数据中心喷雾冷却系统研究进展和要素分析

王 瑜, 吴露露, 康 娜, 蒋彦龙

(1.南京工业大学城市建设学院, 南京 210009; 2.南京航空航天大学航空学院, 南京 210016)

近年来,随着信息化技术的快速发展,人们对数据机房服务器运算量的需求也急速增加,由于数据机房全天不停歇运作的特点,如果不采取有效措施解决数据机房高散热的问题,一方面会影响工作效率,更可能会影响到电子器件的安全运行[1],如何解决数据机房高散热问题成为重中之重。随着各行业对于冷却技术的不断研究,运用喷雾冷却技术对数据机房进行散热,愈发受到社会关注。喷雾冷却作为一种新颖的散热方式,相比传统冷却技术,凭借其具有换热系数高、换热能力强、均匀换热、结构紧凑、工质流量小以及广泛的适用性等突出优点受到许多专家学者的青睐[2]。尤其是在电子领域,随着集成电路向大功率方面发展,作为一种高热流密度散热方式,喷雾冷却在电子器件散热方面将会有非常好的应用前景[3]。因此，在前人研究的数据成果基础上,进行研究总结喷雾冷却系统的影响因素,以及系统最佳运行状态所需条件,为推动喷雾冷却技术在数据机房散热方面的运用提供理论支持,并进行资料分析和实验研究,通过搭建试验台,重点在系统冷源选择、管路最优化设计和系统联动反馈调节装置设计三方面进行数据中心喷雾冷却系统构建关键要素研究。

1 喷雾冷却技术及其应用

1.1 背景与意义

随着互联网和通信技术的快速发展,数据机房的建设与需求越来越多。与此同时,数据中心的数据量和处理能力持续增长,日益增长的大量使用高密流电子设备[4],以及电子计算机产品的集成化程度、运行速度的提高,单位面积散热量的提升,使得数据机房散热能耗的问题面临巨大压力。数据中心机房具有高热量密度、高耗能的特点,为保持机房内恒定温湿度,机房空调系统需要全年全天不间断运行。数据机房是电力消耗大户,空调系统的能耗占整个数据机房整体能耗的40%左右[5],从而使数据中心的散热成为一个日益突出的技术难点和重点。如何在保证数据机房内环境要求的同时,有效提高电能利用率、清除机房过热问题以及提高数据机房散热效率,是当前需要考虑的重要问题。

目前,现代数据中心机房常用的冷却技术有风冷自然冷却技术、水冷自然冷却技术,热管散热技术等,都能够较好的运用在数据机房散热领域,满足数据机房整体散热冷却需求。但是随着电子元器件的小型化、微型化和集成化技术的迅速发展,电子元器件功率密度也越来越高,发热功率越来越大,相应的散热功率甚至需要达到60 W/cm2以上[6]。如果单位电子元件的热量聚集未能及时散出,将严重影响电子元件的运行和寿命,传统的散热方式已经难以满足高热流密度电子元器件的散热需求。因此,有限空间内实现高效散热已经成为制约高性能、高集成电子器件发展的严峻挑战。而喷雾冷却系统凭借其超强的散热能力、快速的控温响应以及较小的接触热阻受到越来越多学者的青睐[7-11],将各种冷却方式进行对比结果如表1所示。

将喷雾冷却技术应用于数据机房,在研究如何提升优化喷雾冷却性能,使得换热满足要求之外,还需考虑实际应用过程中喷雾冷却系统的冷源选择问题、系统循环管路的设计优化以及系统的联动控制反馈设计。喷雾冷却系统与数据机房的匹配是喷雾冷却技术能够应用于数据机房的关键。

1.2 数据中心散热技术研究现状

随着全世界数据机房规模的扩大,各国都致力于研究如何将数据机房产生的大量热量有效排出,为了保证数据机房的正常运行,张文健等[12]设计了一种新型服务器散热系统,该散热系统是由热管和水循环系统组成,通过热管将服务器产生的热量导出数据中心,而后由水循环系统中的循环冷却水带走热量。并且将新型热管系统与风冷散热性能进行对比,发现该新型服务器系统可有效地解决服务器散热问题；但由于该系统还处于试验阶段,无法大规模应用于数据中心中。何其振等[13]就数据中心的高散热问题提出了一种双通道冷却架构,一是“接触式通道”,通过板式换热器带走服务器产生的大量热量；二是“非接触式通道”,通过行间空调排走服务器中剩余发热量。将两种通道配合使用可有效地解决服务器散热不彻底、散热不均的问题,并且系统整体效能明显提高。贾晨昱等[14]研究了三种不同的间接蒸发冷却技术应用于数据中心,并就间接蒸发冷却应用于数据中心的模式进行了探讨,相较于纯机械制冷,加入间接蒸发制冷的模式可充分利用自然冷源,降低数据中心空调系统的能耗,是一种较好的散热方法。张志[15]探讨了将热管技术运用于数据中心散热,可在一定程度上解决传统散热方式散热效率低下的问题,且根据机柜、机房、服务器散热特点的不同,分别简述了热管应用其中的情况,并提出了应用于服务器级别的热管；若采用水冷热管散热器,较之以往的风冷热管散热效率更高,与张文健等[12]提出的热管与水循环管路结合的方式相同。肖新文等[16]阐述了风冷冷水机组运用于数据中心时,由于风冷冷水机组受室外环境温度的影响较大,所以考虑在风冷冷水的基础上加自然冷却作为冷却,可较好地解决由于室外温度不恒定带来的一系列问题,且合理地运用可提高机组的运行效率。综上所述,总结目前数据中心的散热技术及其存在的问题如表2所示。

