基于相變蓄冷的風冷模塊化數據中心應急供冷單元實驗研究及性能分析

黃 彬 鄭子鏖 陸高鋒 鄭春元 李 斌 翟曉強

（1 上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240；2 廣東美的暖通設備有限公司 佛山 528000）

數據中心作為互聯網的核心基礎設施，承擔著數據的儲存、處理和傳遞任務，通常要求24 h不間斷運行[1]。數據中心一旦發生宕機，將造成巨大的經濟損失。據統計：2018年全球約有一半的數據中心發生宕機，其中有1%的事故造成經濟損失超過2 000萬美元。停電是發生宕機最主要的原因[2-3]，停電后，柴油發電機和冷水機組從啟動到穩定運行通常需要5～15 min，在此期間，不間斷電源系統（uninterruptible power system,UPS）將蓄電池中的直流電能通過逆變器轉換成交流電，保證數據中心的連續供電和供冷[4]。然而，該方式要求UPS系統具有較大的容量。

為降低UPS系統的容量，數據中心通常采用蓄冷的方式實現連續供冷。水蓄冷和冰蓄冷因具有易于獲取、價格低廉的優勢在現有數據中心中得到廣泛應用，但前者屬于顯熱傳熱過程，儲能密度小，一般占據較大的建筑空間；后者的蓄冷過程需要將制冷溫度降至0 ℃以下，要求專用的制冰機組[5]。模塊化數據中心是近年來新興的一種數據中心，它將IT機柜、空調、不間斷電源等產品集成在一起，形成一個完整獨立的模塊。單個模塊的IT負載通常較小，可根據業務需求靈活部署不同規模的數據中心。對于常規的一體化風冷模塊化數據中心，單個模塊內既沒有足夠的空間安裝冷水罐，也沒有用于制冰的機組，缺乏有效的蓄冷途徑。相比水蓄冷和冰蓄冷，相變蓄冷具有儲能密度大、相變溫度適應性好等優勢，已被廣泛應用于建筑、空調、冷鏈等領域，起到節能和移峰填谷的作用[6-8]。研究人員已針對相變材料（phase change material，PCM）及其應用開展了大量研究[9-13]。M. M. Heyhat等[14]研究了納米顆粒、翅片和金屬泡沫對PCM傳熱性能的影響。M. Arici等[15]研究了PCM在建筑外墻中的最佳位置、適宜熔化溫度及厚度。R. Kalbasi[16]基于PCM設計了一種新型散熱器，并對其傳熱性能進行分析。M. A. Said等[17]將相變蓄冷單元與冷凝器相結合，研究了不同參數對傳熱過程的影響。

相變材料導熱系數一般較低，因此相關研究通常從相變材料性能和相變傳熱結構兩方面對其傳熱性能進行強化。雖然相變蓄冷的研究已涉及多個領域，但將相變蓄冷應用于數據中心作為應急冷源的研究較少。英特爾通過水蓄冷方式實現了數據中心的應急供冷，但兩個冷水罐的容積高達90 850 L[18]；Fang Yuhang等[19]研究表明，相變儲能單元的儲能密度約為等效水箱的3倍。目前，由于單個模塊內沒有足夠空間安裝冷水罐，風冷模塊化數據中心模塊內部仍缺乏有效的應急供冷設計。

本文基于相變蓄冷提出一種應急供冷技術途徑，搭建了蓄冷單元實驗臺并測試其傳熱性能。為進一步提高蓄冷單元的綜合傳熱性能，通過數值模擬研究了不同弓形肋片長度、高度、間距及蓄冷板間距對傳熱的影響，并利用綜合評價因子j/f對蓄冷單元進行優化，最終獲得蓄冷單元的優化設計參數。

1 相變蓄冷實驗

1.1 應急供冷設計

本文提出的應急供冷技術途徑如圖1所示，該技術途徑涉及的結構主要包括機柜、吊頂空調和蓄冷單元。其中，機柜選用標準42U機柜（長、寬、高分別為800、600、2 000 mm），散熱負荷為6 kW；蓄冷單元（長、寬、高分別為1 000、900、400 mm）由帶弓形肋片的蓄冷板平行等距排列而成，位于機柜與空調之間，數量與機柜數相匹配。正常運行工況下，由空調送風對機柜進行冷卻，并同步驅動蓄冷單元完成蓄冷；緊急工況發生時，由蓄冷單元為機柜實施應急供冷。

