數(shù)據(jù)中心用熱管空調系統(tǒng)研究進展

盧大為，王 飛，王建民，邵雙全

（1.河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院 承德分院，河北承德 067050；2.克萊門特捷聯(lián)制冷設備（上海）有限公司，上海 201419；3.中國石油昌平數(shù)據(jù)中心，北京 102200；4.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074）

0 引言

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)為保證數(shù)據(jù)中心中IT設備及電源、電池等其他設備的高效穩(wěn)定運行提供了適宜的溫度和濕度等環(huán)境，其自身也消耗了大量的電能，約占整個數(shù)據(jù)中心能耗的20%～40%，是數(shù)據(jù)中心中能耗最大的輔助設備。因此，降低制冷系統(tǒng)能耗是提升數(shù)據(jù)中心能源利用效率的重要環(huán)節(jié)。從數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗構成上看，主要由冷源設備（制冷機組）能耗、輸配設備（主要是水泵、輸送風機）能耗以及散熱設備能耗（主要是末端散熱風機、冷卻塔風機、空氣冷卻器風機等）構成。其中制冷機組（主要是壓縮機）的能耗占整個冷卻系統(tǒng)能耗的50%～70%，降低制冷機組能耗是數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能的核心［1-5］。

從數(shù)據(jù)中心的制冷需求角度看，其內部負荷密度高，電耗密度高達300～1 500 W/m2，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心甚至可達3 000 W/m2，而通過維護結構和新風所引起的冷負荷占比很小；其內部的IT設備一般不吸濕也不產濕，而且對新風需求少（僅滿足IT設備及輔助設備的工藝需求即可），室外新風所導致的濕負荷也很??；此外，數(shù)據(jù)中心需全年連續(xù)穩(wěn)定運行，即使在冬季室外溫度很低時，仍然需要向外部散熱。因此，降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗的措施主要是提高主動冷源設備（主要壓縮機）的運行效率和提高自然冷源的應用時間（通過自然冷源應用降低壓縮機運行時間）［1］。

當室外環(huán)境低于室內環(huán)境溫度時，室內的熱量可以自動從高溫環(huán)境向低溫環(huán)境傳遞，從而實現(xiàn)自然冷卻（即不開啟制冷機組），回路熱管是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效自然冷卻的重要技術形式之一。充分利用自然冷源是目前解決數(shù)據(jù)機房高能耗問題的首選方式，并且從一定時間來看，自然冷源是一種可再生能源，當數(shù)據(jù)中心利用自然冷源產生與常規(guī)機房空調同等制冷量時，所消耗的能源低于常規(guī)機房空調的那部分能源即為可再生能源。采用回路熱管可以充分利用室外自然冷源的同時，冷卻介質質量流量降低并可充分利用重力從而降低輸配能耗，并且室內機可以更為接近發(fā)熱器件（如背板空調）從而減少氣流摻混所引起的冷量損失，是數(shù)據(jù)中心最具節(jié)能潛力的技術之一［5-9］。

1 回路熱管冷卻系統(tǒng)驅動形式

回路熱管作為高效的傳熱設備回路熱管主要有室內蒸發(fā)器和室外冷凝器構成，用于數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)按驅動方式主要分為3種：重力型、液相動力型和氣相動力型，如圖1所示［10-13］。重力型回路熱管的室外冷凝器要高于室內蒸發(fā)器，利用室外冷凝器和室內蒸發(fā)器之間的高度差所形成的重力與浮升力的壓力差驅動制冷劑循環(huán)流動，制冷劑在室內蒸發(fā)器吸收機房內IT設備所散發(fā)的熱量變?yōu)闅怏w，經(jīng)氣體管上升進入室外冷凝器被室外自然冷源（空氣或水等）冷卻變?yōu)橐后w，再經(jīng)液體管流回室內蒸發(fā)，形成一個冷卻循環(huán)。重力型回路熱管不僅利用了室外自然冷源，更是直接利用重力作為驅動力了，降低了冷卻介質的輸運能耗。

圖1 數(shù)據(jù)中心冷卻用3種回路熱管Fig.1 Three types of loop heat pipe for data center cooling