1.3 喷雾冷却研究现状

1.3.1 喷雾冷却机理及其应用

喷雾冷却的实质就是通过喷嘴将工质雾化成细小的液滴在加热表面形成液膜并通过对流和汽化潜热带走热量的过程[17]。喷雾冷却的换热机理如图1所示[18],换热机理可分为单相区阶段和两相区阶段。在单相区阶段,此时加热表面的温度较低,换热主要通过热表面形成的液膜与加热表面进行换热,换热效率较低,随着热表面温度的升高,喷雾冷却进入两相区阶段,这时换热方式主要以沸腾换热为主,换热效率增大,随着加热表面温度的继续增加,系统将达到临界热流密度,但当加热表面的热流密度值超过临界热流密度会引起电子器件的烧毁,所以喷雾冷却的热流密度控制在临界热流密度以下[19-20]。

图1 喷雾冷却换热机理图

喷雾冷却是用具有一定压力的空气将水雾化成雾流进行散热降温的冷却方式,喷雾冷却技术最早是运用在金属切削领域,传统的切削液浇注液体渗透率较低,能够被汽化的液体很少,润滑效果有限。人们将液态流体通过喷雾装置雾化成高速微小液滴,喷射到加工区进行刀具和工件的冷却。液化后的喷雾喷射到切削区,有较高的速度,动能较大,因此穿透性强。同时液滴尺寸小,可以全方位渗透,散热效果更好[21]。刘剑等[22]研究了将喷雾冷却应用于切割加工中用来降低切削温度,以达到较高的生产效率以及增加刀具的使用寿命,由于喷雾冷却具有较大的冷却范围,可有效地吸收切削过程中产生的大量热量,并且相较于其他的冷却方法,当使用喷雾冷却时可提高刀具的使用寿命0.5～1倍。鲁森等[23]通过喷雾冷却换热实验研究将喷嘴冷却应用于旋转圆筒机的换热特性,通过调节物料温度、圆筒转速及喷雾流量等参数变化对换热效果的影响。该论文总结了各项因素对物料热流密度的影响,为后期采用喷雾冷却实际应用于圆筒冷却机中提供了重要参考。张李军等[24]设计了一种微型雾化喷嘴集成一体机,并在此基础上通过实验及仿真模拟探究了不同影响因素下的喷雾冷却冷板的换热性能,实验结果表示该冷板可达到超过100 W/cm2高密度散热需求。该自行设计的喷雾冷却冷板及性能测试实验为后期喷雾冷却在雷达电子设备的应用提供了一个新的方向,值得学者进行更多的研究。范志强等[25]研究了将喷雾冷却技术应用于直接空冷系统中,强化直接空冷机组中散热器的传热,解决机组夏季真空度低的问题,提高了机组出力。并且探究了不同喷嘴、不同喷嘴流量、不同喷嘴压力等对系统性能的影响,强调了喷雾冷却系统应用于直接空冷系统中的可行性,为直接空冷机组在夏季运行时遇到的真空度低的问题提供了一个新的解决方案。

