相变材料在数据中心绿色冷却中的研究进展

摘要：综述了相变材料在数据中心绿色冷却方面的研究现状。首先对数据中心能耗情况和相变材料进行简单介绍，说明相变材料在数据中心的应用意义，再从数据中心冷却和储能两大方面分别叙述了相变材料的功能和应用进展，最后对相变材料在未来数据中心的发展进行了展望，并为后来研究提供相关参考。

数据中心是一种用于提供数据存储、处理和传输服务，并为相关网络信息设备的集中容纳、互联和操作提供安全弹性支持的场所。近年来随着云计算、大数据、物联网、5G 通信等信息技术的快 速发展，数据量呈现几何级增长，数据中心的发展也迈入新阶段。预计至 2025 年，全球数据总量将 增加到 163ZB，数据中心产业规模将达到 1500 亿美元。此外与其他类型的建筑相比，数据中心的 能耗十分巨大。截至 2019 年，数据中心占全球总用电量的比例已达 3%，相当于三峡水电站全年发 电量的 8 倍左右。并且随着 IT 设备功耗逐步增大，数据中心的冷却需求和总能耗也在不断提高。 相变材料是建筑节能领域近来重点研究的方向之一，而数据中心作为特殊的建筑类型，相变材料在其内部的应用也得到了广泛的关注。使用相变材料不仅可以提高数据中心的冷却能力、降低冷却能耗， 还能优化数据中心热环境，提高数据中心工作安全性。因此，相变材料在数据中心中具有广泛的应用前景和节能潜力。

1 相变材料

相变材料(PCMs)是一种储热化学材料，其物理特征表现为在温度不变的情况下改变物质状态并能提供潜热。相变材料在吸收热量时能够利用自身的相态变化将热量储存起来，当需要热量时再进行逆相变，将热量释放出来。

相变材料按照其化学成分可以分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三类。无机相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等，生活中常见的水就是一种典型的无机相变材料。无机相变材料具有储能密度大、相变体积变化小、化学性能稳定等优点，但这类材料在相变过程中容易出现过冷、相分离现象，相变循环稳定性差。与无机相变材料相比，有机相变材料相变循环 稳定，无过冷、相分离现象。但其存在导热系数较小、相变体积变化较大等缺陷。有机相变材料主 要包括石蜡、脂肪酸类、多元醇类等。复合相变材料一般是由有机和无机相变材料组成。这类材料根 据其制备方法可进一步分为混合型与定型。混合型复合相变材料制备简单，是由多种相变材料直接混合而成。根据不同的材料配比可以制备不同相变温度的混合型材料，但需要进行封装，容易发生泄露。定型复合相变材料被包容在一个个微空间，不易发生泄漏，安全性较高。

2 相变材料在数据中心冷却中的应用

相变材料在数据中心冷却中的应用主要包括制冷剂、浸没液等。对于采用空气冷却技术的数据中心，相变材料主要起辅助冷却的作用，其能够弥补冷却单元的不足，降低冷却能耗。在这类数据中心的冷却环节，相变材料可以通过蒸发快速带走热量，提供更优的热环境。对于采用液体冷却技术的数据中心，相变材料可以作为冷却介质，突破风冷数据中心散热极限，强化冷却效果，获得更高的工作效率。

2.1 相变制冷剂

相变制冷剂是一类通过相变吸收空气中的热量从而达到降温效果的相变材料。目前制冷剂已在数 据中心中得到了广泛的应用，其工作地点通常为热管。制冷剂的蒸发和冷凝能够吸收和释放大量热量，提高机架的散热性能。此外，制冷剂的应用还能减少风扇的应用，降低数据中心工作噪声。

佟振等使用相同的热管系统分别研究了相变制冷剂为 CO2 和 R22 时数据中心的冷却性能，并以最大传热能力、总传热热阻和驱动温差作为评价指标，研究结果表明：在热管尺寸与充液率相同的情况下，以CO2 为工质的冷却系统制冷性能明显优于 R22。当管径为 9mm 时，CO2 热管的最大传热能力较 R22 热管高出 1800W，当管径为 12mm 时，CO2 热管的最大传热能力高出 3200W。两种热管 的总传热热阻都随着传热量的增大而减小，但整体上 R22 热管的总热阻高于CO2热管，相比于以 R22 为工质的热管，CO2热管的驱动温差平均低 4℃。

张志远等采用实验和建立热阻模型相结合的方法，分析了三维脉动热管耦合相变材料模块在使 用不同工质(甲醇、乙醇、丙酮)、不同充液率(34%，44%)情况下的传热特性，并研究了该模块在数据中心不同送风工况下的传热性能及在额定功率下的节能情况。研究结果表明：当充液率从 34%提升至 44%，使用甲醇的热管热阻变化最小，传热稳定性最佳；充液率为 34%时，热管内发展空间充足，气液塞分布较均匀，不同管子之间压差较大，传热性能要明显优于充液率为 44%的情况，使用充液率为 34%的甲醇工质耦合模块有利于提高数据中心的冷却性能，其热阻变化率为 48.7%，是所有工况中的最优值。此外，耦合模块的热阻随送风温度的增加而提升，随风速的增大而减小。当芯片额定功率为 80W 时，采用该耦合模块的数据中心相较于传统数据中心每年风机功耗和芯片漏电量分别能够减少 143.61kW·h 和 176.82kW·h。