但是，為了保證重力型回路熱管的啟動和運行，一方面室外冷凝器的位置必須高于室內蒸發(fā)器，并且氣體管路和液體管路的布置也要盡量保證冷媒的順利流動。在有些應用場景中，由于室外冷凝器的位置和連接管路的安裝難以形成足夠驅動力，因此仍需要在液體管或氣體管上安裝輔助動力，分別稱為液相動力型和氣相動力型。液相動力型回路熱管一般要在液泵之前安裝儲液器以防止液泵發(fā)生氣蝕，而氣相動力型回路熱管一般要在氣泵前安裝氣液分離器以防止氣泵發(fā)生液擊。上述3種回路熱管循環(huán)的壓焓圖如圖2所示。重力型回路熱管中制冷劑依靠重力形成自然循環(huán)，由于室外冷凝器高于室內蒸發(fā)器，因此冷凝溫度會低于蒸發(fā)溫度；液相動力型回路熱管中制冷劑依靠液泵的驅動力循環(huán)流動，液泵提升了蒸發(fā)器的壓力，也使得冷凝溫度會低于蒸發(fā)溫度；氣相動力型回路熱管中的制冷劑依靠氣泵實現(xiàn)循環(huán)流動，氣泵提升了冷凝器的壓力，因此冷凝溫度會高于蒸發(fā)溫度。冷凝溫度的升高，更有利于回路熱管向自然冷源散熱，從而提高回路熱管自然冷源的利用率。

圖2 數(shù)據(jù)中心冷卻用3種回路熱管壓焓曲線Fig.2 P-h diagram of the three types of loop heat pipe for data center cooling

2 重力型回路熱管

2.1 重力型獨立回路熱管機房空調系統(tǒng)

如圖3所示，重力型獨立回路熱管只由室內蒸發(fā)器和室外冷凝器通過氣體管路和液體管路連接而成，重力型獨立回路熱管結構簡單緊湊、傳熱性能好、可靠性高，已經(jīng)廣泛應用于中小型數(shù)據(jù)中心和通訊基站中［14-19］。由于沒有制冷劑輸運能耗，只有為了增強傳熱效果的室內風機和室外風機的能耗，重力型回路熱管可以達到很高的能效，成為中小型數(shù)據(jù)中心和通訊基站的利用自然冷卻實現(xiàn)節(jié)能的重要措施。但是該系統(tǒng)只能在室外溫度較低時運行，因此數(shù)據(jù)中心及基站仍需配備常規(guī)機房空調保證室外高溫時的機房制冷需求。

圖3 重力型回路熱管冷卻系統(tǒng)原理與性能［19］Fig.3 Principle and performance of cooling system with gravity driven loop heat pipe［19］

2.2 疊加式重力型復合機房空調系統(tǒng)

將重力回路熱管與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)相結合構建回路熱管/蒸氣壓縮復合空調系統(tǒng)，既可以保證室外高溫時的制冷需求，又可以充分利用室外低溫時的自然冷能。圖4中示出了一種疊加式重力回路熱管/蒸氣壓縮復合機房空調系統(tǒng)［20-21］。該系統(tǒng)由2個獨立制冷劑回路，蒸氣壓縮制冷回路和重力回路熱管回路，只是將蒸氣壓縮制冷回路的冷凝器和重力回路熱管的冷凝器疊加共用一個冷凝風機，并將蒸氣壓縮制冷回路的蒸發(fā)器和重力回路熱管的蒸發(fā)器疊加共用一個蒸發(fā)風機，2個回路的制冷劑不互相摻混且不互相傳熱。當室外溫度低于室內溫度5 ℃以上時，回路熱管系統(tǒng)即可啟動實現(xiàn)自然冷卻，制冷量不足或者室外溫度較高時則開啟蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，試驗結果顯示，年節(jié)能率在20%～55%之間。但是由于該類系統(tǒng)中運行蒸氣壓縮制冷模式或回路熱管自然冷卻模式時，室內風機和室外風機都需要承擔兩套系統(tǒng)空氣側的壓力損失，使得風機的能耗增加。

圖4 疊加式重力型復合機房空調系統(tǒng)［20］Fig.4 Integrated CRAC system with gravity driven loop heat pipe with air side cascade［20］

2.3 直接耦合式重力型復合機房空調系統(tǒng)

