重力熱管背板空調在數據中心機房的使用特性

何其振　吳麗菲　郭佳哲　孫地　陳剛　吳志楓

摘 要：根據國務院印發“十三五”國家信息化規劃，圍繞貫徹落實信息通信技術發展，增強云計算和物聯網原始創新能力，形成產業體系國際競爭能力；新方向新需求帶來數據中心建設需求加劇，能源消耗加劇。結合IDC行業分析制冷系統特點，提出了一種關于新型重力熱管背板空調系統使用方式，優化機房環境，降低制冷整體能耗。

關鍵詞：重力熱管背板空調；數據中心；節能

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0059-02

根據工信部關于數據中心建設指導文件，新建大型云計算數據中心電能使用效率（PUE）值不高于1.5，力爭改造后的數據中心的PUE值下降到2.0以下；到2020年，形成具有國際競爭力的云計算和物聯網產業體系，新建大型云計算數據中心PUE值不高于1.4；新型創新產品重力熱管背板空調被應用于新建及改造的數據中心制冷系統中，可有效解決高熱密度、局部熱點問題；同時，重力熱管背板空調具有獨特的技術優劣勢，合理的應用及配置重力熱管背板空調可進一步優化機房環境，擴大重力熱管背板空調技術優勢，降低PUE值。

重力熱管背板空調與服務器機柜對應安裝，重點根據服務器機柜功率密度、系統形式進行應用分析。

1 應用分類

1.1 服務器機柜應用分類

現有運行的數據中心平均每機架容量普遍維持在5kw左右，根據中國數據中心工作組對我國IDC行業調查，此現狀仍將持續一段時間；原因在于新建和現有數據中心的功率密度的改變，取決于位置，大小，工作量，業主的操作樣式和經驗，以及整體設計的考慮。

目前市場上主要應用的機架式服務器設備（1～2U設備）單臺滿載運行功率300～500w左右，對于標準19英寸42U機柜，基礎設施管理者普遍控制上柜容量在50%以下，即單機架容量維持在4～6kw左右。行業內不同用戶對應的設計機架容量如表1。

重力熱管背板空調安裝于服務器機柜背門，依靠重力循環換熱，屬于被動換熱的一種，應對不同服務器機柜容量，重力熱管背板空調換熱能力與之匹配，重力熱管背板空調單機換熱量為0～15kw。

1.2 重力熱管背板空調應用分類

結合目前行業內出現的重力熱管背板空調系統，根據重力熱管背板空調進液出汽的方式分為下進液上出汽重力熱管背板空調系統，上進液上出汽重力熱管背板空調系統；兩種應用形式都是利用環保冷媒R134a在低壓狀態下蒸發、冷凝的相變換熱作用，不同的在于液態冷媒輸配方式不同。

2 重力熱管背板空調應用分析

2.1 冷媒管道連接方式

如上述內容，兩種重力熱管背板空調系統主要區別在于液態冷媒的輸配方式。上進液上出汽背板液態冷媒分配為U型管原理，此種方式對于背板數量較多時，遠端與近端背板設備壓損差值將影響冷媒分配，如圖1示，A點與a點即存在壓損，A點冷媒壓力大于a點，在自由分配的作用下，遠端背板的冷媒少；如存在機柜負載不均時，此系統方式將造成遠端背板設備出風溫度偏高，根據項目測試，近端與遠端背板設備出風平均溫度相差在5℃左右。

下進液上出汽背板液態冷媒分配為并聯直線型，如圖2示，在液冷冷媒重力流的狀態下，單個背板設備的液位差有效彌補水平方向上A點與a點的壓力差值影響，可以很好的進行冷媒分配，大大提升重力熱管背板空調系統輸送長度，機柜列長度可達15米。

由上可知，重力熱管背板空調采用下進液上出汽方式時整體性能優于上進液上出汽方式。

2.2 負載不均影響

單套重力熱管背板空調系統冷媒分配隨設備數量增加變的不均勻，應用時應考慮系統設備配置數量，通過廠家測試顯示，單套重力熱管背板空調系統最佳配置2～10臺背板空調，最大不超過20臺。

同時，通過實驗驗證重力熱管背板空調系統配置數量對負載均勻性的要求，表2所示為重力熱管背板空調在每臺機柜均勻負載分布時的測試記錄，可知背板出風溫度均滿足規范設計。

設備廠家進行測試研究，針對單列6臺背板設備的重力熱管背板空調系統，對每個機柜進行負荷偏差度不同和分布規律的不均的測試。服務器分為上中下3組（10臺服務器機柜為3+4+3），通過調節服務器的開關實現負載的不均勻分布，如表3所示。

機柜負載不均勻分布，機柜進風溫度和背板出風溫度都沒有明顯的溫度分層，服務器均能正常的運行，并且可以發現場景1～4的服務器負載分布方案可行。可知，針對6臺背板設備的系統，可以滿足使用，如表4所示。

2.3 機柜擺放方向

傳統數據中心機房服務器機柜擺放方式分為同向布置、反向布置（機柜面對面或背對背布置），對于不同的機柜布置方式，重力熱管背板空調系統表現為不同的換熱能力、可靠性。

根據GB50174中關于IDC機房設計參數要求，重力熱管背板空調布置在機柜背部，背板出風側設計溫度為23℃，機柜進風側設計溫度為25℃，如圖3所示，機柜設計為同向布置時，第一列機柜進風側與第二列機柜出風側（背板進風側）為相同通道，形成混風區，機房內氣流組織交叉，間接降低部分背板設備的換熱量，容易形成局部熱點；同時如存在第二列某背板設備失效，對第一列對應位置機柜形成二次加熱，擴大影響，降低機房可靠性。

如IDC機房內機柜采用反向布置，圖4示，氣流組織相對合理，提高系統運行效率，系統節能性提高10%；同時，有效應對單背板設備失效，當某臺背板設備失效時，周圍背板設備可自動增大換熱量，降低失效影響，提高系統可靠性。

3 需要關注的問題

3.1 防凝露與機柜回風溫度控制邏輯

重力熱管背板空調系統需設計防凝露控制邏輯，當機房內環境露點溫度升高時，通過提高冷媒供液溫度來防止換熱盤管凝露；這樣會降低背板換熱量，需同時考慮換熱量需求。

3.2 背板系統啟動時環境要求

重力熱管背板空調貼近機柜安裝，系統為干工況運行。因此背板系統啟動時需考慮機房環境狀況，要求機房露點溫度小于15℃，確保重力熱管背板空調換熱盤管無凝水。

4 結語

根據重力熱管背板空調系統特點進行分析，應用重力熱管背板空調系統時應優先考慮提升整體節能性、可靠性的系統方式，不可盲目配置；可知，當采用恰當的連接方式、以及合適的機房布置方式和配置，能使得重力熱管背板空調系統使用特性與實際需求高效結合，服務于IDC機房建設。

參考文獻

[1]陳延鈞.高密度數據中心水冷解決方案[J].智能建筑與城市信息，2008，（7）：23-26.

[2]田浩，李震，劉曉華，等.信息機房熱管空調系統應用研究[J].建筑科學，2010，（10）：141-145.