數(shù)據(jù)中心噴霧冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)展和要素分析

王 瑜, 吳露露, 康 娜, 蔣彥龍

(1.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 南京 210009; 2.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院, 南京 210016)

近年來,隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展,人們對數(shù)據(jù)機(jī)房服務(wù)器運算量的需求也急速增加,由于數(shù)據(jù)機(jī)房全天不停歇運作的特點,如果不采取有效措施解決數(shù)據(jù)機(jī)房高散熱的問題,一方面會影響工作效率,更可能會影響到電子器件的安全運行[1],如何解決數(shù)據(jù)機(jī)房高散熱問題成為重中之重。隨著各行業(yè)對于冷卻技術(shù)的不斷研究,運用噴霧冷卻技術(shù)對數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行散熱,愈發(fā)受到社會關(guān)注。噴霧冷卻作為一種新穎的散熱方式,相比傳統(tǒng)冷卻技術(shù),憑借其具有換熱系數(shù)高、換熱能力強(qiáng)、均勻換熱、結(jié)構(gòu)緊湊、工質(zhì)流量小以及廣泛的適用性等突出優(yōu)點受到許多專家學(xué)者的青睞[2]。尤其是在電子領(lǐng)域,隨著集成電路向大功率方面發(fā)展,作為一種高熱流密度散熱方式,噴霧冷卻在電子器件散熱方面將會有非常好的應(yīng)用前景[3]。因此，在前人研究的數(shù)據(jù)成果基礎(chǔ)上,進(jìn)行研究總結(jié)噴霧冷卻系統(tǒng)的影響因素,以及系統(tǒng)最佳運行狀態(tài)所需條件,為推動噴霧冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)機(jī)房散熱方面的運用提供理論支持,并進(jìn)行資料分析和實驗研究,通過搭建試驗臺,重點在系統(tǒng)冷源選擇、管路最優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)聯(lián)動反饋調(diào)節(jié)裝置設(shè)計三方面進(jìn)行數(shù)據(jù)中心噴霧冷卻系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵要素研究。

1 噴霧冷卻技術(shù)及其應(yīng)用

1.1 背景與意義

隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)機(jī)房的建設(shè)與需求越來越多。與此同時,數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量和處理能力持續(xù)增長,日益增長的大量使用高密流電子設(shè)備[4],以及電子計算機(jī)產(chǎn)品的集成化程度、運行速度的提高,單位面積散熱量的提升,使得數(shù)據(jù)機(jī)房散熱能耗的問題面臨巨大壓力。數(shù)據(jù)中心機(jī)房具有高熱量密度、高耗能的特點,為保持機(jī)房內(nèi)恒定溫濕度,機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)需要全年全天不間斷運行。數(shù)據(jù)機(jī)房是電力消耗大戶,空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個數(shù)據(jù)機(jī)房整體能耗的40%左右[5],從而使數(shù)據(jù)中心的散熱成為一個日益突出的技術(shù)難點和重點。如何在保證數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)環(huán)境要求的同時,有效提高電能利用率、清除機(jī)房過熱問題以及提高數(shù)據(jù)機(jī)房散熱效率,是當(dāng)前需要考慮的重要問題。

目前,現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心機(jī)房常用的冷卻技術(shù)有風(fēng)冷自然冷卻技術(shù)、水冷自然冷卻技術(shù),熱管散熱技術(shù)等,都能夠較好的運用在數(shù)據(jù)機(jī)房散熱領(lǐng)域,滿足數(shù)據(jù)機(jī)房整體散熱冷卻需求。但是隨著電子元器件的小型化、微型化和集成化技術(shù)的迅速發(fā)展,電子元器件功率密度也越來越高,發(fā)熱功率越來越大,相應(yīng)的散熱功率甚至需要達(dá)到60 W/cm2以上[6]。如果單位電子元件的熱量聚集未能及時散出,將嚴(yán)重影響電子元件的運行和壽命,傳統(tǒng)的散熱方式已經(jīng)難以滿足高熱流密度電子元器件的散熱需求。因此,有限空間內(nèi)實現(xiàn)高效散熱已經(jīng)成為制約高性能、高集成電子器件發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而噴霧冷卻系統(tǒng)憑借其超強(qiáng)的散熱能力、快速的控溫響應(yīng)以及較小的接觸熱阻受到越來越多學(xué)者的青睞[7-11],將各種冷卻方式進(jìn)行對比結(jié)果如表1所示。

將噴霧冷卻技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房,在研究如何提升優(yōu)化噴霧冷卻性能,使得換熱滿足要求之外,還需考慮實際應(yīng)用過程中噴霧冷卻系統(tǒng)的冷源選擇問題、系統(tǒng)循環(huán)管路的設(shè)計優(yōu)化以及系統(tǒng)的聯(lián)動控制反饋設(shè)計。噴霧冷卻系統(tǒng)與數(shù)據(jù)機(jī)房的匹配是噴霧冷卻技術(shù)能夠應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房的關(guān)鍵。

1.2 數(shù)據(jù)中心散熱技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著全世界數(shù)據(jù)機(jī)房規(guī)模的擴(kuò)大,各國都致力于研究如何將數(shù)據(jù)機(jī)房產(chǎn)生的大量熱量有效排出,為了保證數(shù)據(jù)機(jī)房的正常運行,張文健等[12]設(shè)計了一種新型服務(wù)器散熱系統(tǒng),該散熱系統(tǒng)是由熱管和水循環(huán)系統(tǒng)組成,通過熱管將服務(wù)器產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出數(shù)據(jù)中心,而后由水循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)冷卻水帶走熱量。并且將新型熱管系統(tǒng)與風(fēng)冷散熱性能進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)該新型服務(wù)器系統(tǒng)可有效地解決服務(wù)器散熱問題；但由于該系統(tǒng)還處于試驗階段,無法大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心中。何其振等[13]就數(shù)據(jù)中心的高散熱問題提出了一種雙通道冷卻架構(gòu),一是“接觸式通道”,通過板式換熱器帶走服務(wù)器產(chǎn)生的大量熱量；二是“非接觸式通道”,通過行間空調(diào)排走服務(wù)器中剩余發(fā)熱量。將兩種通道配合使用可有效地解決服務(wù)器散熱不徹底、散熱不均的問題,并且系統(tǒng)整體效能明顯提高。賈晨昱等[14]研究了三種不同的間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心,并就間接蒸發(fā)冷卻應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的模式進(jìn)行了探討,相較于純機(jī)械制冷,加入間接蒸發(fā)制冷的模式可充分利用自然冷源,降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗,是一種較好的散熱方法。張志[15]探討了將熱管技術(shù)運用于數(shù)據(jù)中心散熱,可在一定程度上解決傳統(tǒng)散熱方式散熱效率低下的問題,且根據(jù)機(jī)柜、機(jī)房、服務(wù)器散熱特點的不同,分別簡述了熱管應(yīng)用其中的情況,并提出了應(yīng)用于服務(wù)器級別的熱管；若采用水冷熱管散熱器,較之以往的風(fēng)冷熱管散熱效率更高,與張文健等[12]提出的熱管與水循環(huán)管路結(jié)合的方式相同。肖新文等[16]闡述了風(fēng)冷冷水機(jī)組運用于數(shù)據(jù)中心時,由于風(fēng)冷冷水機(jī)組受室外環(huán)境溫度的影響較大,所以考慮在風(fēng)冷冷水的基礎(chǔ)上加自然冷卻作為冷卻,可較好地解決由于室外溫度不恒定帶來的一系列問題,且合理地運用可提高機(jī)組的運行效率。綜上所述,總結(jié)目前數(shù)據(jù)中心的散熱技術(shù)及其存在的問題如表2所示。

