一種數(shù)據(jù)機(jī)房散熱方式節(jié)能解決方案

孫鐵柱 毛 彬

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一種數(shù)據(jù)機(jī)房散熱方式節(jié)能解決方案

孫鐵柱1毛 彬2

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048；2.西安品匯環(huán)保設(shè)備有限公司 西安 710048）

目前機(jī)房服務(wù)器內(nèi)部的熱量是直接排到機(jī)房內(nèi)，然后再由機(jī)房空調(diào)承擔(dān)這些熱量轉(zhuǎn)變的冷負(fù)荷，存在熱量排放不合理和能源浪費(fèi)問題。針對(duì)該問題提出了一種機(jī)房冷卻節(jié)能解決方案，即空調(diào)制冷+導(dǎo)熱排風(fēng)，利用新型自泄壓熱管散熱器，將機(jī)房服務(wù)器其內(nèi)部熱量及時(shí)導(dǎo)出，然后再由排風(fēng)系統(tǒng)直接將熱量排出室外，而不是排到室內(nèi)，從而降低室內(nèi)空調(diào)的冷負(fù)荷，減少機(jī)房空調(diào)的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

自泄壓熱管；換熱器；節(jié)能；排風(fēng)系統(tǒng)

0 引言

隨著通信業(yè)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)房設(shè)備等能耗占社會(huì)總能耗比重越來越大。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負(fù)荷特性決定了其能耗水平與常規(guī)建筑不同。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的一項(xiàng)測試表明，一般商業(yè)建筑能耗為50-110W/m2，而數(shù)據(jù)中心的能耗為120-940W/m2，數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗占整體功耗約40%，是降低能源消耗的關(guān)鍵，具有很大的節(jié)能潛力[1-3]。

根據(jù)2015年3月23日工信部聯(lián)合國能源局、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局發(fā)布的《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案》（工信部聯(lián)節(jié)[2015]82號(hào)），指出我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅猛，總量已超過40萬個(gè)，年耗電量超過全社會(huì)用電量的1.5%，其中大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的平均電能使用率（PUE＝數(shù)據(jù)中心總能耗／IT設(shè)備能耗）仍普遍大于2.2，而目前美國數(shù)據(jù)中心平均PUE值已達(dá)1.9，先進(jìn)數(shù)據(jù)中心PUE已達(dá)到1.2，我國數(shù)據(jù)中心能效水平與國際先進(jìn)水平相比有較大差距[4-9]。

對(duì)企業(yè)而言，數(shù)據(jù)中心電費(fèi)已成為很大一筆開支，大幅侵蝕企業(yè)的經(jīng)營利潤。如中國聯(lián)通2012年?duì)I業(yè)收入407億美元，利潤僅為12億美元，但其電費(fèi)開支卻高達(dá)17億美元。

節(jié)能減排成為重要的行業(yè)責(zé)任和機(jī)房建設(shè)的未來趨勢。本文主要針對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房的以下兩個(gè)問題提出了一種節(jié)能解決方案。

（1）機(jī)柜散熱一直是數(shù)據(jù)中心重視的問題，如果設(shè)備過熱會(huì)給設(shè)備造成無法彌補(bǔ)的損害，造成數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)丟失無法恢復(fù)等嚴(yán)重問題，有的機(jī)房服務(wù)器內(nèi)的熱量不能及時(shí)散出，導(dǎo)致服務(wù)器工作效率不高，甚至不能正常工作。

（2）機(jī)房內(nèi)的散熱設(shè)備主要是服務(wù)器，而機(jī)房服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量先散到房間，然后再由機(jī)房空調(diào)將熱量消除，這樣將會(huì)增加機(jī)房空調(diào)的冷負(fù)荷，增加空調(diào)耗電量。而且如果機(jī)房空調(diào)不能及時(shí)排出熱量，機(jī)房溫度會(huì)越來越高。如果能將服務(wù)器內(nèi)CPU等部件產(chǎn)生的熱量不排在機(jī)房內(nèi)，而直接排到室外，將會(huì)大大降低機(jī)房空調(diào)冷負(fù)荷，從而降低空調(diào)的耗電量。不僅節(jié)約電費(fèi)，而且符合國家節(jié)能減排政策。

