管一鳴，臧國健，佟 振

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

目前，分離式熱管在國內(nèi)數(shù)據(jù)機(jī)房已經(jīng)得到了應(yīng)用，常見的系統(tǒng)形式為機(jī)柜級熱管系統(tǒng)，即熱管蒸發(fā)器安裝在各個機(jī)柜的后背板上，通常是多個蒸發(fā)器并聯(lián)的形式，室外側(cè)共用一個或幾個冷凝器。分離式熱管在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸成熟，錢曉棟、金聽祥[1-2]等研究發(fā)現(xiàn)，分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)具有較高的能效比和較大的節(jié)能潛力；金鑫等[3]研究了分離式熱管型機(jī)房空調(diào)的性能，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能有效控制發(fā)熱機(jī)柜出口出風(fēng)溫度，保證機(jī)房設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。劉歡等[4]以某數(shù)據(jù)機(jī)房為模型進(jìn)行CFD模擬，獲得了分離式熱管機(jī)房內(nèi)部的溫度場分布。羅銘等[5]通過實(shí)驗對熱管背板系統(tǒng)散熱性能進(jìn)行了研究。ZHANG Hainan等[6]針對數(shù)據(jù)機(jī)房提出了一種分離式熱管與機(jī)械制冷的復(fù)合系統(tǒng)，當(dāng)室內(nèi)溫度設(shè)定為27 ℃時，年節(jié)能率為5.4% ～ 47.3%。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用較多的機(jī)柜級熱管系統(tǒng)，運(yùn)行情況不甚理想。機(jī)柜級熱管系統(tǒng)可以直接跟機(jī)房進(jìn)行換熱，制冷終端采用與機(jī)柜一體化設(shè)計，能在不占用機(jī)房空間的情況下解決制冷能力不足和未來服務(wù)器擴(kuò)容受限的問題。但管內(nèi)工質(zhì)的過熱過冷現(xiàn)象非常普遍，這樣不僅會引起熱管系統(tǒng)局部過熱，還限制了系統(tǒng)能效的進(jìn)一步提高。由于實(shí)際應(yīng)用中，各機(jī)柜的發(fā)熱量難以保證完全相同，有時候甚至差異較大，如果熱管系統(tǒng)無法通過流量的自調(diào)節(jié)滿足各蒸發(fā)器的負(fù)荷需求，某些蒸發(fā)器就可能因流量不足而出現(xiàn)管內(nèi)過熱過冷的問題。對此，本文將對比分析機(jī)柜級熱管和列間式熱管系統(tǒng)的應(yīng)用效果及適用性，并提出合理建議。

1 機(jī)柜級分離式熱管系統(tǒng)

數(shù)據(jù)機(jī)房中應(yīng)用較多的系統(tǒng)形式為圖1所示的機(jī)柜級熱管系統(tǒng)，每個熱管的蒸發(fā)器對一個機(jī)柜進(jìn)行冷卻，熱管蒸發(fā)器的數(shù)量與機(jī)柜的數(shù)量相同，因此，需要多個蒸發(fā)器并聯(lián)連接，室外側(cè)則共用一個或幾個冷凝器。熱管內(nèi)的工質(zhì)依靠重力作用循環(huán)流動，在蒸發(fā)器中吸熱沸騰，在冷凝器中放熱凝結(jié)。

圖1 機(jī)柜級分離式熱管系統(tǒng)

1.1 熱管自調(diào)節(jié)性能

文獻(xiàn)[7]利用如圖2所示的雙蒸發(fā)器并聯(lián)的分離式熱管實(shí)驗系統(tǒng)，對熱管的自調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了實(shí)驗測試，結(jié)果表明，當(dāng)2個蒸發(fā)器的加熱負(fù)荷不均勻時，2個蒸發(fā)器之間的流量分配情況并不理想，雖然負(fù)荷較大的蒸發(fā)器流量略大于負(fù)荷較小的蒸發(fā)器，但熱管系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)流量的按需分配，當(dāng)2個蒸發(fā)器的負(fù)荷比從1∶1變化到15∶1時，其流量比僅從1∶1變化到1.67∶1，可見，當(dāng)熱管系統(tǒng)各蒸發(fā)器之間負(fù)荷不均勻時，熱管系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)能力非常有限，其流量分配情況無法滿足各蒸發(fā)器的需求，尤其當(dāng)各蒸發(fā)器之間負(fù)荷差異較大時，負(fù)荷較大的蒸發(fā)器往往因流量不足而出現(xiàn)蒸發(fā)器出口過熱的現(xiàn)象。