1.3 噴霧冷卻研究現(xiàn)狀

1.3.1 噴霧冷卻機(jī)理及其應(yīng)用

噴霧冷卻的實質(zhì)就是通過噴嘴將工質(zhì)霧化成細(xì)小的液滴在加熱表面形成液膜并通過對流和汽化潛熱帶走熱量的過程[17]。噴霧冷卻的換熱機(jī)理如圖1所示[18],換熱機(jī)理可分為單相區(qū)階段和兩相區(qū)階段。在單相區(qū)階段,此時加熱表面的溫度較低,換熱主要通過熱表面形成的液膜與加熱表面進(jìn)行換熱,換熱效率較低,隨著熱表面溫度的升高,噴霧冷卻進(jìn)入兩相區(qū)階段,這時換熱方式主要以沸騰換熱為主,換熱效率增大,隨著加熱表面溫度的繼續(xù)增加,系統(tǒng)將達(dá)到臨界熱流密度,但當(dāng)加熱表面的熱流密度值超過臨界熱流密度會引起電子器件的燒毀,所以噴霧冷卻的熱流密度控制在臨界熱流密度以下[19-20]。

圖1 噴霧冷卻換熱機(jī)理圖

噴霧冷卻是用具有一定壓力的空氣將水霧化成霧流進(jìn)行散熱降溫的冷卻方式,噴霧冷卻技術(shù)最早是運用在金屬切削領(lǐng)域,傳統(tǒng)的切削液澆注液體滲透率較低,能夠被汽化的液體很少,潤滑效果有限。人們將液態(tài)流體通過噴霧裝置霧化成高速微小液滴,噴射到加工區(qū)進(jìn)行刀具和工件的冷卻。液化后的噴霧噴射到切削區(qū),有較高的速度,動能較大,因此穿透性強(qiáng)。同時液滴尺寸小,可以全方位滲透,散熱效果更好[21]。劉劍等[22]研究了將噴霧冷卻應(yīng)用于切割加工中用來降低切削溫度,以達(dá)到較高的生產(chǎn)效率以及增加刀具的使用壽命,由于噴霧冷卻具有較大的冷卻范圍,可有效地吸收切削過程中產(chǎn)生的大量熱量,并且相較于其他的冷卻方法,當(dāng)使用噴霧冷卻時可提高刀具的使用壽命0.5～1倍。魯森等[23]通過噴霧冷卻換熱實驗研究將噴嘴冷卻應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)圓筒機(jī)的換熱特性,通過調(diào)節(jié)物料溫度、圓筒轉(zhuǎn)速及噴霧流量等參數(shù)變化對換熱效果的影響。該論文總結(jié)了各項因素對物料熱流密度的影響,為后期采用噴霧冷卻實際應(yīng)用于圓筒冷卻機(jī)中提供了重要參考。張李軍等[24]設(shè)計了一種微型霧化噴嘴集成一體機(jī),并在此基礎(chǔ)上通過實驗及仿真模擬探究了不同影響因素下的噴霧冷卻冷板的換熱性能,實驗結(jié)果表示該冷板可達(dá)到超過100 W/cm2高密度散熱需求。該自行設(shè)計的噴霧冷卻冷板及性能測試實驗為后期噴霧冷卻在雷達(dá)電子設(shè)備的應(yīng)用提供了一個新的方向,值得學(xué)者進(jìn)行更多的研究。范志強(qiáng)等[25]研究了將噴霧冷卻技術(shù)應(yīng)用于直接空冷系統(tǒng)中,強(qiáng)化直接空冷機(jī)組中散熱器的傳熱,解決機(jī)組夏季真空度低的問題,提高了機(jī)組出力。并且探究了不同噴嘴、不同噴嘴流量、不同噴嘴壓力等對系統(tǒng)性能的影響,強(qiáng)調(diào)了噴霧冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于直接空冷系統(tǒng)中的可行性,為直接空冷機(jī)組在夏季運行時遇到的真空度低的問題提供了一個新的解決方案。

1.3.2 噴霧冷卻影響因素研究

噴霧冷卻換熱效果受很多因素的影響,在將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心散熱前需研究噴霧冷卻的換熱過程中,需了解各種影響因素對噴霧冷卻換熱效果的影響。劉妮等[26]研究了噴霧高度、噴霧壓力的變化對熱流密度的影響,實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的表面對噴霧換熱效果也有影響,方肋表面較光滑表面換熱效果更好,且降低噴霧高度會引起熱流密度的升高,而熱流密度會隨著噴霧壓力的增大而增大。該論文通過實驗探索了多種提高噴霧冷卻換熱特性的方法,為噴霧冷卻系統(tǒng)性能的增強(qiáng)和噴霧冷卻系統(tǒng)搭建提供了大量參考數(shù)據(jù)。張雨薇等[27-28]探索了噴霧冷卻換熱機(jī)理,認(rèn)為噴霧冷卻過程可主要分為液膜蒸發(fā)、強(qiáng)迫對流、表面核態(tài)沸騰和二次成核四個過程,通過分析各個機(jī)理來尋找強(qiáng)化噴霧冷卻的換熱方式,如改變噴霧特性、使用納米材料等方式；同時還具體研究各個影響因素對換熱效果的影響,實驗結(jié)果表明噴霧高度存在最優(yōu)值,即當(dāng)噴霧所形成沖刷區(qū)域與熱源表面相切時可獲得最佳換熱效果,也可用過采用微結(jié)構(gòu)表面來提高臨界熱流密度。張雨薇等[27-28]系統(tǒng)分析了噴霧冷卻的換熱機(jī)理,為推動噴霧冷卻換熱能力的提升研究提供了參考,但是受到當(dāng)前科技水平、研究方式手段的限制,對換熱機(jī)理的認(rèn)識不夠深入,研究結(jié)論對部分換熱現(xiàn)象無法給出合理解釋。Salman等[29]研究了三種不同表面對噴霧冷卻傳熱性能的影響,采用去離子水為冷卻介質(zhì),結(jié)果表明八個徑向凹槽表面的強(qiáng)化率可達(dá)80%,且噴嘴壓差的變化對換熱性能也有一定的影響,可采用結(jié)合表面的形式來提高噴霧冷卻的換熱性能。Hsieh等[30]研究了不同噴嘴直徑、不同微結(jié)構(gòu)表面以及不同噴嘴高度對噴霧冷卻換熱性能影響,結(jié)果表明使用金剛石薄膜材料可提高噴霧的冷卻性能。Chang等[31]研究了氧化鋁濃度分別為0、0.001 vol%和0.05 vol%時隨噴霧操作時間變化時的噴霧冷卻換熱效果變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)氧化鋁濃度為0 vol%時,此時噴霧操作時間對換熱效果的影響較小；而濃度為0.001 vol%和0.05 vol%的氧化鋁傳熱系數(shù)隨著噴霧操作時間的增加而減小。Chang等[31]和Salman等[29]通過對不同冷卻介質(zhì)的研究,探索不同冷卻介質(zhì)對噴霧換熱性能的影響,在如何選取冷卻介質(zhì)方面為增強(qiáng)噴霧冷卻系統(tǒng)性能提供了有價值的參考。