1.3.2 喷雾冷却影响因素研究

喷雾冷却换热效果受很多因素的影响,在将其应用于数据中心散热前需研究喷雾冷却的换热过程中,需了解各种影响因素对喷雾冷却换热效果的影响。刘妮等[26]研究了喷雾高度、喷雾压力的变化对热流密度的影响,实验结果发现不同的表面对喷雾换热效果也有影响,方肋表面较光滑表面换热效果更好,且降低喷雾高度会引起热流密度的升高,而热流密度会随着喷雾压力的增大而增大。该论文通过实验探索了多种提高喷雾冷却换热特性的方法,为喷雾冷却系统性能的增强和喷雾冷却系统搭建提供了大量参考数据。张雨薇等[27-28]探索了喷雾冷却换热机理,认为喷雾冷却过程可主要分为液膜蒸发、强迫对流、表面核态沸腾和二次成核四个过程,通过分析各个机理来寻找强化喷雾冷却的换热方式,如改变喷雾特性、使用纳米材料等方式；同时还具体研究各个影响因素对换热效果的影响,实验结果表明喷雾高度存在最优值,即当喷雾所形成冲刷区域与热源表面相切时可获得最佳换热效果,也可用过采用微结构表面来提高临界热流密度。张雨薇等[27-28]系统分析了喷雾冷却的换热机理,为推动喷雾冷却换热能力的提升研究提供了参考,但是受到当前科技水平、研究方式手段的限制,对换热机理的认识不够深入,研究结论对部分换热现象无法给出合理解释。Salman等[29]研究了三种不同表面对喷雾冷却传热性能的影响,采用去离子水为冷却介质,结果表明八个径向凹槽表面的强化率可达80%,且喷嘴压差的变化对换热性能也有一定的影响,可采用结合表面的形式来提高喷雾冷却的换热性能。Hsieh等[30]研究了不同喷嘴直径、不同微结构表面以及不同喷嘴高度对喷雾冷却换热性能影响,结果表明使用金刚石薄膜材料可提高喷雾的冷却性能。Chang等[31]研究了氧化铝浓度分别为0、0.001 vol%和0.05 vol%时随喷雾操作时间变化时的喷雾冷却换热效果变化,结果发现,当氧化铝浓度为0 vol%时,此时喷雾操作时间对换热效果的影响较小；而浓度为0.001 vol%和0.05 vol%的氧化铝传热系数随着喷雾操作时间的增加而减小。Chang等[31]和Salman等[29]通过对不同冷却介质的研究,探索不同冷却介质对喷雾换热性能的影响,在如何选取冷却介质方面为增强喷雾冷却系统性能提供了有价值的参考。

1.3.3 喷雾冷却应用于数据机房研究

近些年以来,喷雾冷却凭借其较强的换热能力、需要较少的传热介质、较小的接触热阻等优点受到众多学者的关注,许多专家对喷雾冷却进行了深入反复的研究,希望将喷雾冷却方式应用与数据机房等高热流密度区域的散热[32]。如果将其应用于数据机房中可很好的解决数据机房高散热问题,并且也避免了传统机房空调制冷方式带来的散热效率不高、冷能分布不均等问题。钟泽民等[3]研究了将喷雾冷却技术应用于电子冷却区域时的换热影响因素,即喷雾特性、换热工质、喷射倾角和高度、强化表面及纳米添加剂等的变化对喷雾系统换热效果的影响,并比较了几种不同的电子冷却技术的优缺点,认为将喷雾技术应用于电子器件冷却中具有相当好的应用前景；从多方面对喷雾冷却的换热机理进行综述,为后续在喷雾冷却换热机理的研究论述提供了理论支撑。朱冬生等[33]讨论了影响喷雾冷却的外部特性,并提出将纳米流体与喷雾冷却技术结合来解决电子设备的高散热问题,在喷雾工质中加入纳米颗粒,用来提高喷雾系统的换热能力,同时针对二者结合可能存在的问题进行了阐述。朱冬生将喷雾冷却技术和纳米流体技术有机的结合,强化了传热性能,提高了临界热流密度,同时也推动了喷雾冷却系统小型化的进一步发展。刘芳等[11]总结了可用于电子芯片冷却的7种散热技术,比较了各种冷却技术的优缺点以及目前存在的一些问题等,其中提出将喷雾冷却技术用于散热时的热流密度可高达1 000 W/cm2,是目前可用于电子芯片冷却最有前景的散热技术之一,但同时喷雾冷却也存在换热机理较为复杂且喷嘴容易堵塞等问题,因此在后续的研究中更应当关注喷雾冷却实际应用中可能存在的问题并加以解决来提高喷雾冷却应用的可靠性。

2 系统构建及关键因素

国内外研究者们在实验室领域研究了喷雾系统强化换热特性研究,然而将喷雾冷却系统应用到机房中,不能仅仅考虑换热问题,冷源、流体传输装置的匹配、系统的控制与反馈以及介质的回收都是需要解决的问题。然而目前这方面的研究仍然存在空白。此种现状对于喷雾冷却系统整体优化研究是不利的。因此,在吸收前人对喷雾冷却性能分析的基础上,主要是对喷雾冷却的整体进行优化,设计的喷雾冷却系统能更有效地应用于数据机房散热。

2.1 整体系统构建

本文中自主设计的基于数据中心环境搭建的喷雾冷却模拟系统,主要包括喷雾冷却系统、液体循环管路、服务器微缩模型和测试系统组成,试验台设计流程如图2所示。液体工质从管路流出到主循环支路,首先经过一个水泵,然后经过水泵驱动后进入流量调节阀,由流量调节阀调节流量后进入三通阀,随后进入各支路喷雾模块,并通过喷嘴雾化后喷洒到加热表面,与加热表面进行换热,换热完成后的液体被管道回收,在冷却塔降温后回到储液罐,完成封闭循环。由图2所示的喷雾冷却实验装置可知,整个系统实质上是一个空调制冷循环,除了喷雾模块之外,其余部件均是为了实现循环而构建。针对应用于数据中心的喷雾冷却循环,现着重对循环中必须考虑的三个重点因素:冷源选择、管路最优化设计和系统联动反馈调节装置设计进行调研分析。

