数据机房液氮翅片管换热器系统降温效果

朱 琳, 郑文科, 王 晔, 姜益强, 孙 澄

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工业大学), 黑龙江 哈尔滨 150001;3.中国移动通信集团设计院有限公司, 北京 100080)

1 概述

随着云计算和大数据的快速发展,数据中心作为基础设施的关键设施,其需求量与上架率稳步提高,要求具备更强大的处理能力[1]。数据中心是一整套复杂的用于存储、处理和传输大量信息的设施[2],广泛应用于互联网公司、通信公司、银行、核电站、铁路等领域。随着数据中心快速发展,其整体的需求仍不断增加[3]。

数据中心包括计算机系统及与之配套的设备、冗余电源、冗余的数据通信连接、制冷系统以及各种安全装置等[4]。正常运行时,机房内的制冷系统将机柜工作产生的热量排到室外,以维持机柜的持续、稳定运行。当发生停电事故时,需立即切换机房配备的备用电源,保证制冷系统连续运行。当机房的制冷系统或备用电源发生故障失效时,因机柜产生的热量不能及时排走,将导致机房内的温度不断升高,损坏机柜,严重时会造成整个机房陷入瘫痪,造成巨大损失[5]。如何应对停电等事故,保证数据中心不间断运行成为研究的关键问题[6]。

目前通常采用备用电源、备用冷源以及其他新型制冷手段作为发生故障时的应急制冷方式[7],然而备用电源或备用冷源均会不同程度地增加建设成本。其他新型制冷手段[8],则需要面对较多的限制条件以及技术应用未成熟的问题,国内外很多学者对此进行了研究。数据中心通常由多路市电供电,同时由UPS(不间断电源)和柴油发电机组配合为关键设备提供市电中断后的备用电源[9]。喻小涛等人[10]表示备用电源的市场规模会随着数据中心市场规模高速增长而增长,而我国柴油发电机组多数靠经验设计,对机组的噪声分布、机组热量散发以及温度场分布等研究欠缺,仍需进一步研究。高岩丛[11]对比分析了3种数据中心不间断电源系统在不同情况下的适用条件,但这3种系统的投资都较高。薛成林[12]提出一种不间断供电形式,在保证供电的条件下降低了投资,但因其控制系统较复杂、对运行维护人员要求高等问题无法大范围应用。目前被广泛接受和应用的方法是利用蓄冷技术设置停电后数据中心的备用冷源[13],然而安置蓄冷水箱或其他蓄冷设备需要巨大的空间[14],且其冷量是有限的。王大晓等人[15]对比分析了自然散热法、冰块法与干冰法3种数据中心应急制冷方案,对比分析了干冰散热法的可行性,但需注意CO2的浓度。Cheung等人[16]对设备与水冷数据中心冷却系统可靠性和可用性进行了理论分析,分析了冗余机组需要大量投资。还有一些其他新型的降温手段,如充分利用自然冷源、加强运行管理等[17]。

针对数据中心发生故障时的应急性,探索新的降温形式成为需要,任玉迎[7]分析了数据中心机房制冷系统的应急措施,主要有空调制冷、液冷制冷、液氮制冷3种类型,并提出在应急措施下选用液氮制冷更为合适。李光华[18]搭建液氮防灭火物理实验平台,将液氮应用于数据机房降温,在使用液氮过程中,房间温度有了明显的降低。故可利用低温液体在相变换热过程换热量大的特点,将其应用于数据中心的换热中[19-20],实现快速降温。故本文提出一种翅片管换热器系统,研究其对测试房间热环境的影响,为以后应用于数据机房提供参考,将会很好地提高数据中心的可靠性,带来可观的经济效益与社会效益。

2 实验设计

2.1 实验系统流程

实验系统流程见图1,该系统采用低温液氮作为换热工质,主要由液氮罐、翅片管换热器、低温液体流量计、阀门、电气柜等组成,实现对机房制冷。液氮在翅片管换热器内蒸发制冷,为房间内电气柜(热源在电气柜中)提供冷量,维持房间温度。通过调节流量调节阀的开度,可以实现液氮质量流量的控制,流量计、温度计和压力表等可记录相关数据。

图1 实验系统流程

本文研究翅片管换热器串联形式下,不同运行参数对机房热环境的影响。1根翅片管称作1个翅片管换热器,4个翅片管换热器为1组,组成翅片管换热器系统,1个翅片管换热器系统工作,另1个系统为备用。实验中液氮通过管路中的止回阀、低温液体流量计、流量调节阀流入房间,通过阀门1、2、6、5、9、10、14、13、23后,氮气经过气体流量计、调压阀排出室外。实际运行中,当数据中心发生停电或其他原因导致常规空调系统失效后,立即开启液氮冷却系统进行制冷,防止房间温度骤然升高造成危害。

