基于蒸發(fā)冷卻的數(shù)據(jù)中心熱管背板空調(diào)系統(tǒng)研究

陳石魯 張小松 趙善國(guó)

(1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096;2 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院 南京 211170)

云計(jì)算、區(qū)塊鏈、5G等信息技術(shù)爆發(fā)式發(fā)展應(yīng)用,數(shù)字化社會(huì)信息數(shù)據(jù)的傳輸速度和數(shù)量迅速增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心為傳遞、計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的IT應(yīng)用系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境,數(shù)據(jù)需求急劇加大導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心規(guī)模和數(shù)量日益擴(kuò)增[1-3]。過(guò)去5年全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心數(shù)量增長(zhǎng)一倍多;至2022年中期我國(guó)在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模達(dá)590萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架[4]。數(shù)據(jù)中心擴(kuò)增帶來(lái)嚴(yán)重的能耗問(wèn)題,2020年我國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量突破2 000億kW·h,約占社會(huì)總用電量的2.71%[5],非IT設(shè)施中制冷系統(tǒng)能耗占比最大,約達(dá)38%[6]。單機(jī)柜功率密度增加造成單機(jī)熱流密度提升,機(jī)房散熱要求提高,傳統(tǒng)房間級(jí)空調(diào)無(wú)法有效制冷散熱。因此,數(shù)據(jù)中心亟需節(jié)能高效的制冷系統(tǒng),面臨兩大挑戰(zhàn):降低能耗和保障散熱冷卻,即優(yōu)化冷源系統(tǒng)和末端設(shè)備[7]。

蒸發(fā)冷卻主要以水為冷卻介質(zhì),利用“干空氣能”,通過(guò)水蒸發(fā)吸熱進(jìn)行冷卻空氣或水[8-10]。江億等[11-12]開發(fā)了間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組,黃翔等[13-15]研究了風(fēng)側(cè)、水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)。目前,風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻在干燥寒冷地區(qū)應(yīng)用較廣,水側(cè)蒸發(fā)冷卻由于產(chǎn)生的冷水溫度受氣候條件限制,應(yīng)用受到制約[16-17]。田振武等[18]實(shí)測(cè)了干燥地區(qū)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組性能變化,分析其運(yùn)行模式和切換條件。郭志成等[19]在新疆地區(qū)設(shè)計(jì)了復(fù)合乙二醇的單、雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組,測(cè)試結(jié)果表明雙面型制冷效果更好。常健佩等[20]實(shí)驗(yàn)測(cè)試并對(duì)比分析了臥管、立管、板管、露點(diǎn)等間接蒸發(fā)冷卻器的效率和性能。E. Sofia等[21]探討了直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻和聯(lián)合蒸發(fā)冷卻三種蒸發(fā)冷卻方式的研究結(jié)果。潘振皓等[22]探索蒸發(fā)冷卻技術(shù)在極端熱濕氣候中具有1.5～6.4 ℃冷卻效益潛力。Xuan Y. M. 等[23]闡述了蒸發(fā)冷卻的環(huán)境影響和節(jié)能潛力,分析了水處理、自動(dòng)控制策略等與蒸發(fā)冷卻實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)因素。

熱管背板空調(diào)是基于分離式熱管的數(shù)據(jù)機(jī)房制冷設(shè)備,緊貼機(jī)柜后門安裝,直接冷卻通過(guò)機(jī)柜的高溫排風(fēng),適用于高熱密度的服務(wù)器機(jī)房[24-26]。羅銘等[27]研究了熱管背板性能受回風(fēng)溫度、風(fēng)量的影響,提出可提高正常工作背板風(fēng)量暫時(shí)應(yīng)對(duì)部分背板出現(xiàn)故障的極端情況。陳文婷等[28]分析得到背板換熱量對(duì)過(guò)熱度和過(guò)冷度較敏感,同時(shí)受水溫、水量等影響。劉瑩等[29]分析表明熱管背板空調(diào)氣流組織最優(yōu),能夠提高機(jī)房空間利用率。劉再德等[30]對(duì)215個(gè)機(jī)架改造安裝熱管背板測(cè)試分析,改造后PUE(電能使用效率,power usage effectiveness)由2.32降至1.6。何其振等[31]得出重力熱管背板空調(diào)采用制冷劑液體從下進(jìn),吸熱蒸發(fā)后制冷劑氣體從上出的方式時(shí),整體的制冷效果更好。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要針對(duì)蒸發(fā)冷卻技術(shù)和熱管背板末端分別進(jìn)行研究,尚無(wú)搭建蒸發(fā)冷卻冷源和熱管背板末端的整體數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)研究。本文創(chuàng)新性提出利用間接-直接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耦合熱管背板空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于高濕度地區(qū)數(shù)據(jù)中心全年不間斷制冷,冷源部分充分利用自然冷源降低能耗,末端貼近熱源優(yōu)化散熱。首先介紹系統(tǒng)組成和工作原理,然后進(jìn)行全工況運(yùn)行策略和性能分析,結(jié)合數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)制冷能力和節(jié)能效果,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析影響熱管背板空調(diào)性能的相關(guān)因素,為數(shù)據(jù)中心低碳高效制冷設(shè)計(jì)提供綠色可行方案。