直接耦合式重力型回路熱管/蒸氣壓縮復合機房空調系統(tǒng)，即回路熱管共用了蒸氣壓縮制冷回路的蒸發(fā)器和冷凝器及回路中的制冷劑，在運行回路熱管自然冷卻回路時將蒸氣壓縮回路中的壓縮機和節(jié)流閥旁通。旁通式重力型回路熱管/蒸氣壓縮復合機房空調最早由日本OKAZAKI等［22-23］及韓國 LEE 等［24-25］提出并開展相關研究與優(yōu)化設計。清華大學石文星等［26-28］開發(fā)出一種新型的適合熱管模式與制冷模式切換的三通閥，在此基礎上構建了一種基于三通閥的旁通式重力型回路熱管/蒸氣壓縮復合機房空調系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)在全國南北不同地區(qū)多個基站中實測結果表明機組運行穩(wěn)定、室內溫度控制良好，在同等條件下，比常規(guī)基站空調節(jié)能30%～45%。該系統(tǒng)中，需要依靠閥門進行運行模式的切換，由于數(shù)據(jù)中心及通訊基站都要是全年連續(xù)運行，閥門的運行壽命和可靠性問題是該系統(tǒng)能否長期運行的關鍵。

圖5 旁通式重力型復合機房空調系統(tǒng)［27］Fig.5 Integrated CRAC system with gravity driven loop heat pipe with refrigerant bypass［27］

2.4 間接耦合式重力型復合機房空調系統(tǒng)

間接耦合式重力回路熱管/蒸氣壓縮復合機房空調系統(tǒng)的熱管回路與蒸氣壓縮回路的制冷劑不直接混合，而是通過換熱器在兩個回路制冷劑之間進行傳熱。

圖6示出了一種基于雙熱管回路的的重力回路熱管/蒸氣壓縮復合機房空調系統(tǒng)［29］。該系統(tǒng)由蒸氣壓縮回路和回路熱管回路兩個制冷劑回路共用一個室內蒸發(fā)器構成，實現(xiàn)了無閥條件下的系統(tǒng)模式切換，系統(tǒng)的自動化程度和安全可靠性更高。并且該系統(tǒng)可以實現(xiàn)重力回路熱管自然冷卻和蒸氣壓縮制冷2個模式的自動切換，具有較高的全年運行效率，在北京、哈爾濱等地區(qū)應用該系統(tǒng)，可使得數(shù)據(jù)中心的PUE下降0.3左右。

圖6 基于雙熱管回路的重力型復合機房空調系統(tǒng)Fig.6 Integrated CRAC system with gravity driven heat pipe based on two heat pipe loops

圖7示出了中科院理化所張海南等提出了一種基于三介質換熱器的回路熱管/機械制冷復合機房空調系統(tǒng)［30-32］。該系統(tǒng)利用三介質換熱器將蒸氣壓縮制冷回路和回路熱管回路進行耦合，即回路熱管的制冷劑在三介質換熱器內既可被室外低溫空氣冷卻，也可以被蒸氣壓縮回路待蒸發(fā)的低溫制冷劑冷卻，從而實現(xiàn)回路熱管冷卻、蒸氣壓縮制冷以及兩種方式聯(lián)合制冷3種模式。該系統(tǒng)不通過閥門即可實現(xiàn)3種運行模式的自動切換，并且兩個冷媒回路獨立運行便于換熱器及整個系統(tǒng)的多工況優(yōu)化設計，3個工作模式均具備良好的制冷能力和能效比。在保證數(shù)據(jù)中心及通訊基站全年冷卻效果的同時，大幅降低機房空調系統(tǒng)的運行能耗。試驗結果表明，熱管模式EER值在20 ℃溫差下達20.8，全年能效比可以達到12.0以上（北京）。

圖7 基于三介質換熱器的重力型復合機房空調系統(tǒng)［30］Fig.7 Integrated CRAC system with gravity driven heat pipe based on three-fluid heat exchanger［30］

3 液相動力型回路熱管冷卻系統(tǒng)

為了克服某些應用場合難以滿足回路熱管室外機的安裝位置和連接管路的安裝工藝的問題，在回路熱管的液體管路上加裝液泵以保證制冷劑的液相動力型回路熱管冷卻系統(tǒng)也受到關注。由于回路熱管系統(tǒng)制冷劑基本處于飽和狀態(tài)，液體管中的過冷度很小，進入液泵的冷媒中很容易閃發(fā)出氣體，對液泵造成氣蝕，從而造成液泵壽命的降低，因此研究高可靠性的液泵及進行相應的系統(tǒng)優(yōu)化設計是推動液相動力型回路熱管冷卻系統(tǒng)應用的關鍵。

