韋新東 陳巖松 黃一格

(1:吉林建筑大學(xué),長春 130118; 2:吉林省第五地質(zhì)調(diào)查所,長春 130000)

0 引言

近幾年,隨著通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展,電信產(chǎn)業(yè)市場化效應(yīng)顯著,企業(yè)對信息系統(tǒng)的依賴性逐步加深,對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet data center,英文縮寫為IDC)機房的需求也愈顯迫切.由于IDC機房的建設(shè)規(guī)模越來越大,服務(wù)器的集成度越來越高,設(shè)備數(shù)量多、散發(fā)的熱量大且過于集中,導(dǎo)致機房內(nèi)溫度過高,威脅機房內(nèi)設(shè)備安全穩(wěn)定運行，這使得IDC機房內(nèi)的制冷對于IDC機房的經(jīng)濟高效、安全可靠運行有著重要意義.學(xué)者們對高熱流密度IDC機房的能耗高、熱環(huán)境差等問題做了一系列相關(guān)研究.陳嘉偉[1-2]和黃慶河[3-4]采用數(shù)值模擬的方法對高熱流密度IDC機房的布局對服務(wù)器的換熱和能耗情況做了研究,并根據(jù)研究結(jié)論,優(yōu)化了IDC機房內(nèi)的機架和出風(fēng)口布置;張子軒[5]針對大型機房中部分服務(wù)器換熱效果差的問題,設(shè)計了共享風(fēng)扇來改善機房熱環(huán)境,并通過數(shù)值模擬完成了真實性驗證;韓波[6]通過數(shù)值模擬的方法,對幾種不同氣流組織形式的機房的換熱效果進行了對比,并找到了其最合適的工況.綜上,目前對高熱流密度IDC機房的研究主要集中在氣流組織和機柜布局對機房換熱效果影響方面,而對熱回收設(shè)備及結(jié)構(gòu)改造方面的研究報道較少.本文擬以采用微熱管陣列換熱器(Micro heat pipe arrays heat exchanger,英文縮寫為MHPAHE)的長春市某高熱流密度IDC機房為對象,對其夏季散熱性能進行研究,并分析其熱環(huán)境與節(jié)能性.

1 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)機房和微熱管陣列換熱器(MHPAHE)

1.1 IDC 機房散熱

IDC機房主要由 IT 設(shè)備、制冷系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)、照明和其他設(shè)備構(gòu)成,IDC機房的散熱主要通過制冷循環(huán)來實現(xiàn).制冷循環(huán)是制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)經(jīng)歷4個過程，即蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)過程、壓縮機內(nèi)的增壓過程、冷凝盤管內(nèi)的冷凝過程和膨脹節(jié)流閥及毛細管內(nèi)的降壓及流量調(diào)節(jié)過程,其散熱如圖1所示、空氣處理過程如圖2所示.

圖1 制冷循環(huán)的散熱Fig.1 Heat dissipation of refrigeration cycle

圖2 IDC機房空氣處理過程Fig.2 The air conditioning process in IDC computer room

1.2 MHPAHE

微熱管陣列是微熱管的集合體,微熱管陣列外表面通常為鋁合金,內(nèi)部設(shè)置一定數(shù)量的微熱管.微熱管包括蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段等3部分[7].工作運行時,熱量首先經(jīng)蒸發(fā)段外表面?zhèn)髦廖峁芡獗诿?液態(tài)工質(zhì)吸收壁面熱量蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)工質(zhì),再經(jīng)絕熱段浮升流至冷凝段,氣態(tài)工質(zhì)在冷凝段冷凝放熱,冷凝后的液態(tài)工質(zhì)依靠重力及毛細力作用返回至蒸發(fā)段,如此反復(fù)進行循環(huán),不斷地將熱量由熱端(即蒸發(fā)段吸熱)遷移至冷端(即冷凝段放熱)[8-9],微熱管本身的傳熱性能比相同尺寸的紫銅棒的傳熱性能要好許多[10].圖3[11]為MHPAHE工作原理圖.

