洪馨

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海200092）

1 引言

數(shù)據(jù)中心作為全球協(xié)作的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)平臺，處于快速發(fā)展中，集成度高、能耗大的數(shù)據(jù)單機(jī)柜設(shè)備大量增加。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)采用房間級、列間精密空調(diào)制冷，普遍存在氣流組織不均勻、機(jī)房內(nèi)局部熱點、能耗大等問題，散熱問題已制約高熱流密度IT 設(shè)備的發(fā)展。熱管背板空調(diào)的出現(xiàn)很好地解決了機(jī)房高密度機(jī)柜散熱問題；同時，由于熱管背板空調(diào)位于機(jī)柜背部，減少輸送能耗，有利于冷源的供回水溫度的提高，延長自然冷卻的時間，對節(jié)能意義重大[1～3]。

以上海地區(qū)某數(shù)據(jù)機(jī)房為例，通過CFD 模擬技術(shù)，將熱管背板空調(diào)與列間空調(diào)的溫度場、氣流組織進(jìn)行對比分析。實例說明，熱管背板空調(diào)在節(jié)能、安全可靠等方面的優(yōu)勢。

2 背板空調(diào)分類及原理

背板空調(diào)根據(jù)使用的載冷劑不同，可以分為水冷背板與熱管背板。水冷背板的載冷劑為冷凍水，熱管背板的載冷劑為氟利昂。該項目根據(jù)機(jī)房工藝及運(yùn)行安全的要求，采用熱管背板空調(diào)。熱管背板空調(diào)，管內(nèi)為氣液兩相流，以潛熱的形式進(jìn)行換熱。

液態(tài)的工質(zhì)在熱管背板空調(diào)的蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱變?yōu)闅鈶B(tài)；氣態(tài)的工質(zhì)在壓差作用下進(jìn)入熱管冷凝器與冷凍水進(jìn)行熱交換，放熱后凝結(jié)成液態(tài)，在重力的作用下回流至熱管背板空調(diào)的蒸發(fā)器，完成制冷循環(huán)，如此反復(fù)。

3 項目概況

該數(shù)據(jù)機(jī)房位于上海某高層建筑的5 層，冷源設(shè)備布置于建筑裙房屋面，熱管冷凝器布置于5 層空調(diào)機(jī)房。

根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房的發(fā)展需求，該單機(jī)柜功耗為6kW，選用尺寸為1 200mm×600mm×2 200mm（深×寬×高）的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。

冷源采用自然冷卻風(fēng)冷螺桿式冷水機(jī)組，冷凍水管道采用雙管路環(huán)狀布置，冷凍水供回水溫度為12℃/18℃。

4 模型建立

4.1 應(yīng)用場景建立

擬對熱管背板空調(diào)和冷凍水型列間空調(diào)這2 種形式的空調(diào)末端進(jìn)行對比分析的前提條件如下：（1）選取同一個數(shù)據(jù)機(jī)房作為研究對象；（2）布置的機(jī)架數(shù)量大致相等，單機(jī)架功耗相同，即機(jī)房內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷近乎相等；（3）空調(diào)的冷源均采用帶自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組。

熱管背板空調(diào)末端方式，在該數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)布置機(jī)柜90 架（見圖1）；列間空調(diào)末端方式，在數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)布置機(jī)柜96 架（見圖2）。

圖1 熱管背板空調(diào)機(jī)房 布置平面圖

圖2 列間級空調(diào) 機(jī)房平面圖

4.2 機(jī)房環(huán)境要求

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的要求，設(shè)定冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度為18～27℃，相對濕度為40%～55%。

5 模擬結(jié)果對比分析

5.1 熱管背板空調(diào)

機(jī)架布置采用“面對面、背對背”的方式，機(jī)架內(nèi)的服務(wù)器上中下均勻布置；熱管背板空調(diào)與機(jī)柜一一對應(yīng)并緊貼機(jī)柜背部，并保證密封良好；熱管背板空調(diào)采用自帶風(fēng)機(jī)的形式，風(fēng)機(jī)為上中下3 層均勻布置。熱管背板空調(diào)的制冷量與單機(jī)柜功耗一致為6kW，其出風(fēng)溫度設(shè)定為23℃。

