熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析

劉明亮 郭豐

摘 要 熱管技術(shù)具有可充分利用自然冷源的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用熱管技術(shù)可有效降低PUE值。本文對(duì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用熱管技術(shù)的方式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 熱管技術(shù);數(shù)據(jù)中心;應(yīng)用

前言

熱管技術(shù)是1963年美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實(shí)驗(yàn)室的喬治格羅佛（George Grover）發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件[1]，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效自然冷卻的重要技術(shù)形式之一。在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的應(yīng)用中已經(jīng)得到了一定程度的推廣。

1熱管冷卻技術(shù)的原理

熱管是利用介質(zhì)在熱端蒸發(fā)后在冷端冷凝的相變過程（即利用液體的蒸發(fā)潛熱和凝結(jié)潛熱），使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一端為蒸發(fā)端，另外一端為冷凝端，當(dāng)熱管一端受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速汽化，蒸氣在熱擴(kuò)散的動(dòng)力下流向另外一端，并在冷端冷凝釋放出熱量，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)不止。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來[2]。

2熱管冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

熱管冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用具體是采用“自然冷源”，或“自然冷源+強(qiáng)制制冷”的方式，通過小溫差驅(qū)動(dòng)熱管系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)的氣液形成自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)相變循環(huán)，把信息機(jī)房?jī)?nèi)IT設(shè)備的熱量帶到室外，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無動(dòng)力、自適應(yīng)平衡的冷量傳輸。

2.1 回路熱管冷卻系統(tǒng)

回路熱管是熱管的一種形式，也稱重力分離熱管，在數(shù)據(jù)中心冷卻中得到了廣泛的應(yīng)用。它是通過工質(zhì)在室內(nèi)外兩個(gè)換熱器中的相變傳遞能量，通過壓力差和重力回流作用在管道中實(shí)現(xiàn)氣液自然循環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)通過制冷工質(zhì)的自然相變流動(dòng)將熱量從室內(nèi)排到室外，無須外部動(dòng)力，運(yùn)行能耗相比機(jī)械制冷系統(tǒng)大幅降低。同時(shí)，環(huán)路熱管傳熱性能好，能夠在近似等溫的條件下輸送高密度熱量，且傳熱距離遠(yuǎn)、啟動(dòng)溫差小、布置靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高且非常適用于數(shù)據(jù)中心這類對(duì)環(huán)境和安全性要求很高的場(chǎng)合。室內(nèi)換熱器可以以機(jī)柜背板的形式體現(xiàn)，也可以以列間空調(diào)的形式出現(xiàn)。通過全封閉連接管路中的工質(zhì)自然循環(huán)進(jìn)行熱傳遞，不直接引入室外空氣，保證機(jī)房室內(nèi)空氣的潔凈度。室內(nèi)末端循環(huán)工質(zhì)為不燃、無毒、無腐蝕、常壓下為氣態(tài)的制冷劑，通過小溫差驅(qū)動(dòng)換熱芯體中介質(zhì)達(dá)到動(dòng)態(tài)的氣液相變熱力平衡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的節(jié)能冷卻，且保證無水進(jìn)入機(jī)房，杜絕水浸機(jī)房的安全隱患，安全可靠。室內(nèi)設(shè)備全顯熱換熱，無冷凝水產(chǎn)生，杜絕常規(guī)精密空調(diào)除濕、加濕同時(shí)進(jìn)行這種不合理的費(fèi)能現(xiàn)象。采用分布式自適應(yīng)按需冷卻，根據(jù)機(jī)房實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜級(jí)按需供冷的個(gè)性化溫、濕度調(diào)控。

某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目IT機(jī)柜數(shù)100臺(tái)，安裝了25臺(tái)高效熱管列間空調(diào)末端，4個(gè)封閉冷通道。自2015年至今運(yùn)行良好，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)溫度在20℃～23℃，14℃供水、19℃回水工況下，工藝裝機(jī)滿負(fù)荷的空調(diào)末端PUE因子=0.0168（對(duì)比房間級(jí)的冷凍水精密空調(diào)末端PUE因子≈0.11），空調(diào)末端能耗下降明顯，節(jié)能效果大于30%。

熱管背板由外殼、風(fēng)機(jī)、熱管換熱盤管、控制器、管道、制冷工質(zhì)軟連接管等組成。熱管排熱背板與專用的通信機(jī)柜緊密結(jié)合，安裝在機(jī)柜后門，冷卻機(jī)柜。如下圖為背板安裝示意圖。