根據ASHRAE手冊[20]，不同級別數據中心冷通道空氣的推薦溫度為18～27 ℃，在實際運行過程中，該溫度一般維持在（23±2） ℃，為使蓄冷單元在緊急工況下快速釋放冷量，正常運行時完成蓄冷過程，相變材料的凝固點和融化點應分別選擇25 ℃和27 ℃附近。基于共晶互融理論，經過篩選和適配，發現用質量比為98∶2的癸酸和硬脂酸調配出的二元復合相變材料具有較為理想的性質。復合相變材料性質如表1所示，該相變材料的凝固溫度為25.76 ℃，起始融化溫度為26.25 ℃。

圖1 應急供冷技術途徑（釋冷過程）Fig.1 Technical approach of emergency cooling （discharging process）

表1 相變材料性質Tab.1 Thermal parameters of the PCM

1.2 實驗系統

為研究上述應急供冷設計的可行性，搭建實驗裝置如圖2所示。將相變材料封裝在蓄冷板中，蓄冷板尺寸為450 mm×9 mm×400 mm（寬×厚×高）。蓄冷板表面每隔20 mm安裝弓形肋片，弓形肋片長度、高度分別為4、2 mm。蓄冷單元由6塊間距為4 mm的蓄冷板平行排列而成，放置在尺寸為450 mm×78 mm×1 200 mm（寬×厚×高）的豎直風道內，風道外表面使用保溫棉進行隔熱處理。在風道的頂部，安裝5個散熱風扇，用來驅動風道內的空氣流動。進入風道的空氣首先通過均流板，然后進入PCM蓄冷單元，與蓄冷板進行傳熱后流出。整個實驗裝置置于焓差室中，以便對空氣溫度進行控制。實驗測試過程中，使用T型熱電偶對蓄冷單元的進出口及蓄冷板的表面溫度進行檢測；風速和壓差由相應的變送器進行測量，測量精度如表2所示。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental device

表2 測量精度Tab.2 Measurement accuracy

為研究相變蓄冷單元傳熱特性，保持蓄冷單元流道進口風速為1.5 m/s，蓄冷過程中，進口溫度分別設置為18、20、22 ℃；釋冷過程中，進口溫度分別設置為31、33、35、37、39 ℃。

2 實驗結果與分析

2.1 蓄冷過程

圖3所示為蓄冷過程中蓄冷單元出口溫度隨時間的變化。由圖3可知，在給定工況下，出口溫度隨著時間增加逐漸下降，以進口溫度為20 ℃為例，在0～17 000 s時間段內，溫度下降速度先增大后減小。這是因為PCM的導熱性較差，隨著時間推移，靠近板壁的PCM先完成相變，削弱了冷量向內部的傳遞。同時，蓄冷板的平均溫度也逐漸下降，導致傳熱溫差減小。在兩種因素的疊加下，傳熱強度逐漸降低，且該影響隨時間推移而加劇。17 000 s后，蓄冷單元出口溫度變化小于0.1 ℃，此時可認為相變過程已完成。當蓄冷單元進口溫度下降時，PCM完成相變的時間縮短，出口溫度也隨之降低。進口溫度為22 ℃時，蓄冷時間為23 620 s；而進口溫度為18 ℃時，蓄冷時間縮短為13 750 s。

圖3 蓄冷過程中蓄冷單元出口溫度隨時間的變化Fig.3 Variation of outlet temperature of cooling storage unit with time during cooling storage

2.2 釋冷過程

圖4所示為釋冷過程中蓄冷單元出口溫度隨時間的變化。由圖4可知，不同進口溫度下，蓄冷單元出口溫度均呈上升趨勢。設定蓄冷單元出口溫度達到27 ℃所經歷的時間為有效應急供冷時間，隨著進口溫度的升高，出口溫度也逐漸升高，蓄冷單元供冷時間縮短。進口溫度為31 ℃時，蓄冷單元有效供冷時間為1 486 s，進口溫度為39 ℃時，有效供冷時間縮短至725 s。對于5 min的應急供冷需求，實驗蓄冷單元能夠在所有釋冷工況下滿足；對于15 min的應急供冷需求，該蓄冷單元在進口溫度為35 ℃時仍能滿足。

圖4 釋冷過程中蓄冷單元出口溫度隨時間的變化Fig.4 Variation of outlet temperature of cooling storage unit with time during cooling release

3 數值仿真模型

3.1 模型假設

為研究蓄冷單元結構參數對蓄冷單元性能的影響，本文建立了蓄冷單元的二維瞬態模型。由于板間流道內的雷諾數均在900以下，因此選擇層流模型，并對該模型作如下假設：

1）空氣和相變材料的物性參數（除密度外）不隨溫度發生變化；

2）忽略蓄冷板壁的熱阻；

3）空氣和相變材料的流動為不可壓縮；

4）忽略沿蓄冷板寬度方向的溫度和速度變化。

3.2 數學模型建立及驗證

使用Fluent軟件中的Energy、Solidification & melting、Laminar模型，對相變材料的密度引入Boussinesq假設，壓力速度耦合采用PISO算法，壓力項采用PRESTO！格式，對流項和擴散項采用二階迎風格式。初始時刻，整個計算域的溫度保持在25 ℃，PCM處于固態。所有壁面邊界均采用無滑移邊界條件，流道進口和出口分別設置為速度進口和壓力出口，進口溫度恒為39 ℃。