1.2 實(shí)測案例

北京市某數(shù)據(jù)機(jī)房采用了機(jī)柜級分離式熱管系統(tǒng)，機(jī)房已投入運(yùn)行接近1年時間，熱管系統(tǒng)中采用R22作為工質(zhì)。針對機(jī)房中某一排11個機(jī)柜進(jìn)行了現(xiàn)場測試，11個機(jī)柜的蒸發(fā)器共同連接一臺冷凝器，采用異程式連接方式，如圖3所示，上升管從各蒸發(fā)器頂部接出，下降管接到各蒸發(fā)器底部。分別對冷凝器的進(jìn)口、出口，及各臺蒸發(fā)器的進(jìn)口、出口工質(zhì)溫度進(jìn)行了測試，同時，利用功率計測量了每臺機(jī)柜的功率，以此作為各臺機(jī)柜的發(fā)熱功率。由于熱管系統(tǒng)的管材為紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)較高，因此在進(jìn)行管內(nèi)工質(zhì)溫度測試時，直接將溫度傳感器貼于管壁進(jìn)行測試，在良好的保溫條件下，認(rèn)為管內(nèi)工質(zhì)溫度近似等于管壁溫度。

圖3 分離式熱管系統(tǒng)連接示意

實(shí)測11個機(jī)柜的發(fā)熱功率及熱管蒸發(fā)器的進(jìn)、出口溫度如圖4所示。11個機(jī)柜中有4個機(jī)柜未擺放任何電子設(shè)備，其發(fā)熱功率為0，另外7個機(jī)柜的發(fā)熱功率各不相同，其中最大功率2596 W，最小功率858 W。測得冷凝器的出口溫度為12.3 ℃，而各蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度最低13.0 ℃，最高15.6 ℃，各蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度均高于冷凝器出口溫度，且各蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度之間存在最大2.6 ℃的差別。其原因主要有2個：①工質(zhì)從冷凝器向蒸發(fā)器流動的過程中，由于管路較長，與周圍環(huán)境存在熱交換，產(chǎn)生了一定的溫升；②在多蒸發(fā)器并聯(lián)的分離式熱管系統(tǒng)中，由于各蒸發(fā)器所在環(huán)路的阻抗不同，各蒸發(fā)器的負(fù)荷差別較大，其管內(nèi)工質(zhì)的流動傳熱情況非常復(fù)雜，一方面各蒸發(fā)器之間的流量分配較為復(fù)雜，另一方面管內(nèi)工質(zhì)在流動傳熱過程中可能出現(xiàn)局部回流的現(xiàn)象，因而使得各蒸發(fā)器進(jìn)口溫度出現(xiàn)較大差異。各蒸發(fā)器出口溫度中，最低17.0 ℃，最高22.3 ℃，從圖4中可以看出，各蒸發(fā)器的出口溫度均高于進(jìn)口溫度，尤其對于負(fù)荷最大的8號機(jī)柜蒸發(fā)器，其進(jìn)出口溫差達(dá)到了9.3 ℃，說明熱管的運(yùn)行情況較不理想，其管內(nèi)工質(zhì)在流動傳熱過程中出現(xiàn)了較為明顯的過熱或過冷現(xiàn)象。總的來看，發(fā)熱功率較大的機(jī)柜，其蒸發(fā)器的出口溫度也較高，但對于發(fā)熱功率較小的機(jī)柜，其運(yùn)行情況也并不理想，蒸發(fā)器出口仍存在明顯的過熱，這可能是由于來自相鄰機(jī)柜蒸發(fā)器出口的工質(zhì)回流導(dǎo)致的。實(shí)測冷凝器的進(jìn)口溫度為17.6 ℃，冷凝器的進(jìn)、出口溫度之間也存在5.3 ℃的差異，也能反映出熱管在運(yùn)行過程中的過熱過冷現(xiàn)象較為突出。

2 列間式分離式熱管系統(tǒng)

