最近幾年，數據中心能耗問題已經變得越來越嚴重，有可能還會繼續惡化。據ＥＰＡ 估算，２００６年美國所有數據中心全年支付的總電費為４５億美元，并預測，２０１１年這一數據將達到７４億美元。
同時，服務器和交換機的規模越來越小，但其能耗卻大幅增加。１９９８年，機架服務器每個機架的功率在５０００ Ｗ 左右，而到２００６年則增至３２０００ Ｗ，根據ＡＳＨＲＡＥ 預測，到２０１４ 年，每個機架的功率將增至４２０００ Ｗ。服務器數量和功率的急劇增加必然會導致冷卻和輔助設備的增加，從而使能耗形勢更加嚴峻。ＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙ 國家實驗室調查顯示，一個典型的數據中心能耗比例為：１）ＩＴ 設備（服務器、交換機、路由器等）占４４％；２）制冷設備（機房精密空調、風機）占３８％；３）電源設備（ＵＰＳ、ＳＰＭ 等）占１５％；４）照明占３％。從中不難看出制冷設備的耗電量僅次于ＩＴ 主設備的耗電量。
面對“能源危機”，現在所有數據中心都在采用新技術提高空調能效，對空調系統進行精確控溫和氣流組織，此外，超過１０％ 的數據中心采用了空氣冷卻或者水冷的節能裝置ＡＳＨＲＡＥＳｔａｎｄａｒｄ９０也要求美國一些地區數據中心采用自然冷卻節能裝置，尤其是那些氣候比較涼爽的西部和東北部地區。利用自然空氣冷卻的研究包括直接引入新風式節能系統和隔離式新風熱交換系統，隔離式新風熱交換系統主要有板式換熱器和熱管換熱器２種。直接引入新風式節能系統受地域影響較大，適宜氣候涼爽且空氣品質較高的地區。而板式換熱器受結構和傳熱形式的限制，實測顯熱溫度效率并不高。熱管換熱器受地域影響較小，且有較高的溫度效率，能夠達到冷卻的目的。目前對ＩＤＣ 機房中熱管換熱器的應用雖有所提及，但對相關的圍護結構散熱以及熱管換熱器與總能耗的定量研究很少。
筆者所在課題組自主研制了利用自然冷源的熱管換熱器，將其用于ＩＤＣ 機房的散熱，并對北京地區冬季工況下，熱管換熱器和空調各自的散熱特性和能耗負荷進行了試驗研究，對ＩＤＣ 機房圍護結構的散熱進行了計算。
１ 試驗系統與儀器
以北京某實際機房為例，如圖１（ａ）所示，其尺寸為３．７５ｍ×２．８ｍ×２．９ ｍ。主要設備包括通信機柜、空調柜機、蓄電池組和配電箱等。試驗根據實際機房內的設備布置，搭建ＩＤＣ 機房模型，機房模型內設備布置如圖１（ｂ）所示。ＩＤＣ 機房模型尺寸：３ｍ（長）×１．８ ｍ（寬）×２．９ ｍ（高），墻體采用９５０型聚苯夾芯鋼板，板總厚１００ ｍｍ，鋼板厚度０．８ｍｍ，夾芯材料容重為１８ｋｇ／ｍ３。
機柜單元采用自制模擬電子發熱模塊，額定電功率為１．１ｋＷ，依照實際機柜的氣流方向，通過風扇和風道將熱量散出。利用自然冷源的熱管換熱器為課題組自主研制的散熱設備，其額定換熱量為１ｋＷ，外形尺寸為７５０ｍｍ×３２０ｍｍ×２９０ｍｍ，中間用隔板完全隔開，均分為等截面的兩部分。換熱器芯體中，熱管元件采用標準規格的紫銅管，內部充灌一定量的液體工質封制而成，正三角錯排。與水平位置呈一定傾斜角度放置，室內外兩側風道分別安裝風機一臺，風機總名義功率為６０ Ｗ。與目前應用較多的鋁氨熱管換熱器相比，自主研制的該熱管換熱器工質具有環保、高效、無毒、安全的特點，管材的導熱系數為原有鋁材的２～３ 倍，且密封良好，不會發生泄漏，經國家空調設備質量監督檢驗中心檢測，其溫度效率高于常規鋁－ 氨熱管換熱器。空調器采用ＫＦＲ ３２ＧＷ／Ｙ 型產品，其額定制冷量為３２００ Ｗ，額定功率為１１９０ Ｗ。