通過求解N-S方程和能量方程，得到空氣和相變材料的變化特點。質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程分別如下[21]：

質量守恒方程：

（1）

動量守恒方程：

（2）

能量守恒方程：

（3）

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；μ為流體動力黏度，m2/s；p為壓強，Pa；g為重力加速度，m2/s；Si為達西定律阻尼項；H為相變材料總焓，J/kg；K為導熱系數，W/（m·K）；T為溫度，K；t為時間，s；x為空間位置，m; 下標i、j為方向。

相變材料總焓H由顯焓h（J/kg）和潛熱ΔH（J/kg）組成：

（4）

H=h+ΔH

（5）

式中：href為參考焓，J/kg；Tref為參考溫度，K；cp為比熱容，J/（kg·K）。

達西定律阻尼項（源項）在動量方程中表示PCM區域中相變對對流的影響，在空氣區域Si=0，定義如下：

目前，高校的科研成果評價指標體系普遍偏重于高級別科研項目的立項、高水平論文的發表、科研經費的數目等等，并將這些指標直接與年終的績效獎勵、職稱的評聘、各類獎勵獎項的評審相掛鉤，很少將科研成果轉化狀況及收益納入評價體系，嚴重忽視了科研成果的質量、轉化和推廣［5］。科研成果的轉化不作為衡量科研能力的主要指標，也不作為績效獎勵的重要指標，直接導致了科研成果持有人對成果的轉化積極性不高，科研成果的實際價值缺失，與市場的需求嚴重脫節。

（6）

融化率β定義：

β=ΔH/L

（7）

（8）

式中：C為糊狀區域常數；L為相變材料的總潛熱，J/kg；Ts、Tl分別為相變材料相變過程的起始（固相線）、終止（液相線）溫度，K。

進口溫度為39 ℃時，釋冷工況下出口溫度模擬結果與實驗對比如圖5所示，由圖5可知，誤差小于6%，模型具有可靠性。

圖5 模擬與實驗結果對比Fig.5 Comparison between simulation results and experimental results

4 仿真結果分析

4.1 傳熱與流動特性

進口溫度為39 ℃時，釋冷工況下5 min時蓄冷單元進口區域的溫度云圖、速度云圖和速度矢量圖如圖6所示。由圖6可知，當熱空氣進入流道時，空氣的熱量通過對流換熱以及板壁和肋片的導熱進入相變材料中，使相變材料逐漸融化。空氣溫度沿流動方向逐漸降低，與周圍相變材料的傳熱溫差逐漸減小，傳熱強度逐漸減弱。離進口越遠相變材料平均溫度越低，弓形肋片導致空氣在流道內的流動軌跡呈隨肋片弧線彎曲前進的曲線。同時，肋片大幅降低空氣的局部流通面積，增大空氣局部流速。由溫度云圖還可知，弓形肋片根部和兩個肋片中間區域的相變材料平均溫度偏高，緊鄰肋片兩側的相變材料平均溫度偏低。這是因為，當空氣流向肋片時，氣流掠過弓形肋片，在肋片靠近壁面的迎流區和背流區各存在一片速度較低的區域，速度邊界層較厚，傳熱系數較低。而氣流經過肋片的擾動和加速，沖擊板壁面，導致速度邊界層較薄，傳熱系數較大。

圖6 蓄冷單元溫度云圖、速度云圖及速度矢量圖Fig.6 Temperature cloud diagram, speed cloud diagram and speed vector diagram of the cooling storage unit

4.2 結構參數影響

采用j/f因子作為蓄冷單元綜合傳熱性能的評價標準[22]。其中，傳熱因子j和摩擦因子f分別表示傳熱能力和流動阻力的大小。綜合評價因子j/f越大，表示傳熱設備的綜合傳熱性能越好，即以小的代價（流動阻力增加）實現更好的傳熱效果。