3.1 液相動力型獨立回路熱管系統(tǒng)

圖8示出液相動力型獨立回路熱管系統(tǒng)中，液態(tài)制冷劑通過液泵驅動從儲液器流到室內蒸發(fā)器，從機房內吸收熱量變?yōu)闅鈶B(tài)制冷劑，再流到室外的冷凝器向室外自然冷源散熱變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑后流回儲液器，如此循環(huán)，從而將機房內的IT設備運行所散發(fā)的熱量源源不斷轉移到室外，達到為機房進行自然冷卻的目的［33-36］。為了防止液泵的氣蝕，在液泵之間需加裝儲液器，但是由于整個回路中制冷劑的溫度和壓力變化都很小，防氣蝕問題仍是困擾該系統(tǒng)的核心問題。

圖8 液泵驅動熱管系統(tǒng)工作原理［33］Fig.8 Principle of liquid pump-driven loop heat pipe system［33］

3.2 直接耦合式液相動力型復合機房空調系統(tǒng)

液泵驅動熱管系統(tǒng)是利用室外氣溫較低的自然冷源進行冷卻，在夏季室外氣溫較高時仍需開啟蒸氣壓縮制冷，為了避免使用2套獨立的系統(tǒng)來實現(xiàn)全年供冷所造成的資金和空間上的過多占用。圖9示出一種采用壓縮機與節(jié)流裝置旁通的直接耦合式液相動力型回路熱管/蒸氣壓縮復合冷卻系統(tǒng)，主要包括液泵驅動熱管自然冷卻模式和蒸汽壓縮制冷模式，其性能如圖10所示［37-39］。

圖9 旁通式液泵驅動復合機房空調系統(tǒng)工作模式Fig.9 Operation modes of integrated CRAC system driven by bypass liquid pump

圖10 液泵驅動制冷劑旁通型復合機房空調系統(tǒng)性能Fig.10 Performance of integrated CRAC system driven by liquid pump with refrigerant bypass

圖11示出了一種基于儲液器的直接耦合式液相動力型回路熱管與蒸氣壓縮復合冷卻系統(tǒng)［40-41］。系統(tǒng)由蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)與回路熱管系統(tǒng)通過低壓儲液器耦合復合構成，實現(xiàn)按需制冷；包括壓縮機、制冷冷凝器、節(jié)流裝置、低壓儲液器、液泵、蒸發(fā)器、熱管冷凝器，在三通閥的作用下，系統(tǒng)可根據(jù)室外環(huán)境溫度以及室內負荷需求分別切換運行制冷模式、復合模式以及熱管模式。

圖11 基于儲液器的液泵驅動復合機房空調系統(tǒng)Fig.11 Integrated CRAC system driven by liquid pump based on refrigerant receiver

3.3 間接耦合式的液相動力型復合機房系統(tǒng)

圖12示出一種基于冷凝蒸發(fā)器/儲液器的液相動力型回路熱管/蒸氣壓縮復合冷卻系統(tǒng)［42-43］。該系統(tǒng)通過液泵驅動的回路熱管系統(tǒng)與壓縮制冷系統(tǒng)在冷凝蒸發(fā)器處進行復疊構成，熱管冷凝器與制冷冷凝器疊合而成，共用一個風機，冷凝蒸發(fā)器采用殼管式換熱器，系統(tǒng)能夠根據(jù)室外溫度以及機房負荷分別切換熱管模式、復合模式以及制冷模式，實現(xiàn)了熱管與機械制冷同時運行，將熱管復合（復疊）型空調機組與風冷直膨式機組、風冷雙冷源冷水機組在廣州、上海、北京、哈爾濱4個地區(qū)進行能效模擬對比分析，結果表明熱管復合式機組節(jié)能率為4.8%～46%。

圖12 基于冷凝蒸發(fā)器/儲液器的復合型制冷系統(tǒng)Fig.12 Integrated CRAC system based on condenser/evaporator/refrigerant receiver

4 氣相動力型回路熱管/蒸氣壓縮復合冷卻系統(tǒng)