实验室模型、设备布置、测点布置见图2,图2中标注数值对应的单位为mm。实验室内地面左上角为坐标原点,实验室长、宽均为4 m,高2.8 m。电气柜及翅片管换热器位置见图2b。测点布置见图2c,其中测点31～34靠近xOz平面。电气柜长1.2 m,宽0.65 m,高1.0 m,每个电气柜中安装2根U形加热器,2个电气柜共4根。实验时4根U形加热器同时工作。

图2 实验室模型、设备布置、测点布置

2.2 实验设备

目前已调研了市场上常用的翅片管。星形翅片管较多地应用于竖直布置,不适用于本课题。环形翅片管存在加工时间较长且换热面积相对小等缺点。绕片式翅片管的换热面积大且加工简便,最后选择该翅片管换热器作为实验换热器。绕片式翅片管换热器见图3,翅片管换热器参数见表1。

表1 翅片管换热器参数

图3 绕片式翅片管换热器

部分测量仪表参数见表2。四线制热电阻温度计标定的介质选取恒温硅油,由10个四线制热电阻温度计为一组进行标定,标定的温度范围为-50～60 ℃,本实验四线制热电阻温度计标定的回归曲线的R2均大于0.99,曲线拟合较好,四线制热电阻温度计可应用于实验中测量房间的温度场。

表2 部分测量仪表参数

2.3 实验台的搭建

实验场地选择人工微气候实验室,净尺寸为4 m×4 m×2.8 m,围护结构为彩色钢板内夹聚苯乙烯塑料泡沫,传热系数为0.404 W/(m2·K),电气柜距房顶1.8 m,为了尽可能贴合实际情况,实验用电气柜长度为1.2 m。该实验是按照等热流密度法进行的,实验房间体积为实际机房体积的0.078倍,U形加热器发热量取实际机房散热量的0.078倍,即3.46 kW的发热量。

考虑一些实际机房吊装有桥架、风管,电气柜顶部与风管、桥架底部在竖直方向上要留有空间,故实验房间翅片管换热器高度取1.2 m。两个电气柜置于实验房间中心,测量仪表等置于实验大厅中,液氮罐置于室外。

3 实验结果分析

本文定义启动温度为1个设定温度,房间任一温度测点达到该设定温度后,立刻开启液氮冷却系统。

本文分析翅片管换热器串联模式(4个翅片管换热器串联)下,研究翅片管换热器系统液氮质量流量一定(为35 kg/h)、不同启动温度(43、45、47 ℃)工况以及启动温度一定(为43 ℃)、不同液氮质量流量(25、35、60 kg/h)工况对数据机房降温效果的影响。

3.1 启动温度对数据机房降温效果的影响

本节分析翅片管换热器系统液氮质量流量一定(为35 kg/h)、不同启动温度(43、45、47 ℃)工况对数据机房降温效果的影响。

为了使房间温度场均匀,实验开始,先开启放置在实验房间内的电加热风机,加热房间;当房间多数测点温度升至35 ℃时,关闭电加热风机,改由电气柜内的U形加热器加热;达到启动温度(43、45、47 ℃)后,开启液氮冷却系统。每组实验均按该流程进行。

在加热过程中,测点36、40在电气柜的上部,测点37、41在电气柜的顶部,这4个测点中会有最高温度点,时刻监测测点36、37、40、41。该组工况实验中,最快达到启动温度的测点为41,当其达到启动温度时,开启液氮冷却系统,温度场趋于稳定时,结束实验。

3.1.1垂直方向温度场分布

垂直方向测点布置及不同启动温度垂直方向温度分布见图4。

图4 垂直方向测点布置及不同启动温度垂直方向温度分布

由图4b、4c、4d可以看出,在升温初期,测点40均温度最高。

由图4a可知,垂直方向测点39～42位于电气柜中心,也是整个房间的温度最高之处。

由图4b可知,在测点40达到43 ℃时,开启液氮冷却系统。在开启液氮冷却系统后,监测点39～40的温度仍会持续增长一段时间,这一阶段,测点40为房间温度最高点;随后发生温度波动,测点39、40温降明显,测点41也有轻微温降,但此时温度已经超过测点40温度,成为房间温度最高点。在整个过程中,房间内最高测点温度升至44.0 ℃。最终房间温度场趋于稳定,最高温度点为测点41,温度在41 ℃附近。在液氮质量流量为35 kg/h工况下,房间温度不会出现明显的下降,而是缓慢降温,最后趋于平稳。

由图4c可知,启动温度为45 ℃时,开启液氮冷却系统后,最高点温度继续上升至45.5 ℃,然后开始缓慢降温。测点41温度最终稳定于41 ℃附近。

由图4d可知,在启动温度为47 ℃时,最高点温度升至47.5 ℃后开始降温,后缓慢降温趋于稳定。垂直方向最下侧的测点温度低,这是由于冷空气下沉、热空气上浮,导致的房间上侧温度偏高。