5.1.1 溫度場模擬

通過模擬計算，截取機(jī)房1.5m 高處的溫度分布，如圖3 所示，采用熱管背板空調(diào)，機(jī)房內(nèi)的溫度分布均勻，穩(wěn)定在約23℃，與初步設(shè)定的背板空調(diào)出風(fēng)溫度基本一致，機(jī)房的環(huán)境溫度均滿足規(guī)范要求，整個機(jī)房不存在熱環(huán)境。

圖3 機(jī)房1.5m處溫度場分布圖

5.1.2 氣流組織模擬

截取機(jī)房1.5m 高處的氣流矢量分布，如圖4 所示，機(jī)房內(nèi)的氣流分布均勻、有序，從圖4 中可以看出，服務(wù)器設(shè)備吹出的熱風(fēng)直接被熱管背板空調(diào)冷卻，熱空氣無法滲透至房間內(nèi)，整個機(jī)房處于冷環(huán)境中，冷風(fēng)從機(jī)柜前門進(jìn)入，進(jìn)一步冷卻服務(wù)器設(shè)備，形成一個良好的氣流循環(huán)；選用自帶風(fēng)機(jī)的熱管背板，能有效地避免熱風(fēng)滲透的問題，同時使氣流在機(jī)柜內(nèi)有序流通。

圖4 機(jī)房1.5m處氣流場分布圖

5.2 冷凍水型列間空調(diào)

機(jī)架布置采用“面對面、背對背”的方式并設(shè)置封閉冷通道，機(jī)架內(nèi)的服務(wù)器上中下均勻布置；列間空調(diào)單臺制冷量為30kW，每個冷通道設(shè)置4 臺空調(diào)，運(yùn)行方式為三用一備，氣流組織為前出風(fēng)后回風(fēng)。通過模擬計算及可對比性，同樣截取機(jī)房1.5m 高處的溫度及氣流矢量分布。

5.2.1 溫度場模擬

如圖5 所示，冷通道內(nèi)處于冷環(huán)境狀態(tài)下，其溫度分布均勻，溫度近似為列間空調(diào)的出風(fēng)溫度23℃，而機(jī)房環(huán)境（冷通道以外部分）溫度明顯高于冷通道內(nèi)部，溫度為32～38℃，如圖6 所示，從機(jī)柜底部到頂部溫度逐步升高，即冷風(fēng)冷卻服務(wù)器后溫度升高，直接排至機(jī)房內(nèi)，形成了熱環(huán)境，其中機(jī)柜背面上部的溫度約為38℃。

圖5 機(jī)房1.5m處溫度場分布圖

圖6 機(jī)柜剖面溫度場分布圖

5.2.2 氣流組織模擬

如圖7 所示，列間空調(diào)送風(fēng)至冷通道內(nèi)，冷通道內(nèi)的氣流存在相互干擾；機(jī)柜背部熱氣流集中回流至列間空調(diào)背部，該處熱氣流相對集中，導(dǎo)致與列間空調(diào)相對較近的機(jī)柜背部溫度也較高。

圖7 機(jī)房1.5m處氣流場分布圖

5.3 模擬分析結(jié)論

通過以上2 種空調(diào)末端方式的溫度場、氣流組織分布情況分析得出以下結(jié)論：

1）在同樣的出風(fēng)溫度條件下，熱管背板空調(diào)位于機(jī)柜背部，直接冷卻服務(wù)器吹出的熱氣流，避免熱氣流進(jìn)入機(jī)房環(huán)境，整個機(jī)房內(nèi)溫度近似于空調(diào)出風(fēng)溫度，溫度場分布均勻，而列間空調(diào)末端方式存在冷熱通道，機(jī)柜背部溫度較高，背板空調(diào)的溫度場分布情況優(yōu)于列間空調(diào)。