1.3.3 噴霧冷卻應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房研究

近些年以來,噴霧冷卻憑借其較強(qiáng)的換熱能力、需要較少的傳熱介質(zhì)、較小的接觸熱阻等優(yōu)點受到眾多學(xué)者的關(guān)注,許多專家對噴霧冷卻進(jìn)行了深入反復(fù)的研究,希望將噴霧冷卻方式應(yīng)用與數(shù)據(jù)機(jī)房等高熱流密度區(qū)域的散熱[32]。如果將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房中可很好的解決數(shù)據(jù)機(jī)房高散熱問題,并且也避免了傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)制冷方式帶來的散熱效率不高、冷能分布不均等問題。鐘澤民等[3]研究了將噴霧冷卻技術(shù)應(yīng)用于電子冷卻區(qū)域時的換熱影響因素,即噴霧特性、換熱工質(zhì)、噴射傾角和高度、強(qiáng)化表面及納米添加劑等的變化對噴霧系統(tǒng)換熱效果的影響,并比較了幾種不同的電子冷卻技術(shù)的優(yōu)缺點,認(rèn)為將噴霧技術(shù)應(yīng)用于電子器件冷卻中具有相當(dāng)好的應(yīng)用前景；從多方面對噴霧冷卻的換熱機(jī)理進(jìn)行綜述,為后續(xù)在噴霧冷卻換熱機(jī)理的研究論述提供了理論支撐。朱冬生等[33]討論了影響噴霧冷卻的外部特性,并提出將納米流體與噴霧冷卻技術(shù)結(jié)合來解決電子設(shè)備的高散熱問題,在噴霧工質(zhì)中加入納米顆粒,用來提高噴霧系統(tǒng)的換熱能力,同時針對二者結(jié)合可能存在的問題進(jìn)行了闡述。朱冬生將噴霧冷卻技術(shù)和納米流體技術(shù)有機(jī)的結(jié)合,強(qiáng)化了傳熱性能,提高了臨界熱流密度,同時也推動了噴霧冷卻系統(tǒng)小型化的進(jìn)一步發(fā)展。劉芳等[11]總結(jié)了可用于電子芯片冷卻的7種散熱技術(shù),比較了各種冷卻技術(shù)的優(yōu)缺點以及目前存在的一些問題等,其中提出將噴霧冷卻技術(shù)用于散熱時的熱流密度可高達(dá)1 000 W/cm2,是目前可用于電子芯片冷卻最有前景的散熱技術(shù)之一,但同時噴霧冷卻也存在換熱機(jī)理較為復(fù)雜且噴嘴容易堵塞等問題,因此在后續(xù)的研究中更應(yīng)當(dāng)關(guān)注噴霧冷卻實際應(yīng)用中可能存在的問題并加以解決來提高噴霧冷卻應(yīng)用的可靠性。

2 系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵因素

國內(nèi)外研究者們在實驗室領(lǐng)域研究了噴霧系統(tǒng)強(qiáng)化換熱特性研究,然而將噴霧冷卻系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)房中,不能僅僅考慮換熱問題,冷源、流體傳輸裝置的匹配、系統(tǒng)的控制與反饋以及介質(zhì)的回收都是需要解決的問題。然而目前這方面的研究仍然存在空白。此種現(xiàn)狀對于噴霧冷卻系統(tǒng)整體優(yōu)化研究是不利的。因此,在吸收前人對噴霧冷卻性能分析的基礎(chǔ)上,主要是對噴霧冷卻的整體進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計的噴霧冷卻系統(tǒng)能更有效地應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房散熱。

2.1 整體系統(tǒng)構(gòu)建

本文中自主設(shè)計的基于數(shù)據(jù)中心環(huán)境搭建的噴霧冷卻模擬系統(tǒng),主要包括噴霧冷卻系統(tǒng)、液體循環(huán)管路、服務(wù)器微縮模型和測試系統(tǒng)組成,試驗臺設(shè)計流程如圖2所示。液體工質(zhì)從管路流出到主循環(huán)支路,首先經(jīng)過一個水泵,然后經(jīng)過水泵驅(qū)動后進(jìn)入流量調(diào)節(jié)閥,由流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入三通閥,隨后進(jìn)入各支路噴霧模塊,并通過噴嘴霧化后噴灑到加熱表面,與加熱表面進(jìn)行換熱,換熱完成后的液體被管道回收,在冷卻塔降溫后回到儲液罐,完成封閉循環(huán)。由圖2所示的噴霧冷卻實驗裝置可知,整個系統(tǒng)實質(zhì)上是一個空調(diào)制冷循環(huán),除了噴霧模塊之外,其余部件均是為了實現(xiàn)循環(huán)而構(gòu)建。針對應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的噴霧冷卻循環(huán),現(xiàn)著重對循環(huán)中必須考慮的三個重點因素:冷源選擇、管路最優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)聯(lián)動反饋調(diào)節(jié)裝置設(shè)計進(jìn)行調(diào)研分析。