3.1.2水平方向温度场分布

水平方向测点布置及不同启动温度水平方向温度分布见图5。

图5 水平方向测点布置及不同启动温度水平方向温度分布

由图5b可知,测点40与测点36是温度最高的两个点,温度首先升高至44 ℃,后出现波动,最终趋于平稳,稳定于40 ℃附近。这是由于测点40与测点36是在电气柜上方的测点,测点39与测点35是在房间上部的测点,由于热源在电气柜内,空气受热后向上流动,从测点40向上流动到测点39与测点44是有一定的热损失,故测点40与测点36为该8个测点中温度最高的,其他测点温度比其低。测点35与测点39,比房间内最高温度低一些,两者变化趋势基本一致。测点31、32、43、44先呈现升温的趋势,后出现不明显的降温,最终趋于平稳。在稳定后,4个边部测点31、32、43、44温度比中部测点温度略低,房间中部上侧的温度场较均匀。

由图5b、5c、5d可知,在启动温度由43 ℃升高到47 ℃的过程中,房间水平方向温度变化呈现相似的变化趋势,且房间温度场在一段时间后均趋于平稳,但整体的温度会上移。液氮质量流量为35 kg/h,启动温度分别为43、45、47 ℃的工况下,房间温度最高点的温度会随之上升,达到44.0、45.5、47.5 ℃附近,后均稳定在41 ℃左右,说明该液氮质量流量下,房间可达到热平衡,在开启液氮冷却系统一段时间后,房间的温度场趋于平稳。

3.2 液氮质量流量对数据机房降温效果的影响

分析启动温度为43 ℃,液氮质量流量分别为25、35、60 kg/h时对房间降温效果的影响。启动温度43 ℃、液氮质量流量35 kg/h工况的实验结果已在图4b、5b呈现,故本节不重复出现,仅分析。

3.2.1垂直方向温度场分布

启动温度为43 ℃时,不同液氮质量流量垂直方向温度分布见图6。

图6 启动温度为43 ℃时,不同液氮质量流量垂直方向温度分布

由图6a可知,在液氮质量流量为25 kg/h时,整个实验过程中,测点39～42温度整体呈现升高趋势,并没有出现下降的现象,房间内最高测点温度升至47 ℃。在开启液氮冷却系统前,测点40温度最高。开启液氮冷却系统后,测点40与测点41的温度逐渐接近,为房间的最高温度点。可以看出,在液氮质量流量为25 kg/h时,未达到降温效果。

由图4b可知,液氮质量流量为35 kg/h时,开启液氮冷却系统100 min后,最高测点温度降至41 ℃,房间温度最终稳定到热平衡状态。液氮质量流量为35 kg/h可维持房间的温度处于平衡的状态,该质量流量适用于发生较长时间停电事故的数据机房。

由图6b可知,在液氮质量流量为60 kg/h,开启液氮冷却系统后,测点39～41的温度先短暂升温后下降。测点40、41的温度升至44 ℃后开始明显下降,测点41比测点40开始降温的时间滞后约25 min。

液氮质量流量为60 kg/h时,房间降温速度快,开启液氮冷却系统70 min后,房间内最高测点温度降至34 ℃,该质量流量适用于需要迅速降温的数据机房。

3.2.2水平方向温度场分布

启动温度为43 ℃时,不同液氮质量流量水平方向温度分布见图7。

图7 启动温度为43 ℃时,不同液氮质量流量水平方向温度分布

由图7a可以看出,液氮质量流量为25 kg/h时,在整个实验过程中,测点36、40几乎是同步变化,为房间温度最高的两点,这是由于电气柜中有电加热器,故电气柜上部的温度比房间最上部的测点39、35的温度均高。剩余4个测点在房间边部,其温度相差较小,呈相似的变化趋势,但比中部的4个测点35、36、39、40温度低,即在该液氮质量流量下,在同一高度上,房间中部的温度比边侧的温度高,整体呈现温度上升的趋势。

由图7b可以看出,在液氮质量流量为60 kg/h时,开启液氮冷却系统之前,仍然是电气柜上部两个测点36、40温度最高。开启液氮冷却系统之后,8个测点温度趋于一致,均呈现较明显的下降趋势,至实验结束,最高测点温度降至34 ℃。

通过以上分析可以发现,通过控制翅片管换热器系统启动温度与液氮质量流量,可应对数据机房停电事故,实现快速降温,保证数据机房不间断运行。

4 结论

① 在液氮质量流量为35 kg/h,启动温度分别为43、45、47 ℃时,房间内最高测点温度分别升至44.0、45.5、47.5 ℃后开始降温,最终均趋于稳定。

② 在启动温度为43 ℃、液氮质量流量为25 kg/h时,房间内最高测点温度升至47 ℃,未达到降温效果;液氮质量流量为35 kg/h时,开启液氮冷却系统100 min后,最高测点温度降至41 ℃,房间温度最终稳定到热平衡状态;液氮质量流量为60 kg/h时,房间降温速度快,开启液氮冷却系统70 min后,房间内最高测点温度降至34 ℃。

③ 通过控制翅片管换热器系统启动温度与液氮质量流量,可应对数据机房停电事故,实现快速降温,保证数据机房不间断运行。