圖13示出了氣泵（壓縮機）驅動的氣相動力型回路熱管冷卻系統(tǒng)，在室外溫度高于室內溫度時，可以運行于蒸氣壓縮制冷工況；隨著室外溫度的降低，系統(tǒng)的壓縮比不斷下降；而在室外溫度低于室內溫度時，可以運行于熱管模式，壓縮機運行于小壓縮比工況，只提供氣體流動所需要的動力，實現(xiàn)高效自然冷卻。該系統(tǒng)的關鍵是能夠在壓縮比大幅度變化情況下運行［44-50］。

圖13 氣相動力回路熱管機房空調系統(tǒng)原理［50］Fig.13 Schematic diagram of CRAC system with gaseous power loop heat pipe［50］

采用滾動轉子壓縮機和渦旋壓縮機驅動的回路熱管冷卻系統(tǒng)分別如圖14，15所示［50］。通過整機能效EER以及壓縮機單體COP分析可知，在標況下，整機能效EER為2.9，壓縮機單體COP大約為3.7，隨著室外溫度降低，EER能效與壓縮機單體COP均大幅提升，在室外5～-5 ℃時，壓縮機單體COP超過20，說明壓縮機作為氣泵使用具有很高的節(jié)能效益。

圖14 變頻轉子壓縮機（氣泵）機組性能［50］Fig.14 Performance of inverter driven rolling-piston compressor（gas pump）unit［50］

圖15 變頻渦旋壓縮機（氣泵）機組性能［50］Fig.15 Performance of inverter driven scroll compressor（gas pump）unit［50］

5 結論與展望

數(shù)據(jù)中心作為我國“新基建”的重要內容之一，也是數(shù)字經(jīng)濟的重要載體，一直保持著快速發(fā)展，其能耗問題日益受到關注。作為能耗最大的輔助系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)降耗是提效降耗的關鍵?；芈窡峁茏鳛橐环N高效傳熱手段正被越來越多地應用于數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中，通過自然冷卻獲得了良好的節(jié)能效果。

回路熱管按驅動力可以分為重力型、液相動力型（液泵）、氣相動力型（氣泵或壓縮機），都可以充分利用室外自然冷能（冬季和春秋季部分）實現(xiàn)冷卻高效節(jié)能運行。重力型回路熱管不需要額外提供動力，只需保證冷凝器與蒸發(fā)器之間足夠的高差和管路的合理布置即可高效運行；在高差和管路布置無法滿足時，液相動力型和氣相動力型熱管在輔助動力的作用下可以正常運行。氣相動力型熱管可適當降低蒸發(fā)溫度并提高冷凝溫度，有助于提高熱管的傳熱溫差，循環(huán)理論效率優(yōu)于液相動力型熱管，但氣相介質的輸運效率要低于液相工質的輸運效率，綜合而言，當前液相動力型熱管的效率更高。采用壓縮機代替氣泵的方案也需要壓縮機在大壓縮比（主動制冷）和小壓縮比（自然冷卻，只提供動力）的全工況范圍內運行并保持高效。液泵和氣泵在氣液兩相回路中易出現(xiàn)氣蝕和液擊問題，長期運行的可靠性仍有待進一步檢驗。

3種驅動方式的回路熱管都可以與蒸氣壓縮主動制冷系統(tǒng)（夏季和春秋季部分）有機結合，保證數(shù)據(jù)中心全年高效冷卻。直接耦合式復合機房空調系統(tǒng)中熱管回路和蒸氣壓縮回路共用了換熱器和制冷劑，可降低系統(tǒng)的材料成本，也可以降低傳熱損失；但是換熱器的設計要滿足蒸氣壓縮主動制冷和回路熱管自然冷卻兩種模式和全年工況下的優(yōu)化設計，而且依靠閥門頻繁切換實現(xiàn)全年不間斷運行的閥門可靠性，是這類系統(tǒng)面臨的兩大挑戰(zhàn)。間接耦合式復合機房空調系統(tǒng)通過中間換熱器的方式實現(xiàn)蒸氣壓縮制冷、回路熱管自然冷卻以及兩種方式的聯(lián)合冷卻3種運行模式，雖然損失了一定的傳熱溫差并損失一定的傳熱溫差，但是系統(tǒng)的可靠性可以大大提高，保障數(shù)據(jù)中心全年連續(xù)制冷的高可靠性要求。

綜上，回路熱管空調為數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能提供了高效可靠的技術方案，相關技術的改進必將使其在數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能減排中發(fā)揮越來越重要的作用。