重力熱管背板空調(diào)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的使用特性

何其振　吳麗菲　郭佳哲　孫地　陳剛　吳志楓

摘 要：根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃，圍繞貫徹落實(shí)信息通信技術(shù)發(fā)展，增強(qiáng)云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)原始創(chuàng)新能力，形成產(chǎn)業(yè)體系國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力；新方向新需求帶來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求加劇，能源消耗加劇。結(jié)合IDC行業(yè)分析制冷系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了一種關(guān)于新型重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)使用方式，優(yōu)化機(jī)房環(huán)境，降低制冷整體能耗。

關(guān)鍵詞：重力熱管背板空調(diào)；數(shù)據(jù)中心；節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）03-0059-02

根據(jù)工信部關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)指導(dǎo)文件，新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心電能使用效率（PUE）值不高于1.5，力爭(zhēng)改造后的數(shù)據(jù)中心的PUE值下降到2.0以下；到2020年，形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系，新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心PUE值不高于1.4；新型創(chuàng)新產(chǎn)品重力熱管背板空調(diào)被應(yīng)用于新建及改造的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)中，可有效解決高熱密度、局部熱點(diǎn)問(wèn)題；同時(shí)，重力熱管背板空調(diào)具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)，合理的應(yīng)用及配置重力熱管背板空調(diào)可進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)房環(huán)境，擴(kuò)大重力熱管背板空調(diào)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，降低PUE值。

重力熱管背板空調(diào)與服務(wù)器機(jī)柜對(duì)應(yīng)安裝，重點(diǎn)根據(jù)服務(wù)器機(jī)柜功率密度、系統(tǒng)形式進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 應(yīng)用分類(lèi)

1.1 服務(wù)器機(jī)柜應(yīng)用分類(lèi)

現(xiàn)有運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心平均每機(jī)架容量普遍維持在5kw左右，根據(jù)中國(guó)數(shù)據(jù)中心工作組對(duì)我國(guó)IDC行業(yè)調(diào)查，此現(xiàn)狀仍將持續(xù)一段時(shí)間；原因在于新建和現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的功率密度的改變，取決于位置，大小，工作量，業(yè)主的操作樣式和經(jīng)驗(yàn)，以及整體設(shè)計(jì)的考慮。

目前市場(chǎng)上主要應(yīng)用的機(jī)架式服務(wù)器設(shè)備（1～2U設(shè)備）單臺(tái)滿(mǎn)載運(yùn)行功率300～500w左右，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)19英寸42U機(jī)柜，基礎(chǔ)設(shè)施管理者普遍控制上柜容量在50%以下，即單機(jī)架容量維持在4～6kw左右。行業(yè)內(nèi)不同用戶(hù)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)機(jī)架容量如表1。

重力熱管背板空調(diào)安裝于服務(wù)器機(jī)柜背門(mén)，依靠重力循環(huán)換熱，屬于被動(dòng)換熱的一種，應(yīng)對(duì)不同服務(wù)器機(jī)柜容量，重力熱管背板空調(diào)換熱能力與之匹配，重力熱管背板空調(diào)單機(jī)換熱量為0～15kw。

1.2 重力熱管背板空調(diào)應(yīng)用分類(lèi)

結(jié)合目前行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)重力熱管背板空調(diào)進(jìn)液出汽的方式分為下進(jìn)液上出汽重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)，上進(jìn)液上出汽重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)；兩種應(yīng)用形式都是利用環(huán)保冷媒R134a在低壓狀態(tài)下蒸發(fā)、冷凝的相變換熱作用，不同的在于液態(tài)冷媒輸配方式不同。

2 重力熱管背板空調(diào)應(yīng)用分析

2.1 冷媒管道連接方式

如上述內(nèi)容，兩種重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)主要區(qū)別在于液態(tài)冷媒的輸配方式。上進(jìn)液上出汽背板液態(tài)冷媒分配為U型管原理，此種方式對(duì)于背板數(shù)量較多時(shí)，遠(yuǎn)端與近端背板設(shè)備壓損差值將影響冷媒分配，如圖1示，A點(diǎn)與a點(diǎn)即存在壓損，A點(diǎn)冷媒壓力大于a點(diǎn)，在自由分配的作用下，遠(yuǎn)端背板的冷媒少；如存在機(jī)柜負(fù)載不均時(shí)，此系統(tǒng)方式將造成遠(yuǎn)端背板設(shè)備出風(fēng)溫度偏高，根據(jù)項(xiàng)目測(cè)試，近端與遠(yuǎn)端背板設(shè)備出風(fēng)平均溫度相差在5℃左右。

