基于相變蓄冷的風(fēng)冷模塊化數(shù)據(jù)中心應(yīng)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(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海 200240；2 廣東美的暖通設(shè)備有限公司 佛山 528000）

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

為降低UPS系統(tǒng)的容量，數(shù)據(jù)中心通常采用蓄冷的方式實現(xiàn)連續(xù)供冷。水蓄冷和冰蓄冷因具有易于獲取、價格低廉的優(yōu)勢在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心中得到廣泛應(yīng)用，但前者屬于顯熱傳熱過程，儲能密度小，一般占據(jù)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(shù)據(jù)中心是近年來新興的一種數(shù)據(jù)中心，它將IT機柜、空調(diào)、不間斷電源等產(chǎn)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(jù)業(yè)務(wù)需求靈活部署不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。對于常規(guī)的一體化風(fēng)冷模塊化數(shù)據(jù)中心，單個模塊內(nèi)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(yīng)性好等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于建筑、空調(diào)、冷鏈等領(lǐng)域，起到節(jié)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(yīng)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(shè)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(jié)合，研究了不同參數(shù)對傳熱過程的影響。

相變材料導(dǎo)熱系數(shù)一般較低，因此相關(guān)研究通常從相變材料性能和相變傳熱結(jié)構(gòu)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(lǐng)域，但將相變蓄冷應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心作為應(yīng)急冷源的研究較少。英特爾通過水蓄冷方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心的應(yīng)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(nèi)沒有足夠空間安裝冷水罐，風(fēng)冷模塊化數(shù)據(jù)中心模塊內(nèi)部仍缺乏有效的應(yīng)急供冷設(shè)計。

本文基于相變蓄冷提出一種應(yīng)急供冷技術(shù)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(shù)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(yōu)化，最終獲得蓄冷單元的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

1 相變蓄冷實驗

1.1 應(yīng)急供冷設(shè)計

本文提出的應(yīng)急供冷技術(shù)途徑如圖1所示，該技術(shù)途徑涉及的結(jié)構(gòu)主要包括機柜、吊頂空調(diào)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(diào)之間，數(shù)量與機柜數(shù)相匹配。正常運行工況下，由空調(diào)送風(fēng)對機柜進行冷卻，并同步驅(qū)動蓄冷單元完成蓄冷；緊急工況發(fā)生時，由蓄冷單元為機柜實施應(yīng)急供冷。

根據(jù)ASHRAE手冊[20]，不同級別數(shù)據(jù)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(yīng)分別選擇25 ℃和27 ℃附近。基于共晶互融理論，經(jīng)過篩選和適配，發(fā)現(xiàn)用質(zhì)量比為98∶2的癸酸和硬脂酸調(diào)配出的二元復(fù)合相變材料具有較為理想的性質(zhì)。復(fù)合相變材料性質(zhì)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(yīng)急供冷技術(shù)途徑（釋冷過程）Fig.1 Technical approach of emergency cooling （discharging process）

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

1.2 實驗系統(tǒng)

為研究上述應(yīng)急供冷設(shè)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(fēng)道內(nèi)，風(fēng)道外表面使用保溫棉進行隔熱處理。在風(fēng)道的頂部，安裝5個散熱風(fēng)扇，用來驅(qū)動風(fēng)道內(nèi)的空氣流動。進入風(fēng)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(fēng)速和壓差由相應(yīng)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(fēng)速為1.5 m/s，蓄冷過程中，進口溫度分別設(shè)置為18、20、22 ℃；釋冷過程中，進口溫度分別設(shè)置為31、33、35、37、39 ℃。

2 實驗結(jié)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(nèi)，溫度下降速度先增大后減小。這是因為PCM的導(dǎo)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(nèi)部的傳遞。同時，蓄冷板的平均溫度也逐漸下降，導(dǎo)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(dāng)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(shè)定蓄冷單元出口溫度達到27 ℃所經(jīng)歷的時間為有效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)值仿真模型

3.1 模型假設(shè)