1 系統(tǒng)原理

基于蒸發(fā)冷卻的熱管背板制冷系統(tǒng)主要分為冷源主機(jī)和室內(nèi)末端部分,如圖1所示。冷水機(jī)組設(shè)計(jì)蒸發(fā)冷卻冷凝器,并增加水-水板式換熱器,蒸發(fā)冷卻填料塔制取的冷卻水可用于室外溫度較高時(shí)開啟壓縮機(jī)制冷循環(huán)的冷凝器冷卻,也可通過(guò)板換預(yù)冷或完全冷卻室內(nèi)末端回水,減少壓縮機(jī)運(yùn)行功率和運(yùn)行時(shí)間。機(jī)房?jī)?nèi)背板末端低溫制冷劑液體從背板底部管道分配進(jìn)入熱管換熱器銅管,吸收服務(wù)器機(jī)柜的熱量相變成氣體從頂部管道返回CDU(冷量分配單元,coolant distribution unit),與冷源供給冷水換熱,冷卻為液體依靠重力重復(fù)循環(huán)。服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)熱空氣經(jīng)過(guò)熱管背板換熱器被制冷劑冷卻降溫后由背板風(fēng)機(jī)吹出,營(yíng)造機(jī)房?jī)?nèi)冷環(huán)境,冷空氣進(jìn)入機(jī)柜吸熱循環(huán)。

蒸發(fā)冷卻冷凝器制取冷卻水過(guò)程如圖2所示,填料塔進(jìn)風(fēng)兩側(cè)設(shè)空氣-水換熱器和立管間接蒸發(fā)預(yù)冷器,獲取更低溫度的冷卻水。通過(guò)填料塔降溫的冷卻水,大部分用于冷卻冷凝器和板式換熱器,小部分流入空氣-水換熱器預(yù)冷室外進(jìn)風(fēng),室外空氣經(jīng)過(guò)換熱器第一次預(yù)冷后分開流入立管間接蒸發(fā)冷卻器管內(nèi)濕通道和管外干通道,濕通道內(nèi)空氣和噴淋水接觸蒸發(fā),間接冷卻干通道空氣。室外空氣第二次預(yù)冷后流入填料塔與噴淋水接觸直接蒸發(fā)冷卻,噴淋水溫度降低流入填料塔底部循環(huán)供水。

2 全工況運(yùn)行策略及節(jié)能分析

GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[32]要求的機(jī)房環(huán)境如表1所示,機(jī)房?jī)?nèi)全年24 h制冷,為延長(zhǎng)高濕度地區(qū)蒸發(fā)冷卻利用自然冷源時(shí)間,結(jié)合冷水機(jī)組與熱管背板的制冷特點(diǎn),本系統(tǒng)設(shè)計(jì)3組不同冷源供回水溫度研究全工況主機(jī)和末端運(yùn)行可行性和機(jī)組性能,分別為10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃、20 ℃/26 ℃。

表1 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范要求

2.1 全工況4種運(yùn)行模式

對(duì)室外空氣進(jìn)行預(yù)冷的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耦合熱管背板空調(diào)系統(tǒng),全工況運(yùn)行共4種模式,每種模式各關(guān)鍵部件開閉情況如表2所示。

表2 運(yùn)行4種模式的關(guān)鍵部件開閉狀態(tài)

模式1:直接蒸發(fā)冷卻完全自然冷源模式。室外環(huán)境溫度很低時(shí),室外空氣直接與填料噴淋水接觸蒸發(fā),制取冷卻水滿足將背板末端回水降溫至要求的供水溫度,壓縮機(jī)制冷循環(huán)關(guān)閉,該模式僅利用低溫室外空氣可提供數(shù)據(jù)中心機(jī)房所需全部冷源。當(dāng)室外氣溫低于0 ℃時(shí),該模式添加使用乙二醇溶液進(jìn)行制冷循環(huán),防止冷凍結(jié)冰。