傳熱因子j定義為：

（9）

（10）

式中：Nu為努塞爾數；Re為雷諾數；Pr為普朗特數；St為斯坦頓數；Dh為通道水力直徑，m；Δp為壓降，Pa。

圖7 不同參數對評價因子的影響Fig.7 Effect of different parameters on evaluation factors

圖7所示為評價因子隨不同肋片高度、長度、間距以及蓄冷板間距的變化。由圖7（a）可知，當肋片高度逐漸增大時，傳熱因子和摩擦因子均逐漸上升，但摩擦因子的變化幅度比傳熱因子更大。當肋片高度由1 mm升至3 mm時，傳熱因子增大177%，摩擦因子增大699%。這是因為，當肋片高度增加時，空氣最小流通面積變小，流道內空氣平均速度增加，傳熱增強。但流通面積的減小也導致流動阻力的急劇增加，肋片帶來的流動損失超過了其帶來的傳熱強化效果，所以綜合評價因子單調減小。因此，減小肋片高度可有效增大蓄冷單元的綜合傳熱性能。由圖7（b）可知，隨著肋片長度增大，傳熱因子幾乎保持不變，摩擦因子逐漸下降，綜合評價因子呈上升趨勢。這是因為當肋片長度增加時，流道內空氣的平均速度變化較小，但弓形肋片的曲率變小會導致局部流體流動變緩，帶來的阻力損失隨之降低。由圖7（c）可知，隨著肋片間距變大，傳熱因子和摩擦因子均逐漸減小，綜合評價因子變化幅度較小，略有上升趨勢。肋片數量隨間距的增大而減小，肋片對流道的影響也相應降低。由圖7（d）可知，隨著蓄冷板間距增大，傳熱因子和摩擦因子均減小。這是因為當板間距增大時，流通面積增大，空氣平均流速減小，肋片的傳熱強化作用和帶來的阻力損失均被削弱。

在設計的參數范圍內，當蓄冷單元結構參數改變時，肋片高度對綜合評價因子影響最大，肋片長度次之，肋片間距和蓄冷板間距最小。這是因為肋片高度改變時摩擦因子的變化幅度遠大于傳熱因子；肋片長度改變時，傳熱因子基本保持不變而摩擦因子發生變化，所以綜合評價因子變化幅度較大。

4.3 出口溫度影響

圖8所示為出口溫度隨不同肋片高度、長度、間距以及蓄冷板間距的變化。在不同工況下，出口溫度均隨時間的增加而上升。由圖8（a）可知，當肋片高度增加時，出口溫度逐漸降低。這是由于肋片高度增加導致流道內空氣流速增大，傳熱增強。在保持肋片長度、間距、板間距分別為4、10、4 mm工況下，當肋片高度大于1.5 mm時，蓄冷單元可至少滿足5 min的應急供冷需求，與實驗所采用的蓄冷單元（肋片高度為2.0 mm）相比，肋片高度1.5 mm時綜合評價因子可提高57%。此外，肋片高度大于2.5 mm時，蓄冷單元可滿足15 min的應急供冷需求。由圖8（b）可知，當肋片長度變化時，出口溫度基本保持不變。這是因為肋片長度改變時流道內空氣平均流速基本保持不變。此時，不同肋片長度下的蓄冷單元均能滿足5 min的應急供冷需求。由圖8（c）可知，當肋片間距上升時，出口溫度逐漸上升。這是因為肋片間距上升時流道內肋片數量減少，肋片對空氣的強化傳熱效果被削弱。保持其他參數不變，當肋片間距小于26 mm時，可至少滿足5 min的應急供冷需求。由圖8（d）可知，當蓄冷板間距增大時，出口溫度逐漸上升。這是因為板間距的增大削弱了肋片的強化傳熱效果。同時，流道內的部分空氣傳熱不充分，造成出口溫度顯著上升。當蓄冷板間距小于5 mm時，可至少滿足5 min的應急供冷需求。

圖8 不同參數對出口溫度的影響Fig.8 Effect of different parameters on outlet temperature

5 結論

針對風冷模塊化數據中心，本文提出一種基于相變蓄冷的應急供冷技術途徑，搭建了蓄冷單元實驗臺并測試了其儲冷、釋冷性能。同時，采用數值模擬方法，研究了蓄冷單元內的傳熱和流動特性并進行參數敏感性分析。得到結論如下：

1）對于5 min的應急供冷需求，實驗所設計的蓄冷單元能夠在所有工況下滿足。對于15 min的應急供冷需求，實驗蓄冷單元在進口溫度為35 ℃時仍能滿足。

2）在設計的參數范圍內，肋片高度對綜合傳熱性能影響最大，肋片長度次之，肋片間距和蓄冷板間距影響最小。

3）基于蓄冷實驗單元的結構參數，當肋片高度由2.0 mm降至1.5 mm時，綜合評價因子提高57%，并可滿足5 min的應急供冷需求；當肋片高度增至2.5 mm以上時，可滿足15 min的應急供冷需求。

4）對于8 min以下的應急供冷需求，在保持肋片長度、間距、板間距分別為4、10、4 mm工況下，蓄冷單元肋片高度建議設置為1.5 mm。