因此，本文提出了一種機(jī)房冷卻節(jié)能解決方案，是在機(jī)房空調(diào)冷量不變的前提下，增加導(dǎo)熱排風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心是新型自泄壓熱管散熱器，通過該散熱器將服務(wù)器內(nèi)部CPU、顯卡的熱量導(dǎo)出，然后再由排風(fēng)系統(tǒng)直接將熱量排出室外，而不是排到室內(nèi)，從而降低室內(nèi)空調(diào)的冷負(fù)荷，減少機(jī)房空調(diào)的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 服務(wù)器用自泄壓熱管換熱器工作原理

服務(wù)器用自泄壓熱管換熱器采用自泄壓熱管技術(shù)（“一種自泄壓熱管”專利號(hào)：201520347677.2），運(yùn)用自泄壓熱管的自泄壓散熱原理，結(jié)合翅片和風(fēng)扇的散熱手段，保證了熱管始終處在高速導(dǎo)熱工作狀態(tài)，該技術(shù)已經(jīng)取得國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計(jì)專利證書（專利號(hào)：ZL201620661501.9，ZL201630289098.7）。如圖1所示，上部分為自泄壓熱管，下部分是普通熱管，普通熱管起吸收熱量和傳輸熱量的功能，普通熱管的冷凝端①與自泄壓熱管的蒸發(fā)端③相連接，自泄壓熱管吸收普通熱管的熱量并通過翅片散熱，由于自泄壓熱管的蒸發(fā)端與普通熱管冷凝端接觸并進(jìn)行熱量傳遞，兩者的溫度接近（該溫度不高與自泄壓熱管內(nèi)工質(zhì)的相變溫度），普通熱管的蒸發(fā)端與發(fā)熱點(diǎn)溫度一致，因此，普通熱管的蒸發(fā)端與冷凝端的溫度不一致，普通熱管內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)過熱飽和現(xiàn)象，所以普通熱管始終處在高速熱量傳遞狀態(tài)，自泄壓熱管將吸收的熱量通過翅片，在風(fēng)扇的作用下加速熱量散發(fā)。

圖1 服務(wù)器用自泄壓熱管換熱器結(jié)構(gòu)簡圖

如圖2所示服務(wù)器用自泄壓熱管換熱器，冷凝端可分為多個(gè)自泄壓熱管（4～10根）組成，自泄壓熱管組的蒸發(fā)端可根據(jù)需要設(shè)置多個(gè)與服務(wù)器內(nèi)部散熱部件相連接吸熱，冷凝端與蒸發(fā)端采用小直徑紫銅管連接。紫銅管能彎曲，長度可根據(jù)CPU、顯卡的具體位置需要確定，能夠滿足各類機(jī)箱的電腦、服務(wù)器使用。

圖2 服務(wù)器用自泄壓熱管換熱器成品三維圖

2 服務(wù)器熱量排放方案

本方案不僅可解決熱量從服務(wù)器中散不出的問題，而且將熱量直接排出室外降低機(jī)房空調(diào)的能耗而節(jié)能。主要分兩步實(shí)施，首先將熱量從服務(wù)器內(nèi)部導(dǎo)出，然后再將每個(gè)服務(wù)器的熱量通過排風(fēng)管道排到室外。

2.1 將熱量從服務(wù)器內(nèi)部導(dǎo)出

在服務(wù)器中安裝自泄壓熱管換熱器，將自泄壓熱管換熱器的蒸發(fā)端與服務(wù)器內(nèi)部CPU、顯卡等散熱部件連接，將熱量及時(shí)導(dǎo)到冷凝端散熱，如圖3所示。冷凝端集中安裝在機(jī)柜一側(cè)或者頂部，便于連接管道。