圖3 微熱管陣列換熱器原理Fig.3 Schematic of MHPAHE

換熱器中設(shè)置按一定規(guī)律排布的微熱管陣列,當(dāng)換熱器工作時,上部冷凝段(冷卻段)內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)在上通道內(nèi)向溫度較低的室內(nèi)空調(diào)回風(fēng)放熱冷凝后,其液態(tài)工質(zhì)靠重力及毛細作用流至下部蒸發(fā)段(加熱段),并在下通道內(nèi)從溫度較高的夏季室外新風(fēng)中吸熱蒸發(fā)后,其氣態(tài)工質(zhì)靠浮升力作用返回上部冷凝段以進行下一個換熱過程,循環(huán)往復(fù),實現(xiàn)持續(xù)換熱.

2 數(shù)值模擬

2.1 IDC機房和MHPAHE的參數(shù)

表1為MHPAHE的特征參數(shù).圖4為采用MHPAHE的某高熱流密度IDC機房中各組成部分的位置和幾何尺寸.

表1 MHPAHE特征參數(shù)Table 1 Geometric parameters of micro heat pipe array heat exchanger

圖4 IDC機房內(nèi)設(shè)備外形尺寸及位置(單位:mm)Fig.4 The size and relative position of the objects in IDC computer room(Unit:mm)

2.2 控制方程

假設(shè)模擬中的流體為不可壓流體穩(wěn)定流動,采用二階迎風(fēng)格式求解能量和動量方程,壓力-速度耦合流采用SIMPLE算法.針對質(zhì)量、動量、能量和重正化群(Renormalization group,RNG)k-ε的控制方程組如下:

連續(xù)性方程:

(1)

動量方程:

(2)

能量方程:

(3)

RNGk方程:

(4)

RNGε方程:

(5)

式中,u為X軸速度分量,m/s;v為Y軸速度分量,m/s;w為Z軸速度分量,m/s;ρ為流體密度,kg/m3;ui為i方向速度分量,m/s;uj為j方向速度分量,m/s;p為壓強,Pa;μ為動力粘度,kg/(m·s);t為溫度,℃;α為熱擴散系數(shù),m2/s;k為湍動能,m2/s2;αk為湍動能k對應(yīng)的普朗特數(shù);μeff為有效動力粘度,kg/(m·s);ε為耗散率,m2/s3;Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項,kg/(m·s3);αε為耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù);μt為湍流動力粘度,kg/(m·s);下標符號i,j為張量符號,其取值范圍為1,2,3.

2.3 邊界條件

2.3.1 機房的邊界條件

空調(diào)送風(fēng)量為3m3/s,送風(fēng)溫度為13℃;機柜進風(fēng)速度為0.5m/s,機柜出風(fēng)口設(shè)為自由出流條件,只計算柜內(nèi)服務(wù)器的CPU(型號:E5-2697V4,數(shù)量:2,總功率:300W)和內(nèi)存條(型號:8GDDR4,數(shù)量:24,總功率:120W)的散熱量.

2.3.2 MHPAHE邊界條件

根據(jù)文獻[12],機房新風(fēng)量設(shè)為每人50m3/h,該機房常駐人員設(shè)為2人,空調(diào)室外干球計算溫度取長春市夏季空調(diào)室外干球計算溫度30.5℃.換熱器新風(fēng)入口風(fēng)速設(shè)為0.393m/s,溫度為30.5℃,新風(fēng)出口設(shè)為自由出流;排風(fēng)(空調(diào)回風(fēng))入口風(fēng)速設(shè)為0.566m/s,溫度模擬值為17.4 ℃,出口設(shè)為自由出流 .

IDC 機房的高度為3.5m,機房內(nèi)空調(diào)機組(AC)高度為2.8m, 機柜(Cabinet)的高度為2.2m,機房內(nèi)設(shè)備的其他尺寸如圖4所示.