2）熱管背板空調(diào)的氣流組織比較均勻，不存在氣流間的相互干擾，其送回風(fēng)氣流方向較為一致，而列間空調(diào)在冷通道內(nèi)的冷氣流存在相互間的干擾，機(jī)柜背部的熱氣流因集中回至列間空調(diào)，存在局部熱量集中的情況。

6 背板空調(diào)工程應(yīng)用分析

6.1 運(yùn)行節(jié)能

6.1.1 末端輸送能耗

熱管背板空調(diào)靠近發(fā)熱源制冷，降低風(fēng)阻，降低風(fēng)機(jī)的能耗。該數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)建設(shè)項目，單臺熱管背板空調(diào)風(fēng)扇總功率為160W，則90 臺熱管背板總消耗功率為14.4kW。

采用冷凍水型列間空調(diào)時，單臺空調(diào)風(fēng)機(jī)功率約為1.6kW；根據(jù)機(jī)房平面及空調(diào)布置，正常運(yùn)行的列間空調(diào)為21臺（不含備用），風(fēng)機(jī)總消耗功率為33.6kW。

對比2 種空調(diào)形式，熱管背板空調(diào)相對于列間空調(diào)可節(jié)約末端風(fēng)機(jī)功耗，年節(jié)約電量168 192kW·h。

6.1.2 冷源側(cè)節(jié)能性

熱管背板空調(diào)末端，其機(jī)房內(nèi)環(huán)境溫度近似為空調(diào)出風(fēng)溫度，在規(guī)范要求及服務(wù)器的允許范圍內(nèi)，可以適當(dāng)提供末端的出風(fēng)溫度，冷源側(cè)冷凍水的供回水溫度可以相應(yīng)提高，冷水機(jī)組的效率明顯提高，達(dá)到更好的節(jié)能效果，同時，可延長自然冷源的利用時間。

6.2 運(yùn)行安全

運(yùn)行安全應(yīng)注意以下2 方面：（1）機(jī)房管路布置。熱管背板空調(diào)，其機(jī)房內(nèi)僅布置冷媒管道，與冷凍水型列間空調(diào)相比，不存在水管進(jìn)入機(jī)房的運(yùn)行風(fēng)險。（2）冗余。熱管背板空調(diào)可以實現(xiàn)雙盤管備份，在某一盤管出現(xiàn)故障時，不影響其制冷能力，實現(xiàn)在線更換，對機(jī)房內(nèi)的溫度場，氣流組織不產(chǎn)生影響；同時，在正常運(yùn)行時，雙盤管可作為制冷量的冗余。而列間空調(diào)故障時，因其空調(diào)的布置，其溫度場、氣流組織將受到影響，因此，在安全運(yùn)行方面，背板空調(diào)有明顯的優(yōu)勢。

6.3 機(jī)房布置

采用熱管背板空調(diào)，空調(diào)緊貼熱源，實現(xiàn)近端制冷，整個機(jī)房內(nèi)的環(huán)境溫度一致，近似為熱管背板的出風(fēng)溫度，機(jī)房內(nèi)的機(jī)架成列布置，可選擇面對面或順序布置，無冷熱通道隔離的需求。采用列間空調(diào)，為避免冷熱風(fēng)混流影響機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度，需進(jìn)行冷熱通道隔離，設(shè)置封閉冷通道[4，5]。

因此，采用熱管背板空調(diào)，可減少冷通道封閉的投資，對機(jī)柜的布置方式?jīng)]有嚴(yán)格要求。

7 結(jié)語

通過CFD 模擬分析及工程應(yīng)用的分析，熱管背板空調(diào)作為高功耗機(jī)柜制冷末端，其溫度場、氣流組織分布均勻，不存在氣流間的相互干擾；機(jī)房內(nèi)環(huán)境溫度近似背板空調(diào)的出風(fēng)溫度，也有利于冷源側(cè)供回水溫度的提高，延長自然冷源利用時間，減少末端輸送能耗，無熱氣流的溢出，同時也為運(yùn)維人員提供了良好的工作環(huán)境[6]。熱管背板空調(diào)的雙盤管備份，機(jī)房內(nèi)僅布置冷媒管道，運(yùn)行安全、可靠性更高。