採用浸沒式冷卻技術 使機房PUE大幅降低

2021/06/03 - DIGITIMES企劃

對於高密度資料中心而言，現今要迫切解決的首要課題便是降低PUE。然而愈來愈多企業發現，散熱負荷過高，為PUE降不下來的關鍵，係因空氣並非好的冷媒，因而促使液冷散熱技術逐漸崛起。

成立於1970年、深耕熱處理銅銲工藝長達半世紀的高力熱處理工業，因應未來環境可持續發展趨勢，多年前跨足液冷技術、研發此領域當中的浸沒式散熱解決方案，希冀透過更節能、更省水的冷卻方式，不僅有效帶走機櫃的熱，也能協助降低PUE。

高力熱能事業部協理林岳宏指出，根據美國國家再生能源實驗室公佈的資料，可看出不同冷卻方式對資料中心能耗所產生的影響，其中有望讓PUE降至1.05以下的方式，唯獨直接液冷技術。

林岳宏說，假定有一座發熱量達100kW的機櫃，如果採用氣冷，可推算其熱傳導係數是0.026 W/m°C，相較水的0.64、介電液的0.064或0.125，單憑此數據即可印證水與介電液都是優於空氣的冷媒。此外空氣的流體比熱為1.01 kJ/kg°C，亦遠遜於水的4.07、介電液的1.09或1.97，意謂氣冷方式需要靠更大的驅動力來帶走熱，能耗自然偏高。

延續上述假設，於單一機櫃內置入發熱量100kW的氣冷伺服器，機櫃內空氣風速高達13.9m/s，推算其所需風扇/泵數量多達640個，意即1U配置16個，單單風扇/泵耗電量即為20kW，僅這部份的能耗就讓PUE須從1.2起跳，還不加計冰水主機、冷卻水塔的耗電，導致整體下修的空間有限。

若以100kW機櫃、環境溫度攝氏30度為比較基準，可推估氣冷方式的總耗電量為147.08kW、耗水量為2,356.2立方公尺；因水冷片僅適用於解除CPU/GPU等局部熱源，若採「水＋部份氣冷」的總耗電量為107.74kW，耗水量為1,725.9立方公尺；而介電液(浸沒式)的總耗電量為106.71或106.91kW，耗水量為1,709.4或1,079.4立方公尺。因此無論從省電或省水的角度來看，浸沒式散熱技術均居於領先地位，對照現階段台灣缺水現象，更凸顯此項技術的優勢。

「若採用浸沒式散熱技術的液冷資料中心，進一步導入廢熱回收再利用，可望使PUE繼續探低，甚至到達小於1地步。」林岳宏解釋，此運用方式須以高緯度地區為前提，可在液冷機櫃、CDU冷卻單元及溫水槽之外結合板式熱交換器，將熱回收供民生用熱水；或結合水源熱泵，製成熱水做為民生之用；或結合吸收式冰水機，製冷做為民生空調。

他引述德國壓縮機廠計算資料指出，假使熱泵蒸發溫度為0，每輸出100kW加熱量需耗用27kW電力，若能利用廢熱將熱泵蒸發溫度提高到20度，則同樣輸出100kW加熱量，僅需消耗17kW電力，形同協助熱泵節省10kW電力。
 
著眼於此，高力熱處理工業將持續推廣浸沒式散熱方案，致力成為「潔淨能源、能源管理、循環經濟」的技術整合領導者。


圖說：高力熱處理工業熱能事業部協理林岳宏博士。