图2 基于数据中心环境的喷雾冷却模拟系统流程图

2.2 冷源选择

对于将喷雾冷却系统应用于数据机房应用环境中来说,首先需要考虑的问题就是选择一个最合适的冷源,冷源的正确选择不仅意味着可以降低整个系统的能效比,还可能降低整个系统成本。合理的选择喷雾系统冷源是数据中心环境喷雾冷却系统设计的一项重要内容。所以,在考虑冷源选择时,一方面,要能够与数据中心机房环境相适应,不能过多增加设备增加整体能耗,降低整个系统的运行效率；另一方面,冷源质量要高,绿色环保高质量的冷源,可以提高喷雾系统整体性能,降低数据机房的污染排放。在此基础上,本文分别选择了地源热泵、LNG(liquefied natural gas)和空调冷却水作为系统的冷源,下面就对这三种冷源进行探讨分析。

2.2.1 地源热泵

地源热泵是一种节能、高效、环保的先进技术。在2005年之后中国地源热泵技术发展迅速,并且开发了符合中国地理特点的地源热泵系统[34]。近年来,越来越多的学者将地源热泵技术应用于工程实践,以达到降低能耗、实现节能减排的目的[35]。

地源热泵主要是依靠浅层地热能(如土壤、地下水等),通过使用少量的高品位能源实现由低温热源向高温热源转移并实现为建筑物供暖制冷的一项技术[36-37]。由于地下蕴含着巨大的能量,在较深的地层中,地下温度能够基本保持稳定。地源热泵就是利用大地作为冷热源,通过中间介质在埋管中流动,循环介质与土壤换热,进而把冷热量获取,实现对建筑物的制冷或取暖。地源热泵工作原理如图3[38]所示。

1为室外埋管换热器;2为冷凝器;3为节流机构;4为蒸发器;5为压缩机;6为房间换热器;7为循环水泵;8为换向阀

把地源热泵系统作为冷源参与喷雾冷却的过程简单的说,就是在需散热供冷的数据机房周围或数据机房下方进行埋管,通过埋管内的循环水与土壤中的热量进行交换,换热后的循环水作为冷量的载体,参与喷雾冷却系统运行[34]。喷雾冷却系统的冷却工质获得循环水中的冷量后经过喷嘴雾化,喷射在电子元件表面进行元器件散热。散热后的工质回收至换热装置继续与地源热泵系统的循环水进行冷量交换,形成一个冷量交换的循环系统。同时,地源热泵的循环水与喷雾冷却系统的换热装置中的冷却介质进行冷量交换后,失去冷量的循环水继续参与地源热泵系统运行,与土壤进行冷量交换。

李玲[35]总结了将地源热泵系统应用于暖通空调中的三种主要应用方式,首先将地埋管道与热泵机组结合即可满足为室内制冷供暖的需求,通过对实际地理位置进行勘测,并合理设置地埋管管道长度及钻孔孔径等来确保设备的合理管控。其次将地埋管道与热回收机组联合应用于排热量较大的工程中,常见于中国北方地区,由于北方地区冬夏两季温差较大,利用这一特性通过吸收式热泵机组在夏季时将热量储存起来,再到冬季时将热量释放出来为室内供暖,节能且环保。最后提出将地埋管道与热泵机组和冷却塔联合起来,通过三者联合来实现有效的热量转化。不管是哪种应用方式,都证明了使用地源热泵系统应用于空调系统中都能很好的满足行业要求,在此基础上,若可以将地源热泵系统应用于数据机房中作为喷雾冷却系统的冷源是非常好的选择,且合理地利用可以降低系统能耗,提高系统整体性能,是一种绿色清洁、环保高效的冷源选择。

作为新时代下的冷源家族中的佼佼者,地源热泵相较于其他冷源具有明显的优势。首先,地源热泵是一种可再生能源技术,环境效益高,且节约了建筑资源[39]。其次,冷能获得成本较低,能够极大地降低数据机房散热能耗,经济节能。由于地下土壤温度较为稳定,这在一定程度上也提高了地源热泵的运行效率[40]。并且,地源热泵的机械部件非常少,大部分部件安装在地表以下,设备使用寿命长,维护成本低。同时,地源热泵应用广泛,可以一机多用,一方面,地源热泵可以为喷雾冷却提供冷源,另一方面,地源热泵也可以参与数据机房的空调制冷。不过缺点也是相当明显的,地源热泵受到场地限制,需要足够的场地才能实现能源交换,相较于传统的冷热源系统,地源热泵的前期投资约高40%,也一定程度上限制了地源热泵作为冷源的发展前景[41-42]。

从总体上看,选择将地源热泵作为喷雾冷却系统的冷源具有非常好的应用前景,随着地源热泵技术的不断发展,成本的逐渐降低,以及国家对新技术新能源的支持,地源热泵的短板会逐渐补齐。作为冷源参与喷雾冷却系统运行,对于数据机房热量的及时排出十分合适。