模式2:間接-直接蒸發(fā)冷卻完全自然冷源模式。室外環(huán)境溫度較低時(shí),開啟間接蒸發(fā)冷卻器,經(jīng)過(guò)二次預(yù)冷的室外空氣與填料噴淋水接觸蒸發(fā)制取的冷卻水能夠完全冷卻末端回水達(dá)到室內(nèi)末端換熱要求,壓縮機(jī)制冷循環(huán)仍關(guān)閉,該模式也可利用室外自然冷源提供機(jī)房所需全部冷量。

模式3:間接-直接蒸發(fā)冷卻部分自然冷源模式。室外環(huán)境溫度較高時(shí),開啟空氣-水換熱器和立管間接蒸發(fā)冷卻器,經(jīng)二次預(yù)冷的室外空氣與填料噴淋水接觸制取冷卻水不能完全冷卻末端回水至供水溫度,但可以一定程度降低回水溫度,經(jīng)過(guò)預(yù)冷的回水流入蒸發(fā)器內(nèi)通過(guò)開啟壓縮機(jī)制冷循環(huán)進(jìn)一步降溫至供水溫度,壓縮機(jī)制冷量減小,功率減小。

模式4:壓縮機(jī)機(jī)械制冷模式。室外環(huán)境溫度很高時(shí),蒸發(fā)冷卻冷凝器制備冷卻水溫度等于或高于機(jī)房回水溫度,開啟壓縮機(jī)制冷循環(huán),冷卻水吸收壓縮機(jī)制冷循環(huán)中冷凝器散發(fā)的熱量。

2.2 開式冷卻塔與預(yù)冷蒸發(fā)冷卻制冷效果

傳統(tǒng)開式冷卻塔冷水機(jī)組廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心,開式冷卻塔利用直接蒸發(fā)冷卻原理,室外空氣與噴淋水在填料直接接觸,冷卻水冷卻冷凝器高溫高壓制冷劑,完成壓縮機(jī)制冷循環(huán)。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試開式冷卻塔的制冷性能,在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝冷卻塔冷水機(jī)組,開啟壓縮機(jī)制冷循環(huán)模式,測(cè)試開式冷卻塔在高濕度地區(qū)典型室外工況的制冷效果,圖3所示為提供不同溫度的冷凍水時(shí)冷卻塔制取冷卻水的溫度變化。

圖3 不同溫度冷水機(jī)組冷卻塔水溫測(cè)試

目前數(shù)據(jù)中心冷卻塔冷水機(jī)組供回水溫度設(shè)置為7 ℃/12 ℃、10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃的工況較普遍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明隨著室外空氣干球溫度從35 ℃逐漸降至11 ℃,相對(duì)濕度約為65%,傳統(tǒng)冷卻塔冷卻水的供回水溫度均同步降低。調(diào)節(jié)壓縮機(jī)制冷量不變,冷卻水循環(huán)量固定,冷凝溫度從約40 ℃降至約26 ℃,壓縮機(jī)運(yùn)行功率降低。分析測(cè)試數(shù)據(jù),冷卻水進(jìn)出水溫差范圍為1.63～2.27 ℃,且冷卻水的供水溫度高于空氣濕球溫度2.13 ℃以上。

使用MATLAB軟件參考相關(guān)文獻(xiàn)模型建立蒸發(fā)冷卻冷凝器數(shù)學(xué)模型[33-34],模擬對(duì)室外空氣預(yù)冷的蒸發(fā)冷卻換熱效果,結(jié)果如圖4所示。室外空氣先經(jīng)過(guò)空氣-水換熱器,與冷卻水供水換熱預(yù)冷,再通過(guò)立管間接蒸發(fā)冷卻二次預(yù)冷。預(yù)冷后空氣濕球溫度降低1.06～1.98 ℃,在填料塔與冷卻水回水接觸直接蒸發(fā)冷卻,制取冷卻水供水溫度更低,接近室外空氣的濕球溫度。冷卻水供回水平均溫差為4.46 ℃,大于傳統(tǒng)冷卻塔。