功率為１．１ｋＷ，依照實際機柜的氣流方向，通過風扇和風道將熱量散出。利用自然冷源的熱管換熱器為課題組自主研制的散熱設備，其額定換熱量為１ｋＷ，外形尺寸為７５０ｍｍ×３２０ｍｍ×２９０ｍｍ，中間用隔板完全隔開，均分為等截面的兩部分。換熱器芯體中，熱管元件采用標準規格的紫銅管，內部充灌一定量的液體工質封制而成，正三角錯排。與水平位置呈一定傾斜角度放置，室內外兩側風道分別安裝風機一臺，風機總名義功率為６０ Ｗ。與目前應用較多的鋁氨熱管換熱器相比，自主研制的該熱管換熱器工質具有環保、高效、無毒、安全的特點，管材的導熱系數為原有鋁材的２～３ 倍，且密封良好，不會發生泄漏，經國家空調設備質量監督檢驗中心檢測，其溫度效率高于常規鋁－ 氨熱管換熱器。空調器采用ＫＦＲ ３２ＧＷ／Ｙ 型產品，其額定制冷量為３２００ Ｗ，額定功率為１１９０ Ｗ。
圖１ IDC機房內設備布置圖
試驗對熱流量、溫度、電功率等參數進行了數據采集，熱流量的測試采用ＪＴＲＧ Ⅱ型建筑熱工溫度與熱流自動測試系統，其精度≤±５‰，分辨率為０．１ Ｗ／ｍ２，數據采集時間間隔設定為１ｍｉｎ，熱流測點工６個，通過對墻體的紅外成像分析，將熱流板分別布置在６面的適當位置，并加以固定。電功率參數采用ＡＮＡＬＹＳＴ３Ｐ 型電功率分析儀，其數據采集時間間隔設定為１ｍｉｎ，電功率分析儀主要用來測量空調啟停時的逐時功率，從而得到一定時間內空調的總能耗。溫度參數采用ＤＸ２３０１２型溫度巡檢儀，其數據采集時間間隔為２ｓ，溫度測點共６個，分別用于測量ＩＤＣ 機房室內溫度、室外溫度以及熱管換熱器進出口氣流溫度。
２ 結果分析與討論
２．１ 基礎室溫
在ＩＤＣ 機房中不采用空調、換熱器等任何其他散熱設備，僅僅依靠墻體圍護結構散熱，在這樣的條件下形成的室內溫度，稱之為ＩＤＣ 機房的基礎室溫，為了對ＩＤＣ 機房的基礎室溫有一個直觀量化的概念，在２０１０年１月１３日１６：４７至２０１０年１月１４日１６：４７這一時間段內對ＩＤＣ機房的基礎室溫和室外溫度進行了測量，其２４ｈ內的溫度變化如圖２所示。
圖２ ＩＤＣ機房基礎室溫變化圖
從圖２中可以看出，２４ｈ內，ＩＤＣ 機房在沒有其他任何散熱設備的情況下，僅依靠圍護結構對外散熱，其室內溫度與室外溫度的變化趨勢基本一致，室內溫度隨室外溫度的降低而降低，隨室外溫度的升高而升高，且室內外溫差基本保持不變。
即使在全天氣溫均低于０℃這樣的典型冬季工況下，僅依靠圍護結構的散熱，ＩＤＣ 機房的室內溫度依然超過了３０℃，平均為３２．７℃，最高溫度達到３７．８℃，而室內外溫差高達３０℃ 以上。由此可見，僅僅依靠圍護結構的散熱，即使在冬季寒冷工況下，依然無法滿足ＩＤＣ 機房內的散熱需求。
２．２ 圍護結構散熱
在ＩＤＣ 機房中，開啟空調器進行散熱，空調器設定溫度為２５℃，在２００９年１１月１５日２０：５１２００９年１１月１７日２０：５１連續的４８ｈ時間內對其散熱特性和能耗進行試驗研究。試驗過程中ＩＤＣ 機房室內外溫度變化以及圍護結構散熱量的變化趨勢如圖３所示。