丁涛等选择位于北京的某数据中心为实验对象，以冷冻水为分离式热管系统的制冷剂，主要研究了该热管系统在数据中心中的冷却性能，并将实验结果与传统数据中心 CRAC 系统进行对比，以火积损耗为数据中心冷却性能的评价指标。研究结果显示，采用热管系统的数据中心服务器芯片工作温度远低于 40℃，内部冷热气流掺混程度较低，气流组织质量明显高于传统数据中心，CRAC 系统的火积损耗比热管系统火积损耗高出 25.4%，由此可见，采用分离式热管系统比传统 CRAC 系统更为节能。

王振英等通过热平衡实验对 R22 制冷剂在一体式热管系统的冷却性能进行了讨论，该系统是由热管循环系统和蒸汽压缩循环系统复合而成，其最大特点是能够适应环境温度的变化。研究结果表明，使用 R22 制冷剂能够以更小的驱动温差运行热管系统，这意味着一体式热管系统能够适用于更高的室外温度环境，自然冷源的利用效率得到进一步提升，数据中心具有更高效的冷却效率。实验数据显示，相较于传统风冷系统，使用该系统能够使得数据中心 PUE 值降低 0.3，节能效果显著。

2.2 两相浸没液

两相浸没液是数据中心浸没式冷却技术中所使用的一类新型冷却介质。相较于传统单相浸没液在发热部件表面进行强制对流直接吸收热量达到冷却效果，两相浸没液能够在电子元件或封装表面实现沸腾传热，利用浸没液从液态向气态变化所产生的相变潜热，以更少的冷却介质达到同样的散热效果，大幅提高冷却系统的散热能力。此外，该类工质还需具有沸点低、电子绝缘性好、安全性高、经济性好以及绿色无污染等特性，目前市场上流行的两相浸没液主要以各类氟化物为主。

吴曦蕾等采用数值模拟的方法，研究了相变浸没冷却系统使用 4 种不同电子氟化液(D-1, FC72, HFE-7100,Novec 649)在不同箱体压力、冷却水流速和冷却水进口温度下的工作情况，并将模拟结 果与实验结果进行对比分析。研究结果表明，D-1 电子氟化液的适用压力范围最广，启动所需热流密 度最小，但其最大散热能力不如其他工质。随着冷却水流速的增大，蛇形管在 4 种氟化液蒸汽环境中 的冷却能力也趋于饱和，其中当工质为 FC-72 与 HFE-7100 时，蛇形管带走的热量最多。此外，冷却水进口温度与系统能量回收呈正相关，与系统冷却能力呈负相关。

吴晨隆等使用绝缘性好、湿润度高的两相浸没液 Novec 7100 作为数据中心的冷却剂，构建了 一个全浸没冷却系统，并通过实验研究了该系统在不同工作强度下的热力学性能和设备工作情况。研究结果表明，当冷却系统分别处于零负荷、半负荷和满负荷时，数据中心 COP 值分别为 0.6，1.47 和 3.20，系统火用效率分别为 69.9%，68.6%和 65.9%，使用 Novec 7100 的冷却系统在满负荷的情况下 有效散热能力不错，具有较好的冷却效率。相关设备在各种工况下运行良好，其中干燥塔的火用损率最高，平均能够达到 69%。

3 相变材料在数据中心储能中的应用

数据中心具有 365 天不间断运行的特性，其冷却系统也需保持全年不间断工作，但受昼夜及季节性变化的影响，数据中心冷却需求量和供给量往往不匹配，使用相变材料储能可以解决这类问题。相变储能系统可以在冷却需求量低时将多余的电量转化为冷能，在冷却需求增加的情况下再释放出来， 起到削峰填谷的作用，不仅可以增加冷却系统的散热性能，还能提高数据中心的经济效益。当数据中心发生电力故障时，相变材料所储存的冷能还将作为应急冷源，保障数据中心的安全运行。

王子彪等针对沈阳某高校图书馆数据机房进行了节能改造，在原有的空调系统基础上增设了相变蓄冷系统，以固化十二醇硬脂酸为蓄冷材料，并使用自然冷源能效比 FCE 等指标来评价改造后的 数据机房。研究结果显示，增设相变蓄冷系统后，数据机房自然冷却制冷量达 262680kW·h，制冷系统总耗电从原先的 235468kW·h 降低至 96489kW·h，能源使用效率 PUE 从 2.1 降低至 1.51，自然冷源能效比 FCE 从 0 提高至 4.99，由此可见相变材料对于北方地区的自然冷源有着很大的应用前景。

陈晓明等使用 PCM 储存夜间室外冷能和蒸汽压缩制冷冷量，以减少数据中心等场所的冷却能耗，通过实验和测量分析了采用 PCM 后冷却系统的制冷量、COP 等数据。研究结果表明，冷却系统在使用 PCM 后，制冷量和 COP 值分别提升至 5.75kW 和 2.77，使用夜间室外储能比蒸汽压缩制冷更节能，但 PCM 吸收冷量所需时间较长。

4 结论

从上述研究现状来看，相变材料在数据中心绿色冷却领域将具有很大的发展潜力，相变材料在数据中心中不仅可以作为冷却介质强化冷却效果，还可以作为储能材料降低冷却能耗，提高数据中心经济性。但相变材料的使用仍具有一定的局限性，例如受环境温度影响相变材料工作不稳定、两相浸没液的泄漏问题、相变材料的耐久性安全性问题等，未来相变材料在数据中心中的优化应用将围绕这些方面展开。

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