2.3 高濕度地區(qū)運(yùn)行節(jié)能分析

蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耦合熱管背板空調(diào)系統(tǒng)在高濕度地區(qū)應(yīng)用的可行性及能效分析,關(guān)鍵在于冷水機(jī)組制取冷水的溫度、自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)。蒸發(fā)冷卻冷凝器冷卻水的極限溫度是經(jīng)過(guò)預(yù)冷后的空氣濕球溫度。室外空氣先通過(guò)空氣-水換熱器被冷卻水減焓降溫,然后被立管內(nèi)空氣和噴淋水間接蒸發(fā)冷卻,此時(shí)空氣濕度保持不變,干球溫度與濕球溫度均降低。冷卻后的空氣從填料塔底部經(jīng)過(guò)填料吸收水膜表面蒸發(fā)的水分子,機(jī)組回水從填料塔頂部噴淋,填料表面水分子與空氣接觸,由于溫差存在發(fā)生顯熱交換,水蒸氣分壓力差促使發(fā)生潛熱交換,回水沿飽和相對(duì)濕度曲線降低溫度。

濕球溫度效率通過(guò)式(1)計(jì)算,表示二次預(yù)冷對(duì)室外空氣濕球溫度的降低程度[13,35]:

(1)

式中:ηIEC,a為蒸發(fā)冷卻冷凝器室外空氣預(yù)冷濕球溫度效率;twb,a1為室外空氣的濕球溫度,℃;twb,a2為預(yù)冷后空氣的濕球溫度,℃;tdp,a1為室外空氣的露點(diǎn)溫度,℃。

蒸發(fā)冷卻冷凝器淋水填料水側(cè)冷卻效率表示淋水填料對(duì)回水的冷卻效率[13,35],如式(2)所示:

(2)

式中:ηDEC,w為蒸發(fā)冷卻冷凝器淋水填料水側(cè)冷卻效率;tw,h為冷卻水回水溫度,℃;tw,g為冷卻水供水溫度,℃。

填料塔風(fēng)側(cè)冷卻效率ηDEC,a,表示預(yù)冷后室外空氣與噴淋水換熱效率[13,35],如式(3)所示:

(3)

由式(1)和式(3)推出蒸發(fā)冷卻冷凝器的冷卻水供水溫度表達(dá)式:

(4)

根據(jù)建模及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,依據(jù)不同室外空氣參數(shù)設(shè)定高濕度地區(qū)濕球溫度效率為62%,淋水填料水側(cè)冷卻效率為80%,當(dāng)背板末端供回水溫為10 ℃/16 ℃時(shí),板式換熱器處冷卻水供水比末端冷凍水供水低1 ℃,室外濕球溫度低于8.1 ℃,冷水機(jī)組運(yùn)行直接蒸發(fā)冷卻完全自然冷源模式,室外氣溫<0 ℃時(shí),使用乙二醇溶液防凍;8.1 ℃<室外濕球溫度≤10.7 ℃時(shí),冷水機(jī)組運(yùn)行模式為間接-直接蒸發(fā)冷卻完全自然冷源;10.7 ℃<室外濕球溫度≤16.7 ℃時(shí),機(jī)組運(yùn)行部分自然冷源模式;當(dāng)室外濕球溫度>16.7 ℃時(shí)運(yùn)行壓縮機(jī)制冷模式。當(dāng)末端供回水溫為15 ℃/21 ℃時(shí),室外濕球溫度≤13.1 ℃,冷水機(jī)組運(yùn)行直接蒸發(fā)冷卻完全自然冷源模式;室外濕球溫度≤21.5 ℃時(shí),冷水機(jī)組可利用自然冷源。當(dāng)末端供回水溫為20 ℃/26 ℃時(shí),室外濕球溫度≤18.1 ℃,冷水機(jī)組運(yùn)行直接蒸發(fā)冷卻完全自然冷源模式,室外濕球溫度>26.5 ℃,運(yùn)行壓縮機(jī)機(jī)械制冷模式。

查找氣象數(shù)據(jù)集中南京地區(qū)典型年份室外氣候數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計(jì)不同供回水溫工況下蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組在南京數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行時(shí)間,結(jié)果如圖5所示。供回水溫度為10 ℃/16 ℃時(shí),全年可利用自然冷源的時(shí)間占59.9%,完全自然冷源時(shí)間占42.6%;供回水溫度為15 ℃/21 ℃時(shí),全年可利用自然冷源的時(shí)間占77.1%,完全自然冷源時(shí)間占57.0%;供回水溫度為20 ℃/26 ℃時(shí),全年可利用自然冷源的時(shí)間占94.7%,完全自然冷源時(shí)間占73.5%。因此對(duì)室外空氣進(jìn)行預(yù)冷的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組在高濕度地區(qū)數(shù)據(jù)中心節(jié)能效果顯著,具有可觀的應(yīng)用前景。