2.2.2 LNG相变

LNG(liquefied natural gas)是指在标况下将气态天然气压缩、冷却到-162 ℃后的液态混合物,液化后的体积只有气态天然气体积的1/600[43]。目前LNG可应用于空气分离、制冰、发电等中, 已经成为发展较为迅猛的能源之一[44]。

中国每年从海外大量进口LNG,这种温度为-162.0 ℃的液体在下游用户使用前需要进行气化并且加热到至0 ℃以上,因此LNG在气化的过程中,会吸收大量热能,LNG含有大量优质冷量[45]。目前,大部分LNG都通过海水进行气化,造成了冷能的浪费,甚至引发低温污染，因此利用LNG所包含的冷量,一方面可以降低用户使用LNG的成本和设备投资的成本[46]。

LNG气化产生的高质量冷能经处理后可以用于喷雾冷却系统的冷源使用,处理过程如图4[43]所示。LNG初步气化将产生大量冷能,喷雾冷却循环介质在-162 ℃情况下容易凝固，所以要进行多步骤气化换热工作。首先,-162 ℃的LNG与中间介质乙二醇在气化装置中进行初步气化,乙二醇与LNG进行换热；然后,乙二醇经过喷雾冷却的换热装置,与储液罐中的喷雾介质进行换热；温度升高的乙二醇经过管路循环与LNG继续换热获取冷量,获得冷量的喷雾冷却系统工质,经过系统管路,在喷嘴作用下雾化,喷射在受体表面进行散热；散热后的喷雾工质收集回到储液罐,完成喷雾冷却运行过程。

图4 LNG供气流程图[43]

LNG单位含有的冷量巨大、冷能质量高且能够运用于空气分离、冷能发电、低温粉碎等多种场景,作为喷雾冷却冷源具有一定的优势[47]。大量专家学者通过实验设计了许多LNG冷能利用装置。例如，王峰等[48]提出将LNG作为冷源应用于跨临界有机工质联合循环发电系统时,为了更好地将LNG应用于联合发电系统中,首先要从有机工质的热物性、技术可行性及安全性进行研究分析选择最优工质,并在此基础上对其他参数进行优化,得出联合发电系统的最佳参数。若想将LNG应用于数据中心喷雾系统中,也可综合考虑选取喷雾冷却循环工质,选择不同的循环工质应用于系统,同时对系统的其他影响因素进行优化分析,实现LNG在数据中心喷雾冷却系统中的高效利用。林苑[45]提出的基于LNG冷能用于空调制冷技术开发应用,通过两次冷媒的冷能传递,提高整体系统的效率和灵活性。采用R134a和R404a作为一级冷媒,具有清洁环保、安全等级高的特点；30%的乙二醇作为二级冷媒,具有较广的温度调节范围；使得LNG冷能回收利用系统更加的安全高效节能。整个系统具有良好的经济性、灵活性。同时,LNG冷能的冷量回收利用,具有很强的经济价值和社会意义。LNG冷能在空调制冷领域成功应用证明了如果可以合理利用LNG作为喷雾冷却系统的冷源将是一个具有良好发展前景的解决方案,同时,LNG相变冷能具有清洁环保、安全高效的特点,是喷雾冷却较好的冷源选择。

但是也应该注意到,LNG气化过程中,大量冷能转换成压力,且由于目前大多数气化站都建设在码头周围,因此将LNG应用于下游用户时会带来运送距离较长的问题,降低了经济效益[49]。杨晖等[50]设计了使用LNG作为冷源应用于区域供冷时的系统流程,根据供冷对象的不同通过分析各个工况下的该系统的经济性和效益性,研究结果发现相较于传统的制冷系统使用LNG作为冷源的区域供冷系统更加的节约能源,环境效益更高,且距离是影响LNG作为冷源效益性的重要影响因素,配送距离越长,能耗越高,所以我们应当选择合适的管网输送距离才能有效地降低系统能耗。同时,LNG接收站的气化需求与冷端的利用需求存在时间和空间上的不同步[51]。喷雾冷却系统的运行与LNG气化产生冷能之间存在一定的时空差。 并且,LNG参与喷雾冷却系统运行,产业链较长,受到环境和运输等方面影响时波动较大,且LNG在生产运输过程中尤其要注意防止LNG的泄露,而这方面研究也是属于目前LNG应用的重难点[52]。因此,如若将LNG的冷能合理妥善运用在数据机房散热方面,主要问题是在新建数据机房时,要优先因地制宜考虑在 LNG 接收站周围,才能合理低成本的使用LNG冷能作为冷源。

2.2.3 空调冷却水

空调冷却水是空调系统的一部分,它通过冷却塔把热量带走,实现降温冷却的目的。在传统意义上,空调运行会产生大量热,如果不能及时将热量清除,就会严重威胁设备的运行安全。冷水降温的解决方式虽然可用,但是浪费大量冷却水,水资源的大量浪费是不可持续的。针对这种情况,空调设计者研究出空调冷却水循环系统。冷却水循环系统主要部件有冷却塔和冷却循环水泵,冷却系统的各部件之间具有紧密的联系性,并且相互影响[53]。

