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随着5G通讯、物联网、人工智能技术的飞速发展,我国数据机房服务器设备的数据处理量高速增长,伴随着较大的发热量和较高的温度,严重影响设备稳定运行。要求机房内制冷设备全年8760h不间断运行并保证一定冗余,能耗问题日益严峻,制冷系统耗电量占机房总能耗的40%以上。降低数据机房空调系统能耗,已成为业界关注的焦点。当室外环境温度较低时,可充分利用室外自然冷能,减少和降低空调系统运行时间及能耗,实现数据机房绿色发展。本文根据数据机房规定的温湿度和洁净度的要求,研发了一种新型基于微热阵列的分体式自然冷能换热器与换热系统,并开展相应研究。将高效传热元件微热管阵列与锯齿形翅片及多孔通道平行流管有效结合,设计了紧凑式的室内侧及室外侧气-水式换热器,并采用闭式水冷循环系统将室内侧与室外侧微热管式换热器串联,建立了基于微热管阵列的分体式自然冷能换热系统。该系统实现了室内外环境之间间接式的高效换热,避免了空气的直接掺混,克服了室外空气受到洁净度及湿度等因素的限制,与现有热管形式的换热系统相比,系统匹配及布置形式更灵活,换热性能及稳定性能更优且更节省空间,同时闭式循环的系统形式相较于室外冷却塔等装置,解决了易冻及补水量较大的问题。本课题针对数据机房室内整体环境和热通道封闭的两种散热情形,对基于微热阵列的分体式自然冷能换热器传热特性、流动特性及换热系统的节能特性开展了如下研究:首先,对不同工质以及小蒸发段面积占比下的微热管阵列在加热温度为5～20oC,冷却温度为-15～10oC时的性能进行了研究及最优化选型。在自然对流及强制对流工况下,蒸发段长度为120 mm,充装工质为R141b时的微热管阵列的传热性能及均温性能最佳,通过对本文以及课题组前期对微热管阵列性能的研究的归纳汇总,为数据机房不同应用场景的微热管阵列选型提供参考。其次,设计并制作了微热管气-水式换热器及其实验台,对微热管换热器的换热性能与流动阻力特性进行了研究。微热管换热器热损失率较小,且逆流式的换热性能优于顺流式的。室内侧换热器的最大换热效率为81.4%,室外侧换热器的最大换热量为7.5 k W,相较于室内侧的9.3 k W减小了18.6%,室内侧换热器的最大?效率为38.5%,相较于室外侧增加了5.7%。二者空气侧最大阻力为339.8Pa,水侧最大阻力为8.86 k Pa。综合评价指标j/f 1/2相对于百叶窗翅片的板翅换热器提升了10.8%。并得到ε-NTU和压降随流量变化的拟合曲线,为后期换热器的理论设计与设备选型提供理论依据。再次,根据换热器性能的差异,建立了三种不同的室内侧与室外侧换热器组合形式（N=0.6,0.75,1）的分体式自然冷能换热系统,在两种散热情形下,对分体式系统的性能进行了实验研究与理论分析。整体环境散热情形下,N=1时的室内侧换热器的传热热阻相较于室外侧换热器减小了39.1%,系统不平衡性较明显。N=0.75时系统的传热及流动性能最优,系统最大换热量为8.7 k W,最大制冷能效系数EER为14.01。热通道封闭的散热情形条件下,N=0.75时系统具有最大换热量为12.4 k W,最大制冷能效系数EER为17.15,相较于整体散热情形分别提高了42.5%和22.4%。并得到系统EER在两种散热情形下的拟合曲线,为其在不同地区的实际应用提供参考。然后,对基于微热管阵列的换热器的传热单元与换热器进行了数值模拟与优化研究。将锯齿形翅片作为研究对象,建立了翅片单元模型,通过数值模拟计算得到表征翅片特性的传热因子j及摩擦因子f,并将其与实验值和理论经验值进行验证。将验证后的j和f、孔隙率以及物性参数作为已知条件赋予简化后的室内外换热器空气侧的多孔介质模型当中,对换热器进行模拟验证及性能优化。得到满足使用要求下的结构紧凑、换热高效的换热器结构形式。最后,对该数据机房自然冷能换热系统进行了不同地域及不同运行工况下的节能特性分析,得出此类系统的使用条件与节能设计方法。在最优化的换热器结构形式的基础上,针对不同气候区的六个典型城市,对数据机房在两种散热情形下的费效比、年节电量、投资回收期、能效指标进行了全年逐时分析。整体环境散热情形下,采用1500 m3/h小风量运行,增加模块数量的措施取得最低费效比,应用分体式自然冷能系统的数据机房的PUE值相较于采用常规空调系统的数据机房降低了11.9%～16.5%,最低PUE为1.75;热通道封闭的散热情形下,应采用2500 m3/h大风量运行,减小分体式系统模块的数量的措施取得最低费效比在0.15元/k Wh以内,投资回收期在1.7年以内,最低PUE为1.57,相较于采用常规空调系统制冷的数据机房降低了15.1%～25%。得到了分体式系统适用于不同气候区的最佳运行工况及系统模块数量,并针对不同气候区对应不同的环境温度条件,给出了数据机房空调系统和分体式自然冷能系统之间切换运行的温度节点及最佳运行策略,为后期分体式换热系统的模块化应用提供理论依据及指导。