圖5 間接-直接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組全年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

3 末端性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

空調(diào)末端的換熱特性對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境至關(guān)重要,也會(huì)影響整個(gè)制冷系統(tǒng)能耗,是研究數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)必不可少的一部分,蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耦合熱管背板制冷系統(tǒng)中,影響背板性能的因素包括冷源供回水溫度、CDU安裝高度差、熱管換熱器銅管管徑、制冷劑充注量和制冷劑種類等,本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)詳細(xì)測(cè)試了前三項(xiàng)對(duì)背板的影響,并分析各因素影響程度。實(shí)驗(yàn)選取某品牌額定制冷量為5 kW的熱管背板在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境,進(jìn)行單一變量對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn),下面詳述實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

3.1 冷源供回水溫度

熱管背板緊貼機(jī)柜換熱,在保證機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度滿足要求的前提下,適當(dāng)提高供回水溫度可以提高蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的能效和延長(zhǎng)自然冷源的利用時(shí)間,從而降低能耗減小數(shù)據(jù)中心PUE值。結(jié)合蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的制冷特性及高濕度地區(qū)氣候條件,設(shè)定3組供回水溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分別為10 ℃/16 ℃,15 ℃/21 ℃,20 ℃/26 ℃。室內(nèi)回風(fēng)干球溫度為35 ℃,熱管背板測(cè)試機(jī)1、2制冷劑R410A充注量、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、CDU安裝高差等參數(shù)均保持一致,并排安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),測(cè)試兩組背板在不同供回水溫的性能參數(shù)以獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖6所示為測(cè)試機(jī)1、2在3組不同供回水溫的制冷量和性能系數(shù)(性能系數(shù)為設(shè)備制冷量與輸入功率的比值,熱管背板末端輸入功率為風(fēng)機(jī)總功率)、風(fēng)量和送風(fēng)溫度。

圖6 不同供回水溫度對(duì)熱管背板換熱性能的影響

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定不變,風(fēng)量變化很小,隨著供回水溫10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃、20 ℃/26 ℃依次提高,制冷量和性能系數(shù)明顯降低,測(cè)試機(jī)1的制冷量由7.75 kW減小25.21%、55.11%,測(cè)試機(jī)2制冷量由7.84 kW減小29.84%、57.30%,20 ℃/26 ℃工況下制冷量低于額定制冷量。同時(shí)送風(fēng)溫度明顯升高,10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃工況滿足機(jī)房送風(fēng)溫度要求,20 ℃/26 ℃工況下送風(fēng)溫度已高達(dá)28.12 ℃。由此可知,冷源供回水對(duì)熱管背板末端制冷性能影響顯著,10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃的供回水既能夠延長(zhǎng)蒸發(fā)冷卻自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)又能夠滿足機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度要求;20 ℃/26 ℃供回水可用于機(jī)房部分負(fù)載工作未達(dá)到滿負(fù)荷的工況,延長(zhǎng)蒸發(fā)冷卻自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)。

3.2 CDU安裝高差

重力型熱管背板制冷劑依靠自身重力完成蒸發(fā)冷凝循環(huán),熱管背板換熱器與CDU安裝需要滿足一定的高度差,理論上安裝高度差越大循環(huán)動(dòng)力越大,數(shù)據(jù)中心機(jī)房高度有限,安裝高度會(huì)影響管路布置,實(shí)際工程中安裝高差通常大于800 mm,本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試高度差對(duì)熱管背板換熱性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同CDU高度差對(duì)熱管背板換熱性能的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)置4種高度差:300、500、700、900 mm,室內(nèi)回風(fēng)溫度為35 ℃,測(cè)試機(jī)1冷源供回水溫為10 ℃/16 ℃,測(cè)試機(jī)2供回水溫為15 ℃/21 ℃,其他配置保持一致,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,安裝高差從300 mm增至900 mm,兩臺(tái)背板的制冷量和性能系數(shù)隨高度差的增大有小幅提升,制冷量增幅不超過(guò)5%,均滿足額定制冷量要求;送風(fēng)風(fēng)量幾乎不變,送風(fēng)溫度隨高差增大略有下降,降幅不大于2%,均滿足送風(fēng)溫度要求。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試其他機(jī)組在相同工況下仍滿足上述變化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)300 mm高差熱管背板啟動(dòng)相對(duì)困難,說(shuō)明300 mm高差已經(jīng)滿足單臺(tái)熱管背板制冷劑循環(huán)動(dòng)力要求,CDU與熱管背板安裝高差僅需滿足制冷劑循環(huán)的動(dòng)力要求,對(duì)熱管背板的性能影響較小,在安裝條件允許下適當(dāng)加大高差有利于熱管背板快速啟動(dòng),且可以小幅提高換熱性能。實(shí)際工程應(yīng)用中,機(jī)房?jī)?nèi)多臺(tái)熱管背板并聯(lián)供液和回氣管道,多臺(tái)背板回氣管路在同一CDU冷凝換熱,因此對(duì)CDU安裝高度差要求會(huì)更高,高差對(duì)多臺(tái)并聯(lián)使用的熱管背板性能影響更大。

