数据中心空气冷却系统的能效指标ECR

目前计算芯片的功耗不断增大，但受限于工艺制程的极限，芯片单位面积上的晶体管数量增长趋于稳定。为了提高计算能力，通常通过增大芯片面积来实现，因此芯片的热通量密度（TDP / Die size）一般不超过150W/cm²。考虑到空气冷却中采用散热器强化传热的方案，若散热器的表面积为底面积的7.5倍，则实际的冷却需求仅为20W/cm ² ，足以满足空气冷却的能力要求。

随着数据中心能效要求日益严苛，对数据中心能源消耗过程的分析需要更加细致。冷却系统是数据中心仅次于IT设备的最大能耗来源。然而，采用一维冷却系统来评估数据中心能效时，往往忽视了机房内冷量的实际利用情况，导致冷却系统的能耗偏高，性能未能达到预期效果。

该研究通过对数据中心空气冷却系统进行分析，将冷却过程分为四个阶段： 1-冷空气输送、2-IT设备冷却、3-热空气排除和4-空调热交换，冷却空气应单向依次流动，如图1所示。

其中阶段1和阶段3为冷量输配，应避免冷却空气发生回流Recirculation（由3回到1）或旁通Bypass（由1直接到3），且机柜服务器的供冷量与热负荷相匹配；阶段2和阶段4分别发生在机柜服务器和机房空调内部，旨在冷却IT设备，属于有效冷却。由于阶段2和阶段4热平衡相等，难以直接计量其有效冷却的效能，故本研究提出了能量图法对空气冷却系统的四个阶段的能量传递进行量化分析。

图2展示了空气冷却系统的理想状态，设备进出风的温度与空调送回风温度一致。图3进一步给出了回流和旁通作用下的温度、流量变化情况。（a）回流提高了服务器进风温度、服务器出风温度不变，增大了服务器气流通量。（b）旁通与回流表现相反，服务器出风温度提高、服务器进风温度不变，减小了服务器气流通量。（c）同时发生回流与旁通，服务器进风与出风的温度升高，服务器气流通量可能不变。这些不利的气流组织都将导致IT设备温度升高，从而降低冷却系统性能。

为了评估空气冷却系统的能效，本文提出了有效冷却率（Effective Cooling Ratio，ECR）作为评价指标。有效冷却率ECR定义为总供冷量中用于冷却IT设备的比例。ECR值为1表示空调单元提供的所有冷量都被用于冷却IT设备，没有冷量浪费。ECR值越小，则表明冷量的利用效率越低，空气冷却系统的能效越差。

ECR与数据中心PUE成负相关，即ECR越高，PUE越小。在仅考虑数据中心IT设备和冷却系统的能耗情况下，PUE的计算公式可为：

式中，COP代表电制冷效率。该关系揭示了数据中心对 IT 设备的有效冷却，并阐明了在不同条件下，ECR 对数据中心 PUE 的影响。

通过空气冷却系统的能效指标——有效冷却率ECR完善了数据中心冷却能效评价体系。将冷量的有效利用情况纳入衡量，不仅提高了冷却系统能效评估的精确度，也为数据中心降低PUE提供了更高效的优化途径。

陶文铨 ，中国科学院院士、西安交通大学教授，带领团队从事数据中心节能与低碳技术、电子器件冷却、氢燃料电池研发与利用相关的研究，牵头建立西安交通大学西安市数据中心节能与低碳技术重点实验室。

李楠 ，第一作者，西安交通大学，从事数据中心热管理与能效优化、电子器件散热、数据中心建筑氢能综合能源利用领域研究。

李皓巍 ，华为数字能源技术有限公司，热设计工程师。毕业于西安交通大学。

段凯文 ，中兴通讯股份有限公司，热设计高级工程师，毕业于西安交通大学。

原文题目：Evaluation of the cooling effectiveness of air-cooled data centers by energy diagram（基于能量图评估数据中心空气冷却的冷却效能）

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261924025996