圖2 基于數(shù)據(jù)中心環(huán)境的噴霧冷卻模擬系統(tǒng)流程圖

2.2 冷源選擇

對于將噴霧冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房應(yīng)用環(huán)境中來說,首先需要考慮的問題就是選擇一個最合適的冷源,冷源的正確選擇不僅意味著可以降低整個系統(tǒng)的能效比,還可能降低整個系統(tǒng)成本。合理的選擇噴霧系統(tǒng)冷源是數(shù)據(jù)中心環(huán)境噴霧冷卻系統(tǒng)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。所以,在考慮冷源選擇時,一方面,要能夠與數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境相適應(yīng),不能過多增加設(shè)備增加整體能耗,降低整個系統(tǒng)的運行效率；另一方面,冷源質(zhì)量要高,綠色環(huán)保高質(zhì)量的冷源,可以提高噴霧系統(tǒng)整體性能,降低數(shù)據(jù)機(jī)房的污染排放。在此基礎(chǔ)上,本文分別選擇了地源熱泵、LNG(liquefied natural gas)和空調(diào)冷卻水作為系統(tǒng)的冷源,下面就對這三種冷源進(jìn)行探討分析。

2.2.1 地源熱泵

地源熱泵是一種節(jié)能、高效、環(huán)保的先進(jìn)技術(shù)。在2005年之后中國地源熱泵技術(shù)發(fā)展迅速,并且開發(fā)了符合中國地理特點的地源熱泵系統(tǒng)[34]。近年來,越來越多的學(xué)者將地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于工程實踐,以達(dá)到降低能耗、實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[35]。

地源熱泵主要是依靠淺層地?zé)崮?如土壤、地下水等),通過使用少量的高品位能源實現(xiàn)由低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩崔D(zhuǎn)移并實現(xiàn)為建筑物供暖制冷的一項技術(shù)[36-37]。由于地下蘊(yùn)含著巨大的能量,在較深的地層中,地下溫度能夠基本保持穩(wěn)定。地源熱泵就是利用大地作為冷熱源,通過中間介質(zhì)在埋管中流動,循環(huán)介質(zhì)與土壤換熱,進(jìn)而把冷熱量獲取,實現(xiàn)對建筑物的制冷或取暖。地源熱泵工作原理如圖3[38]所示。

1為室外埋管換熱器;2為冷凝器;3為節(jié)流機(jī)構(gòu);4為蒸發(fā)器;5為壓縮機(jī);6為房間換熱器;7為循環(huán)水泵;8為換向閥

把地源熱泵系統(tǒng)作為冷源參與噴霧冷卻的過程簡單的說,就是在需散熱供冷的數(shù)據(jù)機(jī)房周圍或數(shù)據(jù)機(jī)房下方進(jìn)行埋管,通過埋管內(nèi)的循環(huán)水與土壤中的熱量進(jìn)行交換,換熱后的循環(huán)水作為冷量的載體,參與噴霧冷卻系統(tǒng)運行[34]。噴霧冷卻系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)獲得循環(huán)水中的冷量后經(jīng)過噴嘴霧化,噴射在電子元件表面進(jìn)行元器件散熱。散熱后的工質(zhì)回收至換熱裝置繼續(xù)與地源熱泵系統(tǒng)的循環(huán)水進(jìn)行冷量交換,形成一個冷量交換的循環(huán)系統(tǒng)。同時,地源熱泵的循環(huán)水與噴霧冷卻系統(tǒng)的換熱裝置中的冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷量交換后,失去冷量的循環(huán)水繼續(xù)參與地源熱泵系統(tǒng)運行,與土壤進(jìn)行冷量交換。

李玲[35]總結(jié)了將地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于暖通空調(diào)中的三種主要應(yīng)用方式,首先將地埋管道與熱泵機(jī)組結(jié)合即可滿足為室內(nèi)制冷供暖的需求,通過對實際地理位置進(jìn)行勘測,并合理設(shè)置地埋管管道長度及鉆孔孔徑等來確保設(shè)備的合理管控。其次將地埋管道與熱回收機(jī)組聯(lián)合應(yīng)用于排熱量較大的工程中,常見于中國北方地區(qū),由于北方地區(qū)冬夏兩季溫差較大,利用這一特性通過吸收式熱泵機(jī)組在夏季時將熱量儲存起來,再到冬季時將熱量釋放出來為室內(nèi)供暖,節(jié)能且環(huán)保。最后提出將地埋管道與熱泵機(jī)組和冷卻塔聯(lián)合起來,通過三者聯(lián)合來實現(xiàn)有效的熱量轉(zhuǎn)化。不管是哪種應(yīng)用方式,都證明了使用地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中都能很好的滿足行業(yè)要求,在此基礎(chǔ)上,若可以將地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房中作為噴霧冷卻系統(tǒng)的冷源是非常好的選擇,且合理地利用可以降低系統(tǒng)能耗,提高系統(tǒng)整體性能,是一種綠色清潔、環(huán)保高效的冷源選擇。

作為新時代下的冷源家族中的佼佼者,地源熱泵相較于其他冷源具有明顯的優(yōu)勢。首先,地源熱泵是一種可再生能源技術(shù),環(huán)境效益高,且節(jié)約了建筑資源[39]。其次,冷能獲得成本較低,能夠極大地降低數(shù)據(jù)機(jī)房散熱能耗,經(jīng)濟(jì)節(jié)能。由于地下土壤溫度較為穩(wěn)定,這在一定程度上也提高了地源熱泵的運行效率[40]。并且,地源熱泵的機(jī)械部件非常少,大部分部件安裝在地表以下,設(shè)備使用壽命長,維護(hù)成本低。同時,地源熱泵應(yīng)用廣泛,可以一機(jī)多用,一方面,地源熱泵可以為噴霧冷卻提供冷源,另一方面,地源熱泵也可以參與數(shù)據(jù)機(jī)房的空調(diào)制冷。不過缺點也是相當(dāng)明顯的,地源熱泵受到場地限制,需要足夠的場地才能實現(xiàn)能源交換,相較于傳統(tǒng)的冷熱源系統(tǒng),地源熱泵的前期投資約高40%,也一定程度上限制了地源熱泵作為冷源的發(fā)展前景[41-42]。

從總體上看,選擇將地源熱泵作為噴霧冷卻系統(tǒng)的冷源具有非常好的應(yīng)用前景,隨著地源熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展,成本的逐漸降低,以及國家對新技術(shù)新能源的支持,地源熱泵的短板會逐漸補(bǔ)齊。作為冷源參與噴霧冷卻系統(tǒng)運行,對于數(shù)據(jù)機(jī)房熱量的及時排出十分合適。

2.2.2 LNG相變

LNG(liquefied natural gas)是指在標(biāo)況下將氣態(tài)天然氣壓縮、冷卻到-162 ℃后的液態(tài)混合物,液化后的體積只有氣態(tài)天然氣體積的1/600[43]。目前LNG可應(yīng)用于空氣分離、制冰、發(fā)電等中, 已經(jīng)成為發(fā)展較為迅猛的能源之一[44]。