许多大型建筑中都安装了中央空调系统,因此,解决空调系统散热问题则是目前研究的重点[54]。冷却水系统的合理设计不仅可以节约成本,还可以降低系统的整体能耗[55]。如若将空调冷却水作为冷源参与喷雾冷却系统的运行,一方面节约了喷雾冷却系统冷源获取成本,另一方面使得空调冷却水获得高效利用。许多学者研究探索了空调冷却水系统并提出了很多有价值的优化方案。贾新颖[54]对使用冷却水系统为空调冷却进行了细致分析,从冷却水所需的用量到如何选择合适的冷却塔等都进行详细叙述,并提出了冷却水在使用过程中水质发生变化问题的解决方案,为后续使用空调冷却水作为喷雾系统冷源提供了一定的理论支持；郑鸿磊[53]基于深圳某大型商场的中央空调冷却水系统的运行数据,分析冷却水系统的运行特点和原理,通过分析可以发现影响冷水机组能效的主要因素是冷冻水供回水温度,提高供水温度,降低回水温度可以达到提高系统能效的效果。众多专家学者对空调冷却水应用的研究都表明,空调冷却水含有大量可利用的高质量冷能,同时在空调冷却水系统的研究中也证明空调冷却水的冷能也可以利用在其他制冷系统中,由于中央空调含有充足冷却水冷能,将冷却水的冷量作为喷雾冷却的冷能是一种高效利用空调冷却水的重要方式。

以数据中心机房内的制冷空调为载体,外接管路利用低温冷却水参与喷雾冷气系统运行,低温冷却水一部分满足空调自身使用需求,另一部分通过支路连接喷雾冷却的换热器。低温冷却水在换热器中与喷雾冷却的工质进行冷量交换,换热后的冷却水通过循环管路进入空调系统。获得冷能的喷雾冷却工质,通过喷嘴雾化后,喷射在电子元器件表面进行散热,散热后的喷雾工质收集回到储液罐,完成喷雾冷却运行过程。

空调冷却水作为冷源优势非常明显,数据中心的中央空调含有大量的空调冷却水资源,冷源获取方式比较简单。孙项菲等[56]介绍了天津市某数据中心的空调系统设计,该数据中心采用A路风冷冷冻水系统和B路风冷冷冻水系统联合为数据中心系统提供冷源,可根据室外气象来进行不同比例运行,提高数据机房运行能效。且空调冷却水温度恒定,水流平稳充足,能够保证喷雾冷气系统的平稳运行。同时,把空调冷却水引入喷雾冷却系统的操作比较简单,投入成本较低,也能很好的利用冷却水资源,符合建设节能环保数据机房的理念。

2.2.4 冷源对比总结

在喷雾冷却冷源选择方面,经过对地源热泵、LNG以及空调冷却水三种进行对比研究,并通过对三者的工作原理和运行特性的分析,参考相关文献,探讨不同冷源选择的优势和不足，得出结果如表3所示。通过对比可以发现,空调冷却水比其他两者的使用限制更小、运行更稳定、应用范围更广阔。同时,空调冷却水的应用,使得喷雾冷却系统与空调制冷系统能够相互协作,相互补充,更好地为数据机房提供稳定冷能,保证数据机房的平稳运行。在能耗方面,地源热泵主要依靠地下水和土壤资源,故能耗较低；而LNG用作冷源时受配送距离的影响,配送距离越长,能耗越高。同样,只有合理的设计空调冷却水系统才能有效降低整体系统能耗。

2.3 管路设计

由于数据机房服务器数量多,即喷雾冷却系统中应含有多个喷雾模块,喷雾模块直接置于服务器上方,所以系统管路应包含主循环管路和各分支路。主循环管路为冷源入口和总流量调节阀相连,并在主循环管路上设置调压阀和水泵,各分支路为各个服务器支路,当喷雾冷却系统中的工质与服务器热表面换热完成之后,换热之后的工质从各个支路汇合回总循环管路,经水泵和流量调节阀送入冷却塔进行冷却再回到冷源入口。当确定好最合适的冷源之后,其次需要考虑的是管路系统的优化,包括喷雾介质的选择、阀门的最优位置以及合适的水泵压力等,由此可以降低系统管路在喷雾冷却系统设计中的流阻。

在进行系统管路设计的时候需对喷雾冷却系统的循环水量进行计算以达到设计流量,从而确保系统可以正常运行。同时,由于数据中心分支路较多,需平衡好各支管间的压力问题[57]。合理的系统管路设计决定了喷雾冷却系统能否高效稳定地运行,所以管路系统设计研究具有非常重要的意义[58]。合理的管路设计,能够确保冷却工质在各回路上分布更加均匀,安装运行过程成本更低,整体系统更加节能；如果管路设计不当,不仅会造成冷却工质的冷能浪费,更影响喷雾冷却的整体工作效果。因此,在提升喷雾冷却性能方面,优化管路设计就显得相当重要。

