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        熱管背板空調(diào)在某數(shù)據(jù)機(jī)房的實際應(yīng)用分析

        2020-07-25 09:07:26洪馨
        工程建設(shè)與設(shè)計 2020年12期
        關(guān)鍵詞:背板機(jī)柜熱管

        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 運行安全

        運行安全應(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,運行安全、可靠性更高。

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