数据中心对二氧化碳自然循环的研究

在某数据中心里，采用传统的空调方式，利用设在服务器室内的空调装置产生冷空气，通过高架地板分配循环。但是，采用这种方式时，风机功率随着散热量增加而增大，而高架地板内的空气循环量仍受到限制。此外，这种情况可能发生在室内的热空气区，使得将来在结构扩建方面可能变得难以实施。
因此，不久前有人建议采用另一种方法，将制冷剂作为工作液，以解决刀片服务器机柜中热空气区内出现的问题。这种方法可以减少功耗而使服务器室能够保持良好的环境条件。

本文阐述了以 CO₂ 作为工作流体在数据中心局部供冷空调系统中自然循环的情况，分析了其运行特点以及无循环泵下的传热系统。
系统模型
图1和图2分别展示了与局部供冷时的传热方法有关的系统循环图和压焓图。图1a 中的数据与图1b 压焓图中的数据相对应。图1a中的的室内机（蒸发器）安装于服务器机柜之间，以求可能实现局部冷却效果。
蒸发器被作为一种分配参数模型，而水箱被作为一种综合模型。
外冷凝器为横向流型冷凝器，可以忽略冷却水的压力降和钢板的形状阻力。图3所示为板式换热器，由18-19个逆流通道构成。其内部呈板状结构，以最大程度地优化换热性能。它是利用一系列有关连续性、压力降及工作流体 CO₂ 和冷却水各自能量的方程式实现这种优化。也就是这样在板式换热器的 CO₂ 侧和冷却水侧之间实现了换热。CO₂ 侧的压力降采用冷凝器适用的压力降模型。因为换热器所用的板材厚度很薄，所以对每根管子规定了其管径相当于2 mm 的板距的一倍。
模拟和实验结果
在该系统中，预计有效的控制或是强制循环型或是自然循环型。因此，本文将按照体积流量的定义，讲解服务器机柜排气温度的作用，以求阐明即使在设备的总传热能力因自然循环而减少的情况下控制装置也要达到的有效条件。
表1所示为实验条件和模拟结果。
排气温度
服务器机柜排气温度（蒸发器入口处）是供冷设备一个重要的热负荷参数。图4所示为该设备的此项参数。
总的来说，模拟结果与实验相符。冷却水泵的功率与设置在蒸发器入口的风机功率均是定值。
根据获得的结果可以明显指出，除了 CO₂ 排量是唯一的例外外，所考虑的全部参数值均因自然循环随着服务器机柜排气温度的升高而升高。就是说，随着该温度的升高，因工作流体 CO₂ 与蒸发器空气之间存在很大的温差，故换热量也随之增大。
然而，因为 CO₂  向过热状态变化而达到27°C 左右，所以这种温差趋于减少。于是，传热性能遭到削弱，换热量逐渐趋于基本恒定，服务器机柜的排气量随之增大。
此外，在空气温度低且循环流量很大导致压力损失的情况下，实验结果与模拟结果相差轻微，因为整个管道可认作是水平设置的，而其弯度改变了工作流体流量的分配。已确认系数 Pf 具有随换热量增大而增大的倾向。
空气体积流量
图5所示为该供冷系统中服务器机柜内空气体积流量的变化情况。此参数对于系统来讲也很重要，因为空气是从机柜内排出的。实验结果与模拟结果是一致的。
CO₂ 的状态从12 m³/1′ 左右开始变为过热状态。这些结果明显说明所有参数值均随着服务器机柜排气体积流量的增大而增大，正如与排气温度的关系一样。
然而，换热性能并未改善且随着排气流量的增大，换热量也基本保持不变。因为随着风机功率的增大，传热性能系数 Pf 达到了最大点，结果设备的运行很大程度上取决于 Pf。
强制循环与自然循环的比较
图6中展示了强制循环系统与自然循环系统之间的特性比较：在这两个系统中，蒸发器的换热量和压力降的变化趋势很相似。
但是，用泵产生的 CO₂ 强制循环与自然循环相比，所产生的换热量较大，且压力降也较大。就 Pf 而言，已发现在空气流量较小的条件下，自然循环系统的运行性能优于强制循环系统。
因此，为了使这两种供冷系统都能高效率地工作，必须考虑风机、冷却水泵和工作流体的 CO₂ 输送泵本身的耗能特点，准确地评价每一种系统。
 
结语
上述研究阐述了影响某数据中心空调设备有效运行的两个主要效应，即服务器机柜的排气温度及其体积流量。
至于换热量和压力降，这两种系统都能获得满意的结果。不过，有必要在考虑管路实际弯度的前提下进行进一步的研究，以提高模拟精度。
已经证明，服务器机柜的排气体积流量有个最佳值，藉此可以使换热性能达到最大值，且供冷设备也显示出获得与较小空气流量相应满意的换热性能。此外，借助 CO₂ 泵的强制循环能产生比自然循环更大的换热量和压力降。
关于 Pf 系数，业已证明：在空气流量较小的条件下，自然循环系统的运行性能优于强制循环系统。因此，为了使设备高效运行，有必要注意其全部构成部件，尤其是那些耗能部件。