钱春潮[21]在喷雾冷却换热特性研究中指出使用R134a作为冷却工质可提高换热系统的换热性能,从钱春潮[21]、李佳等[59]、谢宁宁等[60]、刘期聂[61]的实验研究中(实验台如图5～图7所示)发现,喷雾流量存在最佳值,喷雾流量的增加带来了液滴速度的增大,但并不是越大越好,过大的喷雾流量会引起液滴的飞溅,从而带来换热性能的降低,因此喷雾流量存在最佳值,此时液滴速度也较大,研究结果对比如表4所示。

图6 文献[60]的喷雾实验系统实物图

图7 文献[61]的喷雾实验系统实物图

表4 各喷雾冷却实验结果对比

从上述研究得知,喷雾冷却系统具有如下特点:管道内的冷却工质需要具有高流速,工质参与散热后要回收循环使用,从换热效果对比分析可以看出,相较于R134a,水作为工质时的换热效果更好,且从谢宁宁等[60]和刘期聂[61]的实验结果中可以看出,喷雾流量的增大也在一定程度上提高了表面换热热流密度。管路内的流动阻力对喷雾系统的影响较为显著,归因于数据机房的冷却特点,管路设计需要满足有限资源投入,做到喷雾冷却喷嘴点对点,喷雾系统一对多。基于以上的喷雾冷却特点,在管路设计时,通过合理的管路布局,各个末端设备出口流量,出口速度都应当达到设计要求,使喷雾冷却能够满足各电子元器件的散热需要,并达到节能效果。同时,管路设计要简洁,阀门设计要合理,在保证每个末端喷嘴流量的前提下,尽可能缩短整体管路的长度,提高运行效率,降低安装难度,使维护成本更低[62]。

李志鑫[63]以天然气化工厂为研究对象,研究探索循环冷却水的高效利用的设计对策,结果表明管路的布置、管材选择以及管道内介质流速对工业循环冷却水性能有较大影响。同理,在喷雾冷却系统中,管道设计与优化也影响着循环冷却介质的安全与节能。梁荣业[64]在对汽车空调系统设计研究中指出降低流动阻力有利于优化空调系统,提高空调制冷效果,与数据机房中喷雾冷却系统的管路设计具有相通之处。梁荣业[64]对管路的连接方式,影响空调管理流动阻力因素进行分析,提出降低管路局部阻力的设计观点,研究了弯道半径对局部阻力系数的影响。这些研究结论对本文探究优化喷雾冷却系统管路设计提供了新的研究方向和理论支撑。

对喷雾冷却管路设计的重点在于通过设计阀门支路等方式降低冷却工质流动阻力、达到提高系统整体性能的目的。影响冷却工质流动的阻力主要包括沿程阻力和局部阻力。由沿程阻力的计算公式得知,沿程阻力与雷诺数、摩擦系数等有关,且与沿程阻力系数、管内流速的二次方成正比,与管路直径成反比；局部阻力是指流体在管道中由于变向、变径等局部障碍带来的能量损失[64]。敬文博等[65]从阻力损失方面提出优化系统管路的方法,通过分析各项阻力损失公式,总结出可通过减少管路长度、减小弯管弯角角度等可有效降低能量损失。

降低沿程管路阻力对于优化管路设计也具有重要影响。选择管路时,要考虑管路最优内径,保证喷嘴流量的同时,尽量增加内径保证管路冷却工质的流动速度,降低流动阻力。选择管路最佳材质,以阻力系数较小的材质为适宜管路。并且,我们还需考虑水泵的压力变化对喷雾冷却系统换热效果的影响,通过在系统管路中设置调压阀控制水泵压力,并收集不同压力时对应的喷雾系统的对流换热系数。与此同时,冷却工质的不同选择也影响着管路系统以及喷雾冷却的性能,常用的介质有水和纳米流体,分别采用水和纳米流体作为喷雾工质,控制喷雾高度、入口温度、喷雾流量及其他因素不变,观察不同工质下的对流换热系数,得出应用于数据机房环境中的最佳工质。

综上所述,管路设计影响着喷雾冷却性能,降低流动阻力仍然是优化管路的关键,可以通过合理的管路连接和布置方式,选用合适的管道,最佳工质,改变水泵压力等多种方式,降低冷却介质的流动阻力,达到提升整体系统性能的目的。