中國每年從海外大量進(jìn)口LNG,這種溫度為-162.0 ℃的液體在下游用戶使用前需要進(jìn)行氣化并且加熱到至0 ℃以上,因此LNG在氣化的過程中,會吸收大量熱能,LNG含有大量優(yōu)質(zhì)冷量[45]。目前,大部分LNG都通過海水進(jìn)行氣化,造成了冷能的浪費,甚至引發(fā)低溫污染，因此利用LNG所包含的冷量,一方面可以降低用戶使用LNG的成本和設(shè)備投資的成本[46]。

LNG氣化產(chǎn)生的高質(zhì)量冷能經(jīng)處理后可以用于噴霧冷卻系統(tǒng)的冷源使用,處理過程如圖4[43]所示。LNG初步氣化將產(chǎn)生大量冷能,噴霧冷卻循環(huán)介質(zhì)在-162 ℃情況下容易凝固，所以要進(jìn)行多步驟氣化換熱工作。首先,-162 ℃的LNG與中間介質(zhì)乙二醇在氣化裝置中進(jìn)行初步氣化,乙二醇與LNG進(jìn)行換熱；然后,乙二醇經(jīng)過噴霧冷卻的換熱裝置,與儲液罐中的噴霧介質(zhì)進(jìn)行換熱；溫度升高的乙二醇經(jīng)過管路循環(huán)與LNG繼續(xù)換熱獲取冷量,獲得冷量的噴霧冷卻系統(tǒng)工質(zhì),經(jīng)過系統(tǒng)管路,在噴嘴作用下霧化,噴射在受體表面進(jìn)行散熱；散熱后的噴霧工質(zhì)收集回到儲液罐,完成噴霧冷卻運行過程。

圖4 LNG供氣流程圖[43]

LNG單位含有的冷量巨大、冷能質(zhì)量高且能夠運用于空氣分離、冷能發(fā)電、低溫粉碎等多種場景,作為噴霧冷卻冷源具有一定的優(yōu)勢[47]。大量專家學(xué)者通過實驗設(shè)計了許多LNG冷能利用裝置。例如，王峰等[48]提出將LNG作為冷源應(yīng)用于跨臨界有機(jī)工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)時,為了更好地將LNG應(yīng)用于聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中,首先要從有機(jī)工質(zhì)的熱物性、技術(shù)可行性及安全性進(jìn)行研究分析選擇最優(yōu)工質(zhì),并在此基礎(chǔ)上對其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得出聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最佳參數(shù)。若想將LNG應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心噴霧系統(tǒng)中,也可綜合考慮選取噴霧冷卻循環(huán)工質(zhì),選擇不同的循環(huán)工質(zhì)應(yīng)用于系統(tǒng),同時對系統(tǒng)的其他影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析,實現(xiàn)LNG在數(shù)據(jù)中心噴霧冷卻系統(tǒng)中的高效利用。林苑[45]提出的基于LNG冷能用于空調(diào)制冷技術(shù)開發(fā)應(yīng)用,通過兩次冷媒的冷能傳遞,提高整體系統(tǒng)的效率和靈活性。采用R134a和R404a作為一級冷媒,具有清潔環(huán)保、安全等級高的特點；30%的乙二醇作為二級冷媒,具有較廣的溫度調(diào)節(jié)范圍；使得LNG冷能回收利用系統(tǒng)更加的安全高效節(jié)能。整個系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性、靈活性。同時,LNG冷能的冷量回收利用,具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。LNG冷能在空調(diào)制冷領(lǐng)域成功應(yīng)用證明了如果可以合理利用LNG作為噴霧冷卻系統(tǒng)的冷源將是一個具有良好發(fā)展前景的解決方案,同時,LNG相變冷能具有清潔環(huán)保、安全高效的特點,是噴霧冷卻較好的冷源選擇。

但是也應(yīng)該注意到,LNG氣化過程中,大量冷能轉(zhuǎn)換成壓力,且由于目前大多數(shù)氣化站都建設(shè)在碼頭周圍,因此將LNG應(yīng)用于下游用戶時會帶來運送距離較長的問題,降低了經(jīng)濟(jì)效益[49]。楊暉等[50]設(shè)計了使用LNG作為冷源應(yīng)用于區(qū)域供冷時的系統(tǒng)流程,根據(jù)供冷對象的不同通過分析各個工況下的該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和效益性,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)使用LNG作為冷源的區(qū)域供冷系統(tǒng)更加的節(jié)約能源,環(huán)境效益更高,且距離是影響LNG作為冷源效益性的重要影響因素,配送距離越長,能耗越高,所以我們應(yīng)當(dāng)選擇合適的管網(wǎng)輸送距離才能有效地降低系統(tǒng)能耗。同時,LNG接收站的氣化需求與冷端的利用需求存在時間和空間上的不同步[51]。噴霧冷卻系統(tǒng)的運行與LNG氣化產(chǎn)生冷能之間存在一定的時空差。 并且,LNG參與噴霧冷卻系統(tǒng)運行,產(chǎn)業(yè)鏈較長,受到環(huán)境和運輸?shù)确矫嬗绊憰r波動較大,且LNG在生產(chǎn)運輸過程中尤其要注意防止LNG的泄露,而這方面研究也是屬于目前LNG應(yīng)用的重難點[52]。因此,如若將LNG的冷能合理妥善運用在數(shù)據(jù)機(jī)房散熱方面,主要問題是在新建數(shù)據(jù)機(jī)房時,要優(yōu)先因地制宜考慮在 LNG 接收站周圍,才能合理低成本的使用LNG冷能作為冷源。

2.2.3 空調(diào)冷卻水

空調(diào)冷卻水是空調(diào)系統(tǒng)的一部分,它通過冷卻塔把熱量帶走,實現(xiàn)降溫冷卻的目的。在傳統(tǒng)意義上,空調(diào)運行會產(chǎn)生大量熱,如果不能及時將熱量清除,就會嚴(yán)重威脅設(shè)備的運行安全。冷水降溫的解決方式雖然可用,但是浪費大量冷卻水,水資源的大量浪費是不可持續(xù)的。針對這種情況,空調(diào)設(shè)計者研究出空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主要部件有冷卻塔和冷卻循環(huán)水泵,冷卻系統(tǒng)的各部件之間具有緊密的聯(lián)系性,并且相互影響[53]。