2.4 網(wǎng)格劃分

2.4.1 機房網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型采用MESHER-HD,對風(fēng)口及機柜采取網(wǎng)格加密,網(wǎng)格如圖5所示.

圖5 高熱流密度IDC機房網(wǎng)格Fig.5 Mesh topology of the IDC computer room

圖6 MHPAHE網(wǎng)格Fig.6 Mesh topology of the heat exchanger

2.4.2 MHPAHE網(wǎng)格劃分

由于MHPAHE包含外部導(dǎo)入的CAD塊,只能采用MESHER-HD網(wǎng)格類型,對CAD體中風(fēng)管與導(dǎo)流罩連接處進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格如圖6所示.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 改造前IDC機房內(nèi)氣流溫度分布及流態(tài)

本文采用Fluent軟件對改造前機房內(nèi)的溫度、流場進行模擬.圖7是改造前IDC機房設(shè)備的表面溫度分布云圖,圖8是改造前IDC機房的虛擬示蹤粒子圖.

圖7 改造IDC機房前設(shè)備表面溫度云圖Fig.7 Temperature nephogram of equipment surface before the improvement of the IDC computer room

圖8 改造IDC機房前虛擬示蹤粒子軌跡Fig.8 Trajectories of virtual tracer particles before the improvement of the IDC computer room

圖7、圖8均顯示,區(qū)域內(nèi)最低溫度即空調(diào)送風(fēng)口處溫度為13℃,最高溫度為34.99℃;高溫區(qū)域出現(xiàn)在遠離空調(diào)送風(fēng)口的2臺機柜中,這2臺機柜的中間是上游機柜的回風(fēng)通道,由于服務(wù)器排出的回風(fēng)溫度較高,處于下游的機柜將直接吸入這些溫度較高的空氣,導(dǎo)致其自身熱環(huán)境較差.同時,由于機房未采用冷熱分離方式,導(dǎo)致部分冷風(fēng)未經(jīng)利用就與服務(wù)器排出的熱風(fēng)混合,存在部分冷量浪費的問題.

3.2 改造后IDC機房內(nèi)氣流溫度分布及流態(tài)

采用MHPAHE的IDC機房中IDC機房自身、架空地板和各類設(shè)備位置和尺寸不變,機柜尺寸不變,送風(fēng)形式改為地板下送風(fēng),上回風(fēng)的形式.此外,機柜中設(shè)置封閉冷通道,使機柜的進風(fēng)口與外界隔絕.在機房新風(fēng)入口處設(shè)置MHPAHE,使用空調(diào)回風(fēng)來給新風(fēng)降溫,緊接著新風(fēng)進入空調(diào)回風(fēng)口,經(jīng)空調(diào)處理后送出.

同樣,本文基于Fluent軟件對采用MHPAHE的冷熱通道分離式IDC機房(以下簡稱為改造后IDC機房)內(nèi)的溫度、流場進行模擬.圖9是改造后IDC機房設(shè)備的表面溫度分布云圖,圖10是改造后IDC機房虛擬示蹤粒子軌跡圖.由圖9、圖10可知,與改造前IDC機房對比發(fā)現(xiàn)藍色面積(低溫區(qū)域)更大,高溫區(qū)域主要分布在機柜的一個角,空調(diào)新風(fēng)口(即換熱器下通道蒸發(fā)段新風(fēng)出口處)吸入新風(fēng)的溫度較低,2個機柜均有良好的熱環(huán)境,離空調(diào)最遠的機柜過熱問題也得到解決.同時,由于封閉了冷通道(即上通道冷凝段),使冷量得到了充分利用,解決了冷風(fēng)從空調(diào)出風(fēng)口吹出后直接流入空調(diào)回風(fēng)口的短路問題,節(jié)約了冷量.