為研究蓄冷單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對蓄冷單元性能的影響，本文建立了蓄冷單元的二維瞬態(tài)模型。由于板間流道內(nèi)的雷諾數(shù)均在900以下，因此選擇層流模型，并對該模型作如下假設(shè)：

1）空氣和相變材料的物性參數(shù)（除密度外）不隨溫度發(fā)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(shù)學(xué)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(shè)，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(fēng)格式。初始時刻，整個計算域的溫度保持在25 ℃，PCM處于固態(tài)。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(shè)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(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程分別如下[21]：

質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)，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(qū)域中相變對對流的影響，在空氣區(qū)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(fā)表、科研經(jīng)費的數(shù)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(zhuǎn)化狀況及收益納入評價體系，嚴重忽視了科研成果的質(zhì)量、轉(zhuǎn)化和推廣［5］。科研成果的轉(zhuǎn)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(dǎo)致了科研成果持有人對成果的轉(zhuǎn)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(jié)。

（6）

融化率β定義：

β=ΔH/L

（7）

（8）

式中：C為糊狀區(qū)域常數(shù)；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(jié)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(jié)果對比Fig.5 Comparison between simulation results and experimental results

4 仿真結(jié)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(qū)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致空氣在流道內(nèi)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(qū)域的相變材料平均溫度偏高，緊鄰肋片兩側(cè)的相變材料平均溫度偏低。這是因為，當(dāng)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(qū)和背流區(qū)各存在一片速度較低的區(qū)域，速度邊界層較厚，傳熱系數(shù)較低。而氣流經(jīng)過肋片的擾動和加速，沖擊板壁面，導(dǎo)致速度邊界層較薄，傳熱系數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(shè)備的綜合傳熱性能越好，即以小的代價（流動阻力增加）實現(xiàn)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(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；St為斯坦頓數(shù)；Dh為通道水力直徑，m；Δp為壓降，Pa。

圖7 不同參數(shù)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(dāng)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(dāng)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(dāng)肋片高度增加時，空氣最小流通面積變小，流道內(nèi)空氣平均速度增加，傳熱增強。但流通面積的減小也導(dǎo)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(diào)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(dāng)肋片長度增加時，流道內(nèi)空氣的平均速度變化較小，但弓形肋片的曲率變小會導(dǎo)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(shù)量隨間距的增大而減小，肋片對流道的影響也相應(yīng)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(dāng)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(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)蓄冷單元結(jié)構(gòu)參數(shù)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(fā)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(dāng)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(dǎo)致流道內(nèi)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(dāng)肋片高度大于1.5 mm時，蓄冷單元可至少滿足5 min的應(yīng)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(yīng)急供冷需求。由圖8（b）可知，當(dāng)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(nèi)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(yīng)急供冷需求。由圖8（c）可知，當(dāng)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(nèi)肋片數(shù)量減少，肋片對空氣的強化傳熱效果被削弱。保持其他參數(shù)不變，當(dāng)肋片間距小于26 mm時，可至少滿足5 min的應(yīng)急供冷需求。由圖8（d）可知，當(dāng)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(nèi)的部分空氣傳熱不充分，造成出口溫度顯著上升。當(dāng)蓄冷板間距小于5 mm時，可至少滿足5 min的應(yīng)急供冷需求。

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

5 結(jié)論

針對風(fēng)冷模塊化數(shù)據(jù)中心，本文提出一種基于相變蓄冷的應(yīng)急供冷技術(shù)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(shù)值模擬方法，研究了蓄冷單元內(nèi)的傳熱和流動特性并進行參數(shù)敏感性分析。得到結(jié)論如下：

1）對于5 min的應(yīng)急供冷需求，實驗所設(shè)計的蓄冷單元能夠在所有工況下滿足。對于15 min的應(yīng)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(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)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(yīng)急供冷需求；當(dāng)肋片高度增至2.5 mm以上時，可滿足15 min的應(yīng)急供冷需求。

4）對于8 min以下的應(yīng)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(shè)置為1.5 mm。