許多大型建筑中都安裝了中央空調(diào)系統(tǒng),因此,解決空調(diào)系統(tǒng)散熱問題則是目前研究的重點[54]。冷卻水系統(tǒng)的合理設(shè)計不僅可以節(jié)約成本,還可以降低系統(tǒng)的整體能耗[55]。如若將空調(diào)冷卻水作為冷源參與噴霧冷卻系統(tǒng)的運行,一方面節(jié)約了噴霧冷卻系統(tǒng)冷源獲取成本,另一方面使得空調(diào)冷卻水獲得高效利用。許多學(xué)者研究探索了空調(diào)冷卻水系統(tǒng)并提出了很多有價值的優(yōu)化方案。賈新穎[54]對使用冷卻水系統(tǒng)為空調(diào)冷卻進(jìn)行了細(xì)致分析,從冷卻水所需的用量到如何選擇合適的冷卻塔等都進(jìn)行詳細(xì)敘述,并提出了冷卻水在使用過程中水質(zhì)發(fā)生變化問題的解決方案,為后續(xù)使用空調(diào)冷卻水作為噴霧系統(tǒng)冷源提供了一定的理論支持；鄭鴻磊[53]基于深圳某大型商場的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),分析冷卻水系統(tǒng)的運行特點和原理,通過分析可以發(fā)現(xiàn)影響冷水機(jī)組能效的主要因素是冷凍水供回水溫度,提高供水溫度,降低回水溫度可以達(dá)到提高系統(tǒng)能效的效果。眾多專家學(xué)者對空調(diào)冷卻水應(yīng)用的研究都表明,空調(diào)冷卻水含有大量可利用的高質(zhì)量冷能,同時在空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的研究中也證明空調(diào)冷卻水的冷能也可以利用在其他制冷系統(tǒng)中,由于中央空調(diào)含有充足冷卻水冷能,將冷卻水的冷量作為噴霧冷卻的冷能是一種高效利用空調(diào)冷卻水的重要方式。

以數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的制冷空調(diào)為載體,外接管路利用低溫冷卻水參與噴霧冷氣系統(tǒng)運行,低溫冷卻水一部分滿足空調(diào)自身使用需求,另一部分通過支路連接噴霧冷卻的換熱器。低溫冷卻水在換熱器中與噴霧冷卻的工質(zhì)進(jìn)行冷量交換,換熱后的冷卻水通過循環(huán)管路進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)。獲得冷能的噴霧冷卻工質(zhì),通過噴嘴霧化后,噴射在電子元器件表面進(jìn)行散熱,散熱后的噴霧工質(zhì)收集回到儲液罐,完成噴霧冷卻運行過程。

空調(diào)冷卻水作為冷源優(yōu)勢非常明顯,數(shù)據(jù)中心的中央空調(diào)含有大量的空調(diào)冷卻水資源,冷源獲取方式比較簡單。孫項菲等[56]介紹了天津市某數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計,該數(shù)據(jù)中心采用A路風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)和B路風(fēng)冷冷凍水系統(tǒng)聯(lián)合為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)提供冷源,可根據(jù)室外氣象來進(jìn)行不同比例運行,提高數(shù)據(jù)機(jī)房運行能效。且空調(diào)冷卻水溫度恒定,水流平穩(wěn)充足,能夠保證噴霧冷氣系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。同時,把空調(diào)冷卻水引入噴霧冷卻系統(tǒng)的操作比較簡單,投入成本較低,也能很好的利用冷卻水資源,符合建設(shè)節(jié)能環(huán)保數(shù)據(jù)機(jī)房的理念。

2.2.4 冷源對比總結(jié)

在噴霧冷卻冷源選擇方面,經(jīng)過對地源熱泵、LNG以及空調(diào)冷卻水三種進(jìn)行對比研究,并通過對三者的工作原理和運行特性的分析,參考相關(guān)文獻(xiàn),探討不同冷源選擇的優(yōu)勢和不足，得出結(jié)果如表3所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn),空調(diào)冷卻水比其他兩者的使用限制更小、運行更穩(wěn)定、應(yīng)用范圍更廣闊。同時,空調(diào)冷卻水的應(yīng)用,使得噴霧冷卻系統(tǒng)與空調(diào)制冷系統(tǒng)能夠相互協(xié)作,相互補(bǔ)充,更好地為數(shù)據(jù)機(jī)房提供穩(wěn)定冷能,保證數(shù)據(jù)機(jī)房的平穩(wěn)運行。在能耗方面,地源熱泵主要依靠地下水和土壤資源,故能耗較低；而LNG用作冷源時受配送距離的影響,配送距離越長,能耗越高。同樣,只有合理的設(shè)計空調(diào)冷卻水系統(tǒng)才能有效降低整體系統(tǒng)能耗。

2.3 管路設(shè)計

由于數(shù)據(jù)機(jī)房服務(wù)器數(shù)量多,即噴霧冷卻系統(tǒng)中應(yīng)含有多個噴霧模塊,噴霧模塊直接置于服務(wù)器上方,所以系統(tǒng)管路應(yīng)包含主循環(huán)管路和各分支路。主循環(huán)管路為冷源入口和總流量調(diào)節(jié)閥相連,并在主循環(huán)管路上設(shè)置調(diào)壓閥和水泵,各分支路為各個服務(wù)器支路,當(dāng)噴霧冷卻系統(tǒng)中的工質(zhì)與服務(wù)器熱表面換熱完成之后,換熱之后的工質(zhì)從各個支路匯合回總循環(huán)管路,經(jīng)水泵和流量調(diào)節(jié)閥送入冷卻塔進(jìn)行冷卻再回到冷源入口。當(dāng)確定好最合適的冷源之后,其次需要考慮的是管路系統(tǒng)的優(yōu)化,包括噴霧介質(zhì)的選擇、閥門的最優(yōu)位置以及合適的水泵壓力等,由此可以降低系統(tǒng)管路在噴霧冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的流阻。

在進(jìn)行系統(tǒng)管路設(shè)計的時候需對噴霧冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量進(jìn)行計算以達(dá)到設(shè)計流量,從而確保系統(tǒng)可以正常運行。同時,由于數(shù)據(jù)中心分支路較多,需平衡好各支管間的壓力問題[57]。合理的系統(tǒng)管路設(shè)計決定了噴霧冷卻系統(tǒng)能否高效穩(wěn)定地運行,所以管路系統(tǒng)設(shè)計研究具有非常重要的意義[58]。合理的管路設(shè)計,能夠確保冷卻工質(zhì)在各回路上分布更加均勻,安裝運行過程成本更低,整體系統(tǒng)更加節(jié)能；如果管路設(shè)計不當(dāng),不僅會造成冷卻工質(zhì)的冷能浪費,更影響噴霧冷卻的整體工作效果。因此,在提升噴霧冷卻性能方面,優(yōu)化管路設(shè)計就顯得相當(dāng)重要。

