气流掺混和输配能耗大的问题。.本课题对比研究了不同系统类型下（分布式冷却系统和精密空调系统），数据中心热传递过程的特点，建立数据中心冷却过程的换热网络模型。并分析研究了排热过程各个环节的温差损失，采用优化的方法减小了各环节传热驱动力的损失。在此基础上构建多级冷机和冷却塔串联的大温差冷水系统，实现了机械制冷和自然冷却的联合运行，根据室外环境的变化调节冷机和冷却塔的供冷量，延长自然冷却时间，提高冷机运行效率，在全年不同工况下解决了数据中心自然供冷的可用性和调节性.在数据中心内部换热分析中，通过火积耗散理论建立评价与优化体系，实现冷却系统的全面优化（运行参数，气流组织等）。并针对新提出的数据中心散热系统，建立合理的投入产出模型，实现数据中心冷却系统的全局优化。课题组通过实验验证了分布式冷却技术优化的结果，并通过理论研究的成果指导制定相关标准。.分布式冷却系统解决了局部热点，气流掺混的问题。该系统还减少了换热温差，增强了换热能力，降低了输配能耗，提高了冷源温度，相比于传统的精密空调冷却模式，分布式数据中心冷却系统节约了大量的电能。