新型应急降温系统对数据机房热环境影响模拟研究

武志松 ^1,2   钟桦 ³   郑文科 ^1,2   魏川铖 ³   田梦 ⁴   姜益强 ^1,2

（1.哈尔滨工业大学；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；3.中国核电工程有限公司；4.山东省建筑设计研究院有限公司）

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。它包括计算机系统及与之配套的设备（如通信和存储设备）、冗余电源、冗余的数据通信连接、环境控制设备（如空调系统）、监控设备及各种安全装置。数据中心正常运行时，空调降温系统需要不断地将机柜工作产生的热量带到室外，维持室内环境温度。无论是风冷式还是液冷式降温系统，一旦发生停电故障，空调降温系统均会失效。机柜一般会配置备用电源，此时切换备用电源，保证机柜连续运行。而机柜工作产生的热量不能被及时带到室外，使得室内环境温度迅速升高，一旦超过设备的耐温限值，将会造成设备损坏，带来巨大的经济损失。

为了提高数据中心的可靠性，通常采用设置冗余的冷却设备、备用冷源、加强运行管理等手段保证数据中心安全稳定地连续运行。Cheung等人利用现有的可靠性理论，结合系统设备现场实测数据，对数据中心水冷系统多种冗余配置方案的可靠性进行了定量分析，得到不同级别数据中心需要满足的配置要求。吴晓晖在设计某高功率超级计算中心的空调系统时，采用冗余行间级空调设备供冷，以提高数据中心的可靠性。有不少设计者采用蓄冷技术作为数据中心的备用冷源，当发生停电故障时，由蓄冷箱为数据机房提供冷量。王大晓等人提出了自然散热法、冰块法与干冰法3种数据中心应急制冷方案，通过对比分析，干冰散热法在数据中心具有可用性。然而当环境中的CO ₂ 浓度过高时，会产生安全隐患，干冰法的实际应用有待考究。此外加强系统的运行管理也是提高可靠性的常用手段之一。吴斌对数据中心空调系统故障检测与诊断开展了相关研究，提出了基于规则随机森林的检测方法，有效提高故障诊断效率，保证系统稳定运行。

目前被广泛接受和应用的方法是利用蓄冷技术作为停电后数据中心的备用冷源。然而安置蓄冷水箱需要占用巨大空间，同时由于其储存的冷量有限，不能满足长时间的供冷需求，当机房进行扩建时，需要设置更多的水箱以备停电之需。液氮等低温液体的降温效果好，相比于常规制冷系统的换热工质水，单位体积储存有更多的冷量，若作为数据中心的备用冷源，将能够减少设备冗余，实现应急降温。故本文提出一种采用液氮作为换热工质的新型降温系统，通过数值模拟研究其在典型数据机房中的降温效果，为日后的实际应用提供依据。

需要指出的是，该系统尚处于研发阶段，实际应用时应注意以下问题： 1） 低温液体储罐长时间储存液氮会存在一定的泄漏现象，可通过定期检查、定期补氮等措施保证系统的可靠性。2） 系统运行后会使室内温度迅速降低，尤其是换热器附近空气可能会出现结露现象。可在换热器下方设置水槽，收集并排放这些冷凝水，并在机房其他区域设置温度传感器以控制流量调节阀的开度，避免室内温度降低到露点温度以下。3） 机房内设置氧气浓度报警仪，一旦发生液氮泄漏，及时报警。4） 操作人员应注意避免直接接触换热器管壁以免冻伤，必要时可采取（防冻伤）措施。

1.1 模型建立

新型应急降温系统将液氮通入位于机房的换热器内，并在换热器内发生相变换热，产生的冷量通过换热器释放到数据机房内。采用SolidWorks软件建立数据机房的几何模型，房间内含电气机柜（发热源）、翅片管换热器、水槽等，见图1。电气机柜布置于房间中央，尺寸为2.40 m×0.65 m×1.00 m（长×宽×高），内含8块发热源，总发热量为3.46 kW，其中大发热源4块，尺寸为0.32 m×0.50 m×0.25 m（长×宽×高），小发热源4块，尺寸为0.32 m×0.30 m×0.10 m（长×宽×高）。室内冷空气从机柜下部进风口进入，内部热空气从机柜上部排风口排出，忽略机柜背部的开孔情况。房间内布置2组翅片管换热器（互为备用），每组4根，单根长3 m，为便于模拟，将基管上的若干翅片简化成一个整体的多孔介质区域，考虑霜层厚度的影响，此处设置霜层厚度为2.5 mm。管内流动介质为液氮，流动状态处于两相区，主流温度为103.15 K，入口压力为1.0 MPa，入口流量为50 L/h，对流换热系数为1 200 W/(m ² ·K)。换热器下方布置1组排水槽，尺寸为3.00 m×0.16 m×0.05 m（长×宽×高）。

2.1 换热器布置形式对房间降温效果的影响

翅片管换热器在房间内布置位置的差异会影响房间气流组织及温度场分布，从而影响房间的降温效果。保持其他参数不变，分别模拟翅片管换热器采用吊顶布置、两侧布置、单侧布置时室内温度场的变化情况。不同布置方式下，换热器均沿房间轴线对称布置，彼此间距为1 m。

翅片管换热器在房间布置位置的差异会对室内温度场产生较大的影响，冷空气聚集在换热器附近，热空气聚集在机柜上部及屋顶处，如图6所示。在不同布置形式下，室内温度为-5.4~12.4 ℃，机柜内部温度为24.5~32.4 ℃，换热器附近温度为-15.2~1.5 ℃。吊顶布置时房间的温度分布更加均匀；就房间降温效果而言，两侧布置最优；单侧布置时房间温度场比较均匀，降温效果稍次于两侧布置。然而实际机房设备复杂，可利用空间有限，这就要求换热器的布置尽可能灵活多变。相比之下，采用两侧布置的方式更加合理。