圖３ IDC機房室內外溫度和圍護結構散熱量
從圖３中可以看出，室內溫度基本維持在２５℃不變，室外溫度隨天氣變化而變化，圍護結構的散熱量在０．１８～０．２５ｋＷ 范圍內，其平均散熱量為０．２１４ｋＷ，相對于總散熱量１．１ｋＷ 而言，約占總散熱量的１９．５％。圖４ 給出了ＩＤＣ 機房空調器能耗的逐時變化趨勢。從圖４ 中可以看出，４８ｈ 內空調能耗功率呈波狀起伏，原因在于隨著室內溫度的波動，要維持恒定溫度，空調器不斷啟停，使得其電流值也在零上不斷波動，從而造成空調功率隨時間變化出現波狀起伏。通過對空調器逐時能耗功率的統計計算，得到４８ ｈ 內空調器的總能耗為７０７４．７２ Ｗｈ，平均每天耗能約為３．５ｋＷｈ。
圖４ 空調逐時功率
２．３ 利用自然冷源散熱
對于ＩＤＣ 機房，因為設備不間斷運行，需要制冷的時間較長，有些地區甚至全年需要制冷，所以空調負荷能耗巨大。在全年的過渡季節和冬季寒冷的時間，利用空氣中的自然冷源進行降溫，可減少空調的運行時間，達到節能降耗的目的。利用ＤｅＳＴ 軟件建立ＩＤＣ 機房模型，考慮到ＩＤＣ 機房的特點，忽略人員得熱以及照明和開關門時造成的冷量滲漏，設定室內溫度控制在１８～２５℃，濕度保持在４０％～７０％，對北京地區ＩＤＣ 機房利用熱管換熱器散熱進行模擬研究，熱管換熱器正常工作的啟動溫度設定為３℃，可以得到北京地區全年可節能約４７％，節能效果非常明顯。
因此在ＩＤＣ 機房中，安裝了自主研制的熱管換熱器，充分利用室外冷空氣這一自然冷源，對ＩＤＣ機房進行降溫散熱，并在２０１０ 年１ 月１６ 日２２：４７至２０１０年１月１８日２１：４７共計４７ｈ時間內對熱管換熱器的散熱特性進行了試驗研究。在試驗過程中，安裝了熱管換熱器的ＩＤＣ 機房的室內外溫度以及室內外溫差如圖５所示。
圖５ 利用自然冷源時IDC機房的室內外溫度及溫差
從圖５中可以看出，隨著室外溫度的變化，室內溫度也會發生相應的變化，這是因為室外溫度的變化會影響圍護結構散熱的多少，同時室外溫度的變化對熱管換熱器的實際換熱量也有影響，使得實際散熱量隨室外溫度的變化而變化，從而進一步造成室內溫度隨室外溫度的變化而相應變化。結果表明，在圖５ 中的４７ｈ 內，室外溫度在－５．８～３．８℃范圍內波動，而安裝了熱管換熱器后的ＩＤＣ 機房室內溫度最高不超過２２℃，在１２．８～２１．９℃范圍內變化，室內外溫差不超過２０℃，維持在１５．１～１９．１℃范圍內，而２００７ ＡＳＨＲＡＥ Ｈａｎｄｂｏｏｋ 推薦的溫度范圍為６５～８０°Ｆ（即１８．３～２６．７℃）。因此，使用熱管換熱器完全可以滿足冬季工況下ＩＤＣ 機房的散熱需求，而無需開啟空調。