列間式熱管系統(tǒng)與機(jī)柜級熱管系統(tǒng)的區(qū)別在于，列間式熱管系統(tǒng)是將熱管蒸發(fā)器布置在各個列間空調(diào)內(nèi)，而不是各個機(jī)柜上，各列間空調(diào)內(nèi)的蒸發(fā)器相互并聯(lián)，共用一個或多個冷凝器。列間式熱管系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房的布置方式如圖5所示，由于列間空調(diào)的數(shù)量明顯少于機(jī)柜的數(shù)量，因此在該系統(tǒng)下，熱管系統(tǒng)中并聯(lián)的蒸發(fā)器的個數(shù)大大減少了。由于幾臺列間空調(diào)共同承擔(dān)整個熱通道的負(fù)荷，因此，相比于機(jī)柜級熱管系統(tǒng)，列間式熱管系統(tǒng)中各蒸發(fā)器的換熱面積更大，風(fēng)量更大，承擔(dān)的負(fù)荷也更大。

在數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)各個機(jī)柜發(fā)熱量不均勻的情況下，為了分析每臺列間空調(diào)所承擔(dān)的負(fù)荷大小，采用Airpak軟件建立了一個數(shù)據(jù)機(jī)房的三維數(shù)值模型，列間空調(diào)與機(jī)柜的布置方式以及各個機(jī)柜的發(fā)熱量大小如圖5所示。4排機(jī)柜按照冷、熱通道排列，其中冷通道封閉，列間空調(diào)穿插布置于機(jī)柜之間。冷通道內(nèi)溫度較低的氣流從各個機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入機(jī)柜，帶走機(jī)柜內(nèi)產(chǎn)的熱量后，溫度較高的氣流排至熱通道，而列間空調(diào)則從熱通道內(nèi)吸入溫度較高的氣流，經(jīng)冷卻后將溫度較低的氣流送至冷通道。數(shù)據(jù)機(jī)房長12.4 m、寬9.4 m、高3.9 m，單臺機(jī)柜及列間空調(diào)的尺寸均為長1.2 m、寬0.6 m、高2 m，機(jī)房內(nèi)共有8臺列間空調(diào)和28臺機(jī)柜，各機(jī)柜中發(fā)熱量最小的為1 kW，發(fā)熱量最大的為5 kW，差異較為明顯。機(jī)房內(nèi)的初始溫度設(shè)置為25 ℃，機(jī)房、機(jī)柜及冷通道的壁面均假設(shè)為絕熱壁面，經(jīng)過各個機(jī)柜的風(fēng)量相同，均為0.24 m3/s。各個列間空調(diào)的風(fēng)量相同，且機(jī)房內(nèi)所有列間空調(diào)的總風(fēng)量與所有機(jī)柜的總風(fēng)量相等，據(jù)此得到每臺列間空調(diào)的風(fēng)量為0.83 m3/s。設(shè)定列間空調(diào)的送風(fēng)溫度為20 ℃。機(jī)柜和列間空調(diào)的進(jìn)出風(fēng)口均為整個立面。

圖5 列間空調(diào)平面布置

經(jīng)過模擬計算，得到該數(shù)據(jù)機(jī)房1.5 m高度的溫度場分布如圖6所示。由圖6可以看出，發(fā)熱量較大的機(jī)柜，其排風(fēng)溫度較高，雖然不同機(jī)柜的排風(fēng)溫度相差較大，但不同溫度的氣流在熱通道中經(jīng)過了一定程度的摻混，因而，實(shí)際各臺列間空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫度之間的差別有所減小。圖7給出了機(jī)房內(nèi)8臺列間空調(diào)所承擔(dān)的負(fù)荷及進(jìn)風(fēng)溫度，雖然不同機(jī)柜之間的發(fā)熱量最大相差5倍，但經(jīng)過熱通道中的混合后，各臺列間空調(diào)所承擔(dān)的負(fù)荷最大僅相差1.5倍，可見，與采用機(jī)柜級熱管系統(tǒng)相比，列間式熱管系統(tǒng)可顯著改善熱管系統(tǒng)各蒸發(fā)器負(fù)荷的均勻性，從而在熱管系統(tǒng)自調(diào)節(jié)能力有限的情況下，改善熱管系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，減少管內(nèi)出現(xiàn)過熱過冷的現(xiàn)象。