錢春潮[21]在噴霧冷卻換熱特性研究中指出使用R134a作為冷卻工質(zhì)可提高換熱系統(tǒng)的換熱性能,從錢春潮[21]、李佳等[59]、謝寧寧等[60]、劉期聶[61]的實驗研究中(實驗臺如圖5～圖7所示)發(fā)現(xiàn),噴霧流量存在最佳值,噴霧流量的增加帶來了液滴速度的增大,但并不是越大越好,過大的噴霧流量會引起液滴的飛濺,從而帶來換熱性能的降低,因此噴霧流量存在最佳值,此時液滴速度也較大,研究結(jié)果對比如表4所示。

圖6 文獻(xiàn)[60]的噴霧實驗系統(tǒng)實物圖

圖7 文獻(xiàn)[61]的噴霧實驗系統(tǒng)實物圖

表4 各噴霧冷卻實驗結(jié)果對比

從上述研究得知,噴霧冷卻系統(tǒng)具有如下特點:管道內(nèi)的冷卻工質(zhì)需要具有高流速,工質(zhì)參與散熱后要回收循環(huán)使用,從換熱效果對比分析可以看出,相較于R134a,水作為工質(zhì)時的換熱效果更好,且從謝寧寧等[60]和劉期聶[61]的實驗結(jié)果中可以看出,噴霧流量的增大也在一定程度上提高了表面換熱熱流密度。管路內(nèi)的流動阻力對噴霧系統(tǒng)的影響較為顯著,歸因于數(shù)據(jù)機(jī)房的冷卻特點,管路設(shè)計需要滿足有限資源投入,做到噴霧冷卻噴嘴點對點,噴霧系統(tǒng)一對多。基于以上的噴霧冷卻特點,在管路設(shè)計時,通過合理的管路布局,各個末端設(shè)備出口流量,出口速度都應(yīng)當(dāng)達(dá)到設(shè)計要求,使噴霧冷卻能夠滿足各電子元器件的散熱需要,并達(dá)到節(jié)能效果。同時,管路設(shè)計要簡潔,閥門設(shè)計要合理,在保證每個末端噴嘴流量的前提下,盡可能縮短整體管路的長度,提高運行效率,降低安裝難度,使維護(hù)成本更低[62]。

李志鑫[63]以天然氣化工廠為研究對象,研究探索循環(huán)冷卻水的高效利用的設(shè)計對策,結(jié)果表明管路的布置、管材選擇以及管道內(nèi)介質(zhì)流速對工業(yè)循環(huán)冷卻水性能有較大影響。同理,在噴霧冷卻系統(tǒng)中,管道設(shè)計與優(yōu)化也影響著循環(huán)冷卻介質(zhì)的安全與節(jié)能。梁榮業(yè)[64]在對汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計研究中指出降低流動阻力有利于優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng),提高空調(diào)制冷效果,與數(shù)據(jù)機(jī)房中噴霧冷卻系統(tǒng)的管路設(shè)計具有相通之處。梁榮業(yè)[64]對管路的連接方式,影響空調(diào)管理流動阻力因素進(jìn)行分析,提出降低管路局部阻力的設(shè)計觀點,研究了彎道半徑對局部阻力系數(shù)的影響。這些研究結(jié)論對本文探究優(yōu)化噴霧冷卻系統(tǒng)管路設(shè)計提供了新的研究方向和理論支撐。

對噴霧冷卻管路設(shè)計的重點在于通過設(shè)計閥門支路等方式降低冷卻工質(zhì)流動阻力、達(dá)到提高系統(tǒng)整體性能的目的。影響冷卻工質(zhì)流動的阻力主要包括沿程阻力和局部阻力。由沿程阻力的計算公式得知,沿程阻力與雷諾數(shù)、摩擦系數(shù)等有關(guān),且與沿程阻力系數(shù)、管內(nèi)流速的二次方成正比,與管路直徑成反比；局部阻力是指流體在管道中由于變向、變徑等局部障礙帶來的能量損失[64]。敬文博等[65]從阻力損失方面提出優(yōu)化系統(tǒng)管路的方法,通過分析各項阻力損失公式,總結(jié)出可通過減少管路長度、減小彎管彎角角度等可有效降低能量損失。

降低沿程管路阻力對于優(yōu)化管路設(shè)計也具有重要影響。選擇管路時,要考慮管路最優(yōu)內(nèi)徑,保證噴嘴流量的同時,盡量增加內(nèi)徑保證管路冷卻工質(zhì)的流動速度,降低流動阻力。選擇管路最佳材質(zhì),以阻力系數(shù)較小的材質(zhì)為適宜管路。并且,我們還需考慮水泵的壓力變化對噴霧冷卻系統(tǒng)換熱效果的影響,通過在系統(tǒng)管路中設(shè)置調(diào)壓閥控制水泵壓力,并收集不同壓力時對應(yīng)的噴霧系統(tǒng)的對流換熱系數(shù)。與此同時,冷卻工質(zhì)的不同選擇也影響著管路系統(tǒng)以及噴霧冷卻的性能,常用的介質(zhì)有水和納米流體,分別采用水和納米流體作為噴霧工質(zhì),控制噴霧高度、入口溫度、噴霧流量及其他因素不變,觀察不同工質(zhì)下的對流換熱系數(shù),得出應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房環(huán)境中的最佳工質(zhì)。

綜上所述,管路設(shè)計影響著噴霧冷卻性能,降低流動阻力仍然是優(yōu)化管路的關(guān)鍵,可以通過合理的管路連接和布置方式,選用合適的管道,最佳工質(zhì),改變水泵壓力等多種方式,降低冷卻介質(zhì)的流動阻力,達(dá)到提升整體系統(tǒng)性能的目的。

2.4 控制反饋系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房因為機(jī)柜運行負(fù)荷的不同,熱量產(chǎn)生存在差異；同樣,機(jī)柜內(nèi)的電子元器件處理數(shù)據(jù)量不同,散熱需求也不是恒定的。因此,在噴霧冷卻過程中,要根據(jù)各電子元器件的散熱情況按需供冷。在噴霧冷卻系統(tǒng)設(shè)計過程中,合理采用控制調(diào)節(jié)裝置具有相當(dāng)重要的作用。如果溫度較高,可以通過調(diào)節(jié)噴嘴流量和噴嘴流速,增大散熱能力,滿足需求。如果溫度不高,則可以降低流量和噴霧流速,達(dá)到節(jié)約冷能、提高系統(tǒng)整體工作效率的目的。相韜等[66]對自動化的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了分析,自動控制理論應(yīng)用在工業(yè)、航空等多個領(lǐng)域,合理利用自動控制技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性,能夠有效監(jiān)督生產(chǎn)環(huán)節(jié),降低人力物力投入,節(jié)約資源和生產(chǎn)成本,因此,在噴霧冷卻系統(tǒng)中合理地引入自動控制技術(shù),一方面可以增強(qiáng)噴霧冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性,另一方面也有助于噴霧冷卻系統(tǒng)性能的優(yōu)化,提升系統(tǒng)制冷效率。為此，根據(jù)系統(tǒng)的聯(lián)動控制反饋方式的不同,將系統(tǒng)調(diào)節(jié)分為自動反饋系統(tǒng)和被動式反饋裝置。

