熱管背板空調有無風機應用研究

劉書浩 吳麗菲 何其振 陳剛 吳志楓 孫地

(1.中國移動通信集團廣東有限公司,廣東廣州 510000;2.廣東申菱環境系統股份有限公司,廣東佛山 528300)

1 背景

近年來,隨著數據中心的急速發展,機房集成程度越來越高,高密度熱負荷機房已是大勢所趨。面對這種潮流,如何高效、可靠、節能地帶走熱量成為行業專家們必須攻克的課題。傳統機房精密空調(風冷冷風型、水冷冷風型和冷凍水型)一般應用在低密度熱負荷場所。在高密度熱負荷中,傳統機房精密空調往往會造成噪聲大、能效低和局部熱點等問題,而且光全年制冷所消耗的電量就占總用電量的40～50%。由此可以看出傳統機房空調不僅能耗高,同時也不能有效解決高密度負荷的散熱問題。

熱管背板空調是專門針對高密度機房負荷場合而設計的,相比于傳統精密空調,背板空調噪聲小、能耗低,并能很好的解決局部熱點問題。而背板空調系統又分為不帶風機和帶風機兩種,對于不帶風機的背板,機柜內主要依靠服務器的小風扇和背板換熱帶走熱量;而帶風機的背板依靠的自身風機送風,帶走熱量。

兩種背板的方案各有優劣,本文將通過對南方某數據中心節能試點的樣機測試和數據收集,重點對氣流組織和制冷效果兩個方面進行運行分析。

圖1 機柜內部負載布置示意圖

2 應用性能對比分析

針對氣流組織和制冷效果兩個方面,我們對無、有風機兩種不同方案的熱管背板進行了應用運行測試。測試內容包括機柜在負載高度方向分布均勻時的進出風溫度、風速和負載等情況,分析不帶風機背板和帶風機背板之間的氣流組織和制冷效果差異。

2.1 氣流組織試驗

選用試點中第2列機柜,對配置均勻負載下進行測試：背板無、有風機的情況下,機柜中的服務器之間需擋板密封,每個機柜啟動10個服務器并全部100%運行或者全部0%運行(有11個服務器的機柜,最上面的服務器停止運行),系統穩定運行后,記錄數據,如圖1所示。

第2列機柜一共六組數據,機柜負載高度方向上均勻的情況下,測試記錄如表1、表2所示。

機柜負載均勻分布,無風機背板的送回風溫差在0.5～1.3℃,送風風速在0.4～0.5m/s,機柜高度方向上溫差4～6℃;而帶風機背板的送回風溫差在0.5～1℃,送風風速3.0m/s左右,機柜高度方向上溫差0.1～0.7℃。

表1 無風機背板測試數據

表3 無風機背板RCU測試數據

表4 有風機背板RCU測試數據

表2 有風機背板測試數據

兩種方案的背板出風溫度在高度方向上都沒有明顯的溫度分層,服務器均能正常運行。但可以明顯看出有風機的背板方案在高度方向上溫差更小,溫度分布更均勻。

從風速來看,無風機的送風風速很小,整個空氣流場運動緩慢,機柜內的氣流組織較差,換熱效果較差。這造成采用無風機背板的機柜的送、回風溫差只有0.5～1.3℃,溫度相近,服務器的部分熱量積蓄在機柜內,無法被高效帶走。

由此可見,不管是從單個機柜高度方向的溫度分布,還是從機柜送、回風溫差來看,帶風機背板的氣流組織更好,能避免送、回風溫度分層。

2.2 制冷效果試驗

由上一節可知背板的制冷效果跟機柜內氣流組織的好與壞有著很直接的關系,下面我們將通過另一個方面去試驗有、無風機背板方案的制冷效果差異。

R C U冷凍水所提供的冷量與背板的制冷效果息息相關,從R C U的進出水溫、水流量和冷媒側進出溫度就可以反映出整個熱管背板系統的大致換熱情況。

由表3、表4的數據可以看出,無風機背板的RC U冷媒進口溫度基本一樣,在回風工況24℃的條件下,冷媒進入RCU的溫度只有15.6℃,與出口的冷媒溫度14.8℃只差0.8℃。而有風機背板的冷媒經過與機柜換熱后,冷媒溫度由9.7℃上升為19.8℃。

分析原因認為：無風機背板的換熱效果較差,冷媒通過熱管背板系統與機柜換熱后,只有少量的負載被帶走,大部分熱負荷都滯留于機柜服務器中,造成冷媒進口溫度與冷媒出口溫度相差無幾。熱管背板空調系統是依靠冷媒的重力所提供的動力完成整個循環,當系統末端蒸發效果較差時,蒸發器內液態冷媒沒法很好的完成氣化,造成冷媒循環緩慢,影響制冷效果。而帶風機背板,通過改善氣流組織,加強冷媒蒸發效果,提高了制冷效果。

3 結語

通過對南方某數據中心節能試點的樣機測試和數據收集,對無、有風機背板的氣流組織和制冷效果進行了對比分析。

不管是采用無風機背板還是有風機背板空調,機柜送回溫度都沒有明顯的分層,服務器均能正常運行。但無風機背板的氣流組織明顯較差,機柜前后的送回風風速較低,導致機柜送、回風側出現明顯的溫度分層,制冷效果一般。有風機背板能明顯改善機柜的氣流組織,避免送、回風側溫度分層,同時也能增強熱管背板系統的冷媒蒸發效果,讓整個系統更好的循環起來,提高其制冷效果。

[1] 劉書浩,張海濤,郭佳哲,等.數據中心熱管背板空調應用實測研究——系統不平衡運行分析[J].制冷與空調,2015,15(3)：22-25.

[2] 陳文婷,陳華,謝春輝.數據中心背板空調換熱特性分析[J].制冷與空調,2015,15(1)：27-30.

[3] 吳俊峰,張秀平,舒國安,等.基于多元統計方法的幾種空調系統節能量測量和驗證方案探討[J].暖通空調,2014,44(1)：125-129.