圖9 改造IDC機房后設(shè)備表面溫度云圖Fig.9 Temperature nephogram of equipment surface after the improvement of the IDC computer room

圖10 改造IDC機房后虛擬示蹤粒子軌跡Fig.10 Trajectories of virtual tracer particles after the improvement of the IDC computer room

3.3 MHPAHE內(nèi)氣流溫度分布

基于Fluent軟件模擬的換熱器溫度分布如圖11所示,MHPAHE工作時,溫度較低的空調(diào)回風(fēng)經(jīng)冷凝段(冷卻段)通道(圖3,圖11上部)吸熱后排至室外,另有同量室外新風(fēng)逆向經(jīng)相鄰的蒸發(fā)段(加熱段)通道(圖3,圖11下部)放熱后送入室內(nèi),冷熱不同的回風(fēng)(溫度低)、新風(fēng)(溫度高)等2種流體與換熱器翅片和微熱管陣列表面充分接觸實現(xiàn)持續(xù)換熱.圖11表明:換熱器內(nèi)不同通道出口處的回風(fēng)溫度、新風(fēng)溫度基本一致;上部冷凝段(冷卻段)通道內(nèi)室內(nèi)空調(diào)回風(fēng)出口溫度明顯增加,冷卻了MHPAHE的冷凝段(冷卻段),加熱了回風(fēng),有效回收了空調(diào)回風(fēng)冷量;下部蒸發(fā)段(加熱段)通道內(nèi)夏季室外新風(fēng)出口溫度明顯降低,加熱了MHPAHE的蒸發(fā)段(加熱段),冷卻了新風(fēng),有效降低了新風(fēng)冷負荷.

圖11 MHPAHE溫度云圖Fig.11 Temperature nephogram of MHPAHE

3.4 節(jié)能性

新風(fēng)換熱量按式(8)計算:

Q=MFA(h1-h2) (8)

式中,MFA為新風(fēng)質(zhì)量流量,kg/h;h1,h2分別為室外新風(fēng)的焓和經(jīng)MHPAHE換熱后新風(fēng)的焓, kJ/kg.

依據(jù)前述邊界條件新風(fēng)量按50m3/(h·人)×2人計,新風(fēng)密度按1.205kg/m3計,則新風(fēng)質(zhì)量流量

MFA=100×1.205=120.5kg/h.根據(jù)文獻[13],室外新風(fēng)干球溫度按30.5℃計、相對濕度按64%計[含濕量為14.3g/kg(d.a)].經(jīng)模擬,新風(fēng)換熱后的溫度為24.1℃、含濕量仍為換熱前的含濕量即14.3g/kg(d.a),由焓濕圖得:h1=76.1 kJ/kg,h2=60.7kJ/kg.根據(jù)式(8)算得Q=1 855.7 W.

空調(diào)節(jié)約的電能按式(9)計算:

(9)

式中,W為空調(diào)節(jié)約的電能,W;Q為新風(fēng)的換熱量,W;EER為空調(diào)機組能效比,按3.33計取.

由式(9)算得:節(jié)電量W=557.3W,若每年按365d、每天按10h計,IDC機房年節(jié)電量為2 034.1 kW·h/a.

4 結(jié)論

本文對2種不同型式的IDC機房進行了數(shù)值模擬,并通過其氣流組織、溫度分布及節(jié)能性的分析比較,得出以下主要結(jié)論:

采用冷熱通道分離式和增設(shè)排風(fēng)冷回收裝置(MHPAHE)措施改造IDC機房,解決了氣流短路問題,并提高了冷風(fēng)利用效率;模擬表明,改造后的機柜表面溫度明顯降低,距空調(diào)送風(fēng)口最遠處的機柜過熱問題得到了解決,熱環(huán)境得到優(yōu)化改善;增設(shè)MHPAHE后,有效地利用了空調(diào)排風(fēng)冷量,降低了空調(diào)電耗.