下進(jìn)液上出汽背板液態(tài)冷媒分配為并聯(lián)直線(xiàn)型，如圖2示，在液冷冷媒重力流的狀態(tài)下，單個(gè)背板設(shè)備的液位差有效彌補(bǔ)水平方向上A點(diǎn)與a點(diǎn)的壓力差值影響，可以很好的進(jìn)行冷媒分配，大大提升重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)輸送長(zhǎng)度，機(jī)柜列長(zhǎng)度可達(dá)15米。

由上可知，重力熱管背板空調(diào)采用下進(jìn)液上出汽方式時(shí)整體性能優(yōu)于上進(jìn)液上出汽方式。

2.2 負(fù)載不均影響

單套重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)冷媒分配隨設(shè)備數(shù)量增加變的不均勻，應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)設(shè)備配置數(shù)量，通過(guò)廠(chǎng)家測(cè)試顯示，單套重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)最佳配置2～10臺(tái)背板空調(diào)，最大不超過(guò)20臺(tái)。

同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)配置數(shù)量對(duì)負(fù)載均勻性的要求，表2所示為重力熱管背板空調(diào)在每臺(tái)機(jī)柜均勻負(fù)載分布時(shí)的測(cè)試記錄，可知背板出風(fēng)溫度均滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)。

設(shè)備廠(chǎng)家進(jìn)行測(cè)試研究，針對(duì)單列6臺(tái)背板設(shè)備的重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)機(jī)柜進(jìn)行負(fù)荷偏差度不同和分布規(guī)律的不均的測(cè)試。服務(wù)器分為上中下3組（10臺(tái)服務(wù)器機(jī)柜為3+4+3），通過(guò)調(diào)節(jié)服務(wù)器的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不均勻分布，如表3所示。

機(jī)柜負(fù)載不均勻分布，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度和背板出風(fēng)溫度都沒(méi)有明顯的溫度分層，服務(wù)器均能正常的運(yùn)行，并且可以發(fā)現(xiàn)場(chǎng)景1～4的服務(wù)器負(fù)載分布方案可行?？芍槍?duì)6臺(tái)背板設(shè)備的系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足使用，如表4所示。

2.3 機(jī)柜擺放方向

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房服務(wù)器機(jī)柜擺放方式分為同向布置、反向布置（機(jī)柜面對(duì)面或背對(duì)背布置），對(duì)于不同的機(jī)柜布置方式，重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)為不同的換熱能力、可靠性。

根據(jù)GB50174中關(guān)于IDC機(jī)房設(shè)計(jì)參數(shù)要求，重力熱管背板空調(diào)布置在機(jī)柜背部，背板出風(fēng)側(cè)設(shè)計(jì)溫度為23℃，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)計(jì)溫度為25℃，如圖3所示，機(jī)柜設(shè)計(jì)為同向布置時(shí)，第一列機(jī)柜進(jìn)風(fēng)側(cè)與第二列機(jī)柜出風(fēng)側(cè)（背板進(jìn)風(fēng)側(cè)）為相同通道，形成混風(fēng)區(qū)，機(jī)房?jī)?nèi)氣流組織交叉，間接降低部分背板設(shè)備的換熱量，容易形成局部熱點(diǎn)；同時(shí)如存在第二列某背板設(shè)備失效，對(duì)第一列對(duì)應(yīng)位置機(jī)柜形成二次加熱，擴(kuò)大影響，降低機(jī)房可靠性。

如IDC機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜采用反向布置，圖4示，氣流組織相對(duì)合理，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，系統(tǒng)節(jié)能性提高10%；同時(shí)，有效應(yīng)對(duì)單背板設(shè)備失效，當(dāng)某臺(tái)背板設(shè)備失效時(shí)，周?chē)嘲逶O(shè)備可自動(dòng)增大換熱量，降低失效影響，提高系統(tǒng)可靠性。

3 需要關(guān)注的問(wèn)題

3.1 防凝露與機(jī)柜回風(fēng)溫度控制邏輯

重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)需設(shè)計(jì)防凝露控制邏輯，當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境露點(diǎn)溫度升高時(shí)，通過(guò)提高冷媒供液溫度來(lái)防止換熱盤(pán)管凝露；這樣會(huì)降低背板換熱量，需同時(shí)考慮換熱量需求。

3.2 背板系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)環(huán)境要求

重力熱管背板空調(diào)貼近機(jī)柜安裝，系統(tǒng)為干工況運(yùn)行。因此背板系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需考慮機(jī)房環(huán)境狀況，要求機(jī)房露點(diǎn)溫度小于15℃，確保重力熱管背板空調(diào)換熱盤(pán)管無(wú)凝水。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，應(yīng)用重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮提升整體節(jié)能性、可靠性的系統(tǒng)方式，不可盲目配置；可知，當(dāng)采用恰當(dāng)?shù)倪B接方式、以及合適的機(jī)房布置方式和配置，能使得重力熱管背板空調(diào)系統(tǒng)使用特性與實(shí)際需求高效結(jié)合，服務(wù)于IDC機(jī)房建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

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