同時需要指出的是，利用自然冷源的熱管換熱器，其耗能部件僅為風機，功率不大，約為６０ Ｗ，在試驗過程中，熱管換熱器一直處于開啟狀態，因此其４８ｈ的總能耗約為２８８０Ｗｈ，而４８ｈ內空調器的總能耗，如前節２．２所述，約為７０００ Ｗｈ。比較發現，熱管換熱器的能耗約為空調器能耗的４１％，可以節省約５９％的空調能耗，也遠小于其自身的實際散熱量。如果選擇低能耗的風機，同等風量下，使其額定功率低于６０ Ｗ，則可進一步降低熱管換熱器的能耗。另外，對于空調器而言，由于安裝了自動控制系統，因此空調器可以根據室內溫度間歇工作，而試驗用熱管換熱器沒有安裝自動控制系統，因此無法根據室內溫度高低自動啟停，在試驗過程中，一直處于開啟狀態。如果熱管換熱器安裝了自動控制系統，可以根據室內溫度的高低自動啟停，那么熱管換熱器實際運行時間將會縮短，能耗也會降低。同時，由于熱管換熱器一直處于開啟狀態，使得ＩＤＣ 機房的室內溫度可以達到１２．８℃ 的較低溫度，遠低于ＩＤＣ 機房室內溫度要求的上限值，因此如果將熱管換熱器停止運行的溫度設定為高于１２．８℃，設定為２２℃，則可以大大減少熱管換熱器的工作時間，從而有效降低熱管換熱器的能耗。如此一來，熱管換熱器的能耗占空調能耗的比例將大大低于４１％，完全可以控制在１／３左右，可以節省２／３的空調能耗。而只要室外溫度低于室內溫度，且室內外溫差大于熱管換熱器的啟動溫差，熱管換熱器均可正常工作。根據ＤｅＳＴ 軟件氣象資料統計，北京地區全年氣溫低于２５℃且滿足室內外溫差大于３℃的小時數約為５２４４ｈ，約占全年時間的６０％。如果在這段時間內熱管換熱器正常工作，可以滿足散熱需求，同時經過改進，熱管換熱器的能耗為空調能耗的１／３，那么，全年總能耗將為原來能耗的６０％，全年節能達到４０％。
２．４ 空調室內設定溫度
面對ＩＤＣ 機房較高的能耗，將空調的設定溫度提高，在同等其他條件下，理論上可以降低空調的能耗，ＡＳＨＡＲＥ 也因此推薦將入口空氣溫度標準提高到８０°Ｆ（約２７℃）。通過對北京地區的模擬分析，可以得到設定溫度提高１℃，空調能耗降低２％ ～３％。因此，針對２６℃和２７℃不同的設定溫度，對空調的散熱特性和能耗進行了試驗，具體試驗時間和空調能耗如表１所示。
表１ 空調設定溫度、測試時間和總能耗
試驗對上述２個不同的空調設定溫度進行了研究，試驗過程中各自的室內外溫度如圖６ 所示。從圖中可以看出，室內溫度與空調設定溫度一致，基本恒定，而室外溫度由于受天氣影響出現不同程度的波動。同時由于氣象變化，２ 個試驗時間段內的室外溫度不盡相同，前一時間段內室外溫度在０℃上下波動，而后一時間段內室外溫度均在０℃以上波動。
圖６IDC機房中室內外溫度
不同的設定溫度，同等條件下，空調器的能耗也不同。圖７給出了２６℃和２７℃不同設定溫度下，空調器的逐時功率變化規律。可以看出，隨著空調器的啟停，其功率呈逐時波狀變化。對不同設定溫度下，空調器的逐時功率進行統計計算，可以得到各自４６ｈ內的總能耗，具體數值見表１。
圖7 空調逐時功率
從表１ 中可以看出，４６ｈ 內空調的總能耗在８０００～９０００ Ｗｈ 范圍內，平均１ｄ 能耗約為４～５ｋＷｈ。同時，隨著空調設定溫度的提高，４６ｈ內空調的總能耗出現了小幅度的增長，從２６℃ 到２７℃，設定溫度提高１℃，空調總能耗增加了１．８３％。原因在于，不同設定溫度下的天氣條件不同，雖然試驗為持續測試，但室外氣溫并非同等條件，室外溫度越高，通過ＩＤＣ 機房圍護結構的散熱量越少，在總散熱負荷一定的情況下，空調的散熱負荷越大，而此時雖然提高了空調的設定溫度，一定程度上降低了空調的負荷，但對空調而言，其所承擔的總體散熱負荷仍然是增大的，因此帶來了空調總能耗的小幅增長。從中也可以看出，室外溫度對空調能耗的影響大于室內設定溫度對空調能耗的影響。