圖3 自泄壓熱管散熱器從服務(wù)器內(nèi)導(dǎo)熱示意圖

2.2 將熱量直接從服務(wù)器排到室外

如圖4所示，將服務(wù)器內(nèi)部的熱量導(dǎo)到服務(wù)器一側(cè)或頂部，然后由風(fēng)管直接與每個(gè)服務(wù)器的散熱端連接將熱量直接排到室外，可大大減少空調(diào)負(fù)荷，減少耗電量，節(jié)約運(yùn)行成本。

根據(jù)機(jī)房的特點(diǎn)和所處位置，可以采用不同的排風(fēng)管布置形式。如圖4所示，通過排風(fēng)管與每個(gè)服務(wù)器的散熱端通過軟管連接，將每個(gè)服務(wù)器的熱量抽走，然后從房頂集中排走或者分別排到室外。

圖4 機(jī)房排風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2.3 方案的優(yōu)點(diǎn)

（1）利用新型自泄壓熱管散熱器可以將服務(wù)器內(nèi)部熱量及時(shí)導(dǎo)出，不至于熱量排不出致使服務(wù)器溫度過高而停機(jī)。目前服務(wù)器采用的散熱方式，散熱效率低下，而此自泄壓熱管散熱器導(dǎo)熱率至少提高10%。

（2）將服務(wù)器產(chǎn)生的熱量部分或者全部直接排到室外，不再排在機(jī)房內(nèi)，可以降低空調(diào)的冷負(fù)荷，降低能耗。目前機(jī)房服務(wù)器對(duì)機(jī)房空調(diào)的依賴很強(qiáng)，如果機(jī)房內(nèi)溫度控制的稍高，服務(wù)器內(nèi)部溫度就會(huì)增高，熱量不能及時(shí)排出。而本方案是直接將服務(wù)器的熱量排到室外，一不增加機(jī)房內(nèi)空調(diào)負(fù)荷，二不容易使熱量積聚在機(jī)房內(nèi)。

（3）機(jī)房擴(kuò)容不需要再增加空調(diào)負(fù)荷，同容量機(jī)房改造可降低空調(diào)能耗。本方案是將服務(wù)器內(nèi)部熱量直接排到室外，將大大降低空調(diào)的冷負(fù)荷，機(jī)房擴(kuò)容不需要增加空調(diào)設(shè)備，同容量機(jī)房按照方案改造后可以減少空調(diào)的耗電量。

（4）機(jī)房改造成本低，施工周期短。

3 結(jié)束語

本文為機(jī)房散熱方式提出了一種節(jié)能散熱方案，在現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一套導(dǎo)熱排風(fēng)系統(tǒng)，利用新型自泄壓熱管散熱器，將該散熱器應(yīng)用到機(jī)房服務(wù)器將內(nèi)部熱量導(dǎo)出，然后再由排風(fēng)系統(tǒng)直接將熱量排出室外，而不是排到室內(nèi)，從而降低室內(nèi)空調(diào)的冷負(fù)荷，減少機(jī)房空調(diào)的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

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One Total Solution of Energy Saving for Data Central Room Heat Dissipation

Sun Tiezhu1Mao Bin2

( 1.Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048; 2.Xi’an Quality Club Environmental Protection Equipment Co., Ltd, Xi’an, 710048 )

The heat coming from the server is directly into the room, and then the all heat is discharged by air conditioning, the heat emission way is not reasonable and the energy waste. So the energy saving solutions is proposed in this paper for data central room heat dissipation, that is air conditioning refrigeration - thermal exhaust. The heat is discharged from the server in time by new type automatic pressure release heat pipe radiator, and emitted directly outside by the exhaust system, rather than into the data central room, thus reducing indoor air conditioning cooling load, reduce the room of air conditioning energy consumption, to achieve the effect of energy conservation and emissions reduction.

automatic pressure release heat pipe; heat exchanger; energy saving; exhaust system

1671-6612（2018）01-068-03

TU831.6

B

孫鐵柱（1986-），男，在職博士，講師，E-mail：suntiezhu66@163.com

2017-05-08