3.3 換熱器銅管管徑

熱管背板換熱器為銅管鋁翅片形式,銅管管徑變化會(huì)改變制冷劑流態(tài)和換熱特性,從而影響整個(gè)背板換熱性能,實(shí)驗(yàn)研究?jī)山M銅管鋁翅片換熱器螺紋銅管的尺寸分別為Φ7 mm×0.25 mm×0.1 mm,Φ5 mm×0.2 mm×0.15 mm,管長(zhǎng)均為1 700 mm;其他參數(shù)均保持一致:開窗翅片長(zhǎng)為380 mm,寬為33 mm,片距為1.8 mm。圖8所示為不同換熱器管徑對(duì)熱管背板換熱性能的影響,對(duì)比了兩組銅管管徑的熱管背板在不同供回水溫工況下的制冷量、性能系數(shù)、風(fēng)量和送風(fēng)溫度等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明5 mm管徑換熱器換熱性能整體優(yōu)于7 mm管徑。在相同工況下,5 mm管徑的換熱器背板制冷量和性能系數(shù)大于7 mm管徑,供回水溫10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃、20 ℃/26 ℃依次變化,5 mm管徑的換熱器背板制冷量相比7 mm管徑分別增加13.87%、12.46%、8.46%。同時(shí),5 mm管徑背板風(fēng)量相比7 mm提高約16%,送風(fēng)溫度變化不顯著。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下,換熱器銅管管徑減小管道數(shù)量并未變化,因此增加換熱器的通風(fēng)面積減小送風(fēng)阻力,導(dǎo)致風(fēng)量增大,制冷效果提升。

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了應(yīng)用于高濕度地區(qū)數(shù)據(jù)中心的基于蒸發(fā)冷卻的熱管背板空調(diào)系統(tǒng),得到如下結(jié)論:

1)間接-直接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組在高濕度地區(qū)的節(jié)能潛力很大。與傳統(tǒng)開式冷卻塔相比,對(duì)室外空氣預(yù)冷的蒸發(fā)冷卻冷凝器能夠制取溫度更低的冷卻水;間接-直接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組全年4種運(yùn)行模式不間斷制冷,以南京為例,供回水溫度為10 ℃/16 ℃時(shí),全年可利用自然冷源的時(shí)間占59.9%,完全自然冷源時(shí)間占42.6%;供回水溫度提高,可利用自然冷源的時(shí)間延長(zhǎng)。

2)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耦合熱管背板系統(tǒng)適用于數(shù)據(jù)中心制冷。熱管背板制冷量和性能系數(shù)隨冷水機(jī)組供水溫度的提高顯著降低,10 ℃/16 ℃、15 ℃/21 ℃的供回水溫既能夠延長(zhǎng)蒸發(fā)冷卻自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)又能夠滿足機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度要求;CDU與熱管背板安裝高差300、500、700、900 mm,單臺(tái)背板的制冷量和性能系數(shù)隨高度差增大有小幅提升,均滿足額定制冷量要求;5 mm管徑的換熱器背板換熱性能整體優(yōu)于7 mm管徑的熱管背板。

綜上所述,間接-直接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組耦合熱管背板空調(diào)系統(tǒng)可在高濕度地區(qū)推廣使用,為數(shù)據(jù)中心提供節(jié)能高效的制冷方案。同時(shí),蒸發(fā)冷卻冷凝器風(fēng)側(cè)冷卻效率、水側(cè)冷卻效率及影響因素等需要進(jìn)一步研究分析;數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)熱管背板熱負(fù)荷與冷水機(jī)組制冷能力、蒸發(fā)冷卻冷凝器換熱能力等匹配特性也需要進(jìn)一步研究。