數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模IT機(jī)柜超過3000個(gè)，采用熱管背板技術(shù)單機(jī)柜IT設(shè)備設(shè)計(jì)功率≥5kW，節(jié)能效果約7000kWh/（機(jī)柜.年），熱管背板PUE因子<0.022。

2.2 液泵輔助驅(qū)動(dòng)熱管系統(tǒng)

重力型熱管空調(diào)系統(tǒng)要求室外機(jī)組的位置必須高于室內(nèi)機(jī)組，然而很多場(chǎng)合難以滿足這種特定的要求，行業(yè)相繼推出帶有液泵驅(qū)動(dòng)的復(fù)合空調(diào)產(chǎn)品，空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)室外環(huán)境溫度與室內(nèi)負(fù)荷大小分別切換制冷模式、混合模式以及液泵循環(huán)模式，在很多地區(qū)場(chǎng)合得到了推廣運(yùn)用，并實(shí)現(xiàn)了一定程度的節(jié)能。但該產(chǎn)品在壓縮機(jī)/液泵雙驅(qū)模式（混合模式）下，通過提高制冷量實(shí)現(xiàn)能效比提升，并非真正意義上的利用過渡季節(jié)的自然冷源，主要是因?yàn)橐罕玫倪\(yùn)行本身帶來了能耗，如果壓縮機(jī)本身可以低壓比運(yùn)行，膨脹閥具備寬幅流量調(diào)節(jié)功能，此時(shí)不運(yùn)行液泵，能效比可以更高;并且在該溫度區(qū)間由于系統(tǒng)制冷量很大，容易出現(xiàn)液泵與壓縮機(jī)頻繁啟停的現(xiàn)象，這不僅增加能耗，也會(huì)使得高壓側(cè)的液泵頻繁啟停而損壞;同時(shí)在長配管、高落差工況下，液泵揚(yáng)程不足，制冷性能衰減，故而該產(chǎn)品仍具有一定不足。

液泵驅(qū)動(dòng)熱管系統(tǒng)主要由冷凝器（室外側(cè)）、蒸發(fā)器（室內(nèi)側(cè)）、液泵、儲(chǔ)液罐和風(fēng)機(jī)組成，通過管路連接起來，將管內(nèi)部抽成真空后充入冷媒工質(zhì)。如圖4所示，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由液泵將儲(chǔ)液罐中的低溫液體冷媒工質(zhì)輸送到蒸發(fā)器中并在蒸發(fā)器中吸熱相變汽化，之后進(jìn)入冷凝器中放熱，被冷凝成液體，回流到儲(chǔ)液罐中，如此循環(huán)，從而將室內(nèi)的熱量源源不斷轉(zhuǎn)移到室外，達(dá)到為數(shù)據(jù)機(jī)房冷卻散熱的目的。

液泵驅(qū)動(dòng)熱管系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用主要以列間和房間級(jí)冷卻形式為主，根據(jù)制冷量、安裝空間和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，其室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)可以選擇一臺(tái)或者多臺(tái)。

2.3 氣泵（壓縮機(jī)）驅(qū)動(dòng)回路熱管冷卻系統(tǒng)

圖5所示的氣泵（壓縮機(jī)）驅(qū)動(dòng)的回路熱管，在室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，可以運(yùn)行于蒸氣壓縮制冷工況;隨著室外溫度的降低，可以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的壓縮比，使其滿足小壓比制冷運(yùn)行的要求;而在室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，可以運(yùn)行于熱管模式，壓縮機(jī)只提供氣體流動(dòng)所需要的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)高效自然冷卻。

通過整機(jī)能效EER以及壓縮機(jī)單體COP分析可知，在標(biāo)況下，整機(jī)能效EER為2.9，壓縮機(jī)單體COP大約為3.7，隨著室外溫度降低，EER能效與壓縮機(jī)單體COP均大幅提升，在室外5℃～-5℃時(shí)，壓縮機(jī)單體COP超過20，說明變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)作為氣泵使用具有很高的節(jié)能效益。

3結(jié)束語

充分利用自然冷源，是降低數(shù)據(jù)中心PUE的重要手段。熱管冷卻系統(tǒng)在利用自然冷源方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在工業(yè)和信息化部發(fā)布的《綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)目錄》中，也有多項(xiàng)熱管冷卻技術(shù)產(chǎn)品入選。預(yù)計(jì)各類型熱管冷卻技術(shù)產(chǎn)品將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 屠傳經(jīng)，謝國興.熱管發(fā)展簡(jiǎn)史[J]能源工程，1984（4）：60-61.

[2] 馬永昌，張憲峰.熱管技術(shù)的原理、應(yīng)用與發(fā)展[J]變頻器世界， 2009（7）：70-75.