2.4 控制反馈系统

数据中心机房因为机柜运行负荷的不同,热量产生存在差异；同样,机柜内的电子元器件处理数据量不同,散热需求也不是恒定的。因此,在喷雾冷却过程中,要根据各电子元器件的散热情况按需供冷。在喷雾冷却系统设计过程中,合理采用控制调节装置具有相当重要的作用。如果温度较高,可以通过调节喷嘴流量和喷嘴流速,增大散热能力,满足需求。如果温度不高,则可以降低流量和喷雾流速,达到节约冷能、提高系统整体工作效率的目的。相韬等[66]对自动化的技术发展与应用进行了分析,自动控制理论应用在工业、航空等多个领域,合理利用自动控制技术能够提高系统的稳定性和安全性,能够有效监督生产环节,降低人力物力投入,节约资源和生产成本,因此,在喷雾冷却系统中合理地引入自动控制技术,一方面可以增强喷雾冷却系统的稳定性和安全性,另一方面也有助于喷雾冷却系统性能的优化,提升系统制冷效率。为此，根据系统的联动控制反馈方式的不同,将系统调节分为自动反馈系统和被动式反馈装置。

自动反馈装置是一种应用自动控制技术的调节机制。自动反馈装置能够使喷雾冷却系统具有自动检测和自动调节,根据电子元器件的散热情况调节喷嘴流速和喷嘴流量。 自动反馈调节装置包括温度传感器、主控制器、逻辑控制开关等基本部件。主要设计流程为温度传感器检测电子元器件散发的热量,根据元器件热量情况反馈主控制器,主控制器接收信号后反馈给逻辑控制开关,逻辑控制开关调节喷嘴流量和喷嘴流速,能够满足元器件的散热需要,保证元器件温度在合理区间正常运行。与此同时,喷雾冷却自动调节机制还能够提供故障预警功能,当电子元器件温度过高,可以通过报警器进行报警。自动反馈装置可以减少喷雾冷却的故障率,同时降低系统故障带来的不利影响,使喷雾冷却具有较高的稳定性,从而提高喷雾冷却的整体性能[67]。

被动反馈调节系统是主动反馈系统的备用装置,但是优先级高于主动反馈调节。被动反馈调节装置运行情况如下:当主动反馈调节系统检测到电子元器件温度异常,同时报警装置发出警报,但是自动调节装置没有启动时运行；当主动反馈调节系统未检测到温度异常,但是电子元器件因温度过高运行效率降低,被动反馈机制启动运行。主要工作流程通过手动增大喷嘴流量和流速,降低电子元器件温度,保证电子元器件运行。同时,检修主动调节装置,使其回复正常运行。自动调节装置和被动调节装置互为补充,相互协作,共同组成喷雾冷却的反馈调节机制,保证喷雾冷却技术的正常、稳定、高效运行。

综上所述,为了严格保证数据机房的稳定运行,调节反馈机制是相当重要的。调节机制能够在保证喷雾冷却系统的平稳运行的同时,使电子元器件按需供冷。是一种节约能源、提高效率的机制,是喷雾冷却系统重要组成部分[67]。由于中国现阶段反馈调节机制在喷雾冷却系统的应用还不成熟,还存在很多短板和不足,因此,这就需要更加重视在实际过程中的应用,在应用中更加实际情况总结经验,同时积极学习相关技术,不断完善优化和升级喷雾冷却系统的反馈调节机制,这样才能使数据机房喷雾冷却技术更加安全、完善和智能。

3 结论

数据中心在人类生活中占据着越来越重要的地位,采用合理、节能的方法来解决数据机房散热问题是目前研究的要点[68]。虽然喷雾冷却技术具备高效的冷却效果,但若将其应用至数据中心冷却领域,还需解决如下难点问题。

(1)喷雾冷却应用于数据机房中不仅仅需要考虑换热问题,还需要考虑系统的性能情况,而目前关于整体系统搭建、系统匹配等方面的研究依然存在空白,所以后续研究中要重点研究喷雾冷却应用于系统的整体能耗情况,为后期实际应用提供更多参考。

(2)潜在的冷源,无论是LNG的冷能回收利用,地源热泵系统或者空调冷却水都需要经过较为复杂的转换才能为喷雾冷却提供冷能,并没有形成系统具体的冷源解决方案。

(3)管路优化涉及多门学科,对管道阻力研究,管道材质选择,阀门位置设计仍需要投入更多人力进行分析探索,尤其是数据机房系统复杂,实际应用过程中必然会涉及多处管路分合,在后续的研究中要重点研究如何进行合理的设计来降低系统管路流阻。

(4)自动化系统设计不仅需要硬件支持,软件程序代码的设计优化也是系统自动化控制方面的难点。

针对上述重点难点,探索了喷雾冷却应用于数据机房中的冷源选择问题、系统循环管路的优化设计以及系统的联动控制反馈装置等,主要探讨了关于应用喷雾冷却系统为数据机房降温时需要考虑的实际问题,得出主要结论如下。

(1)冷源的选择不仅要满足喷雾冷却的需求,更需考虑与喷雾冷却系统是否匹配,需要从系统运行角度考虑选择最优冷源。

(2)系统管路的设计应建立在降低系统流阻上,通过实验完成系统的整体优化并设计出最优介质回收或循环系统。

(3)系统的联动控制反馈调节装置需结合主动调节系统和被动调节系统,保证喷雾冷却系统在数据机房的正常运行。