圖6 數(shù)據(jù)機(jī)房1.5 m高度溫度場分布

3 分析與討論

在實(shí)際工程中，數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)的機(jī)柜數(shù)量較多，若采用機(jī)柜級熱管系統(tǒng)，每個機(jī)柜上都需要一個獨(dú)立的蒸發(fā)器，系統(tǒng)中并聯(lián)的蒸發(fā)器個數(shù)也往往較多，當(dāng)各個機(jī)柜的發(fā)熱量差別較大時，熱管系統(tǒng)的運(yùn)行情況較不理想，管內(nèi)很容易出現(xiàn)明顯的過熱過冷現(xiàn)象，從而造成熱管系統(tǒng)的局部熱點(diǎn)以及系統(tǒng)傳熱效率的降低。因此，從熱管系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、安全運(yùn)行的角度出發(fā)，應(yīng)盡可能使相互并聯(lián)的蒸發(fā)器之間負(fù)荷均勻，但在數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)際應(yīng)用中往往難以滿足，因此，當(dāng)數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)各個機(jī)柜的發(fā)熱量差別較大時，應(yīng)優(yōu)先采用列間式熱管系統(tǒng)作為分離式熱管系統(tǒng)的應(yīng)用形式，采用列間式熱管系統(tǒng)，一方面，并聯(lián)的蒸發(fā)器個數(shù)減少了，另一方面，由于不同機(jī)柜的排風(fēng)在熱通道中進(jìn)行混合后再進(jìn)入列間空調(diào)，因此，列間空調(diào)(即各蒸發(fā)器)的進(jìn)風(fēng)溫度差別較小，從而使得熱管系統(tǒng)中各并聯(lián)蒸發(fā)器之間的負(fù)荷較為均勻，有效減少了因各蒸發(fā)器負(fù)荷差別較大而帶來的流量分配不合理及過熱過冷現(xiàn)象。

除此之外，機(jī)柜級熱管系統(tǒng)與列間式熱管系統(tǒng)還存在氣流組織的差別，相比之下，機(jī)柜級熱管的蒸發(fā)器更靠近熱源，冷、熱氣流不易出現(xiàn)摻混，氣流組織更優(yōu)。而對于列間式熱管系統(tǒng)，要想達(dá)到接近機(jī)柜級熱管系統(tǒng)的氣流組織，就需要嚴(yán)格做好冷通道的封閉，且機(jī)柜上不應(yīng)存在連通冷、熱通道的空隙，機(jī)柜上如有未擺放設(shè)備的空位，應(yīng)加裝盲板。

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)驗結(jié)論、工程實(shí)測及模擬仿真，研究了分離式熱管應(yīng)用于北京某數(shù)據(jù)機(jī)房的系統(tǒng)形式，針對機(jī)柜級熱管系統(tǒng)和列間式熱管系統(tǒng)，分析了兩者的應(yīng)用效果及適用性。通過研究發(fā)現(xiàn)，對于數(shù)據(jù)機(jī)房中所采用的多蒸發(fā)器并聯(lián)的熱管形式，由于熱管系統(tǒng)對于管內(nèi)流量分配的自調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)各蒸發(fā)器之間負(fù)荷差別較大時，熱管系統(tǒng)的運(yùn)行情況較不理想，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差最大達(dá)到了9.3 ℃，負(fù)荷較大的蒸發(fā)器出口容易出現(xiàn)局部過熱。因此，當(dāng)各個機(jī)柜的發(fā)熱量差別較大時，數(shù)據(jù)機(jī)房不宜采用機(jī)柜級熱管系統(tǒng)，而應(yīng)優(yōu)先選擇列間式熱管系統(tǒng)。模擬結(jié)果顯示，列間式熱管系統(tǒng)可以顯著改善各蒸發(fā)器負(fù)荷的均勻性，當(dāng)不同機(jī)柜之間的發(fā)熱量最大相差5倍時，經(jīng)過熱通道中的混合后，各臺列間空調(diào)所承擔(dān)的負(fù)荷最大僅相差1.5倍，且相比機(jī)柜級熱管系統(tǒng)，其蒸發(fā)器數(shù)量減少，更有利于改善熱管系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，減少局部熱點(diǎn)，提高換熱效率。