２．５ 室外溫度與空調能耗
通過上述分析，可以看出室外氣溫的變化對空調能耗負荷的影響超過了空調設定溫度對于空調能耗負荷的影響，而室外氣溫對空調能耗的影響究竟有多大，通過下面的分析，可以得到一個量化結果。圖８給出了在２００９ 年１１ 月１５ 日至２００９ 年１１ 月１７日和２００９年１１月１７日至２００９年１１月１９日這２個連續時間段內４６ｈ 內的室外溫度變化，空調的設定溫度均為２５℃。
圖８ 不同設定溫度下的室外溫度
從圖８中可以看出，在第３０ｈ之后，２００９年１１月１５日—１７日的室外溫度與２００９年１１月１７日—１９日的室外溫度基本相同，而在前３０ｈ 內，前者的室外溫度均低于后者的室外溫度。分析可以得到，２００９年１１月１５日—１７日這一時間段內ＩＤＣ 機房圍護結構的散熱量高于２００９年１１月１７日—１９日這一時間段，從而造成前者的空調能耗低于后者的空調能耗。通過對上述２個時間段內空調器逐時能耗統計計算，可以得到二者的空調總能耗依次為６８３６．０６ Ｗｈ、７６３４．９３７ Ｗｈ，空調總能耗增幅達到１１．７％。另外，從圖８中可以看到，２００９年１１月１５日—１７ 日這一時間段內平均室外溫度約為－０．１℃，而２００９年１１月１７日—１９日這一時間段內平均室外溫度為１．６℃，二者相差不到２℃，平均計算可以得到，室外溫度提高１℃，空調總能耗增加５％～６％。
3 結論
為保證ＩＤＣ 機房對溫度、濕度和潔凈度的特殊要求，機房空調系統全年能耗很大，約占機房總能耗的４０％。在ＩＤＣ 機房的整體節能管理方案中，使用熱管換熱器利用自然冷源為ＩＤＣ 機房散熱，能夠有效減少空調的工作時間，同時可以避免室內外空氣接觸，滿足潔凈度的要求。以北京某實際ＩＤＣ 機房為參考，按一定比例搭建試驗機房，分析ＩＤＣ 機房中熱管換熱器和空調的散熱特性和能耗負荷，研究圍護結構散熱特性，得到如下結論：
１）在北京地區冬季工況下，僅僅依靠圍護結構的散熱，ＩＤＣ 機房室內溫度超過３０℃，室內外溫差高達３０℃ 以上，無法滿足ＩＤＣ 機房的散熱需求，必須額外添置制冷散熱設備。
２）機房圍護結構的散熱量隨氣溫波動而變化，約占ＩＤＣ 機房總散熱量的１９．５％；空調器逐時功率呈波狀起伏，平均每天耗能為３．５～４ｋＷｈ。
３）ＩＤＣ 機房使用熱管換熱器后，模擬研究全年節能約４７％，試驗表明室內溫度不超過２２℃，室內外溫差不超過２０℃，無需開啟空調器，能耗僅為空調能耗的４１％，通過技術改進可以控制在１／３ 左右，則全年將節能４０％，既能夠滿足散熱需求，又能夠有效降低空調能耗。
４）與室內設定溫度相比，室外氣溫對空調能耗的影響較大；室內設定溫度相同，室外溫度提高２℃，空調總能耗增加約１１．７％，平均每提高１℃，空調總能耗增加５％～６％。
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本文標題：IDC機房用熱管換熱器節能特性試驗研究
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