自動反饋裝置是一種應(yīng)用自動控制技術(shù)的調(diào)節(jié)機(jī)制。自動反饋裝置能夠使噴霧冷卻系統(tǒng)具有自動檢測和自動調(diào)節(jié),根據(jù)電子元器件的散熱情況調(diào)節(jié)噴嘴流速和噴嘴流量。 自動反饋調(diào)節(jié)裝置包括溫度傳感器、主控制器、邏輯控制開關(guān)等基本部件。主要設(shè)計流程為溫度傳感器檢測電子元器件散發(fā)的熱量,根據(jù)元器件熱量情況反饋主控制器,主控制器接收信號后反饋給邏輯控制開關(guān),邏輯控制開關(guān)調(diào)節(jié)噴嘴流量和噴嘴流速,能夠滿足元器件的散熱需要,保證元器件溫度在合理區(qū)間正常運行。與此同時,噴霧冷卻自動調(diào)節(jié)機(jī)制還能夠提供故障預(yù)警功能,當(dāng)電子元器件溫度過高,可以通過報警器進(jìn)行報警。自動反饋裝置可以減少噴霧冷卻的故障率,同時降低系統(tǒng)故障帶來的不利影響,使噴霧冷卻具有較高的穩(wěn)定性,從而提高噴霧冷卻的整體性能[67]。

被動反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)是主動反饋系統(tǒng)的備用裝置,但是優(yōu)先級高于主動反饋調(diào)節(jié)。被動反饋調(diào)節(jié)裝置運行情況如下:當(dāng)主動反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)檢測到電子元器件溫度異常,同時報警裝置發(fā)出警報,但是自動調(diào)節(jié)裝置沒有啟動時運行；當(dāng)主動反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)未檢測到溫度異常,但是電子元器件因溫度過高運行效率降低,被動反饋機(jī)制啟動運行。主要工作流程通過手動增大噴嘴流量和流速,降低電子元器件溫度,保證電子元器件運行。同時,檢修主動調(diào)節(jié)裝置,使其回復(fù)正常運行。自動調(diào)節(jié)裝置和被動調(diào)節(jié)裝置互為補(bǔ)充,相互協(xié)作,共同組成噴霧冷卻的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,保證噴霧冷卻技術(shù)的正常、穩(wěn)定、高效運行。

綜上所述,為了嚴(yán)格保證數(shù)據(jù)機(jī)房的穩(wěn)定運行,調(diào)節(jié)反饋機(jī)制是相當(dāng)重要的。調(diào)節(jié)機(jī)制能夠在保證噴霧冷卻系統(tǒng)的平穩(wěn)運行的同時,使電子元器件按需供冷。是一種節(jié)約能源、提高效率的機(jī)制,是噴霧冷卻系統(tǒng)重要組成部分[67]。由于中國現(xiàn)階段反饋調(diào)節(jié)機(jī)制在噴霧冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用還不成熟,還存在很多短板和不足,因此,這就需要更加重視在實際過程中的應(yīng)用,在應(yīng)用中更加實際情況總結(jié)經(jīng)驗,同時積極學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù),不斷完善優(yōu)化和升級噴霧冷卻系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,這樣才能使數(shù)據(jù)機(jī)房噴霧冷卻技術(shù)更加安全、完善和智能。

3 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心在人類生活中占據(jù)著越來越重要的地位,采用合理、節(jié)能的方法來解決數(shù)據(jù)機(jī)房散熱問題是目前研究的要點[68]。雖然噴霧冷卻技術(shù)具備高效的冷卻效果,但若將其應(yīng)用至數(shù)據(jù)中心冷卻領(lǐng)域,還需解決如下難點問題。

(1)噴霧冷卻應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房中不僅僅需要考慮換熱問題,還需要考慮系統(tǒng)的性能情況,而目前關(guān)于整體系統(tǒng)搭建、系統(tǒng)匹配等方面的研究依然存在空白,所以后續(xù)研究中要重點研究噴霧冷卻應(yīng)用于系統(tǒng)的整體能耗情況,為后期實際應(yīng)用提供更多參考。

(2)潛在的冷源,無論是LNG的冷能回收利用,地源熱泵系統(tǒng)或者空調(diào)冷卻水都需要經(jīng)過較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)換才能為噴霧冷卻提供冷能,并沒有形成系統(tǒng)具體的冷源解決方案。

(3)管路優(yōu)化涉及多門學(xué)科,對管道阻力研究,管道材質(zhì)選擇,閥門位置設(shè)計仍需要投入更多人力進(jìn)行分析探索,尤其是數(shù)據(jù)機(jī)房系統(tǒng)復(fù)雜,實際應(yīng)用過程中必然會涉及多處管路分合,在后續(xù)的研究中要重點研究如何進(jìn)行合理的設(shè)計來降低系統(tǒng)管路流阻。

(4)自動化系統(tǒng)設(shè)計不僅需要硬件支持,軟件程序代碼的設(shè)計優(yōu)化也是系統(tǒng)自動化控制方面的難點。

針對上述重點難點,探索了噴霧冷卻應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房中的冷源選擇問題、系統(tǒng)循環(huán)管路的優(yōu)化設(shè)計以及系統(tǒng)的聯(lián)動控制反饋裝置等,主要探討了關(guān)于應(yīng)用噴霧冷卻系統(tǒng)為數(shù)據(jù)機(jī)房降溫時需要考慮的實際問題,得出主要結(jié)論如下。

(1)冷源的選擇不僅要滿足噴霧冷卻的需求,更需考慮與噴霧冷卻系統(tǒng)是否匹配,需要從系統(tǒng)運行角度考慮選擇最優(yōu)冷源。

(2)系統(tǒng)管路的設(shè)計應(yīng)建立在降低系統(tǒng)流阻上,通過實驗完成系統(tǒng)的整體優(yōu)化并設(shè)計出最優(yōu)介質(zhì)回收或循環(huán)系統(tǒng)。

(3)系統(tǒng)的聯(lián)動控制反饋調(diào)節(jié)裝置需結(jié)合主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和被動調(diào)節(jié)系統(tǒng),保證噴霧冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房的正常運行。