熱管技術在數據中心冷卻系統中的應用

摘要：指出了全球數據中心總量已超過300萬個，數據中心的增加帶來了對能源的巨大需求，特別是其冷卻系統，占數據中心總能耗的40%;目前全球數據中心的電力消耗總量已經占了全球電力使用量的1.3%。從數據中心熱管冷卻系統的工作原理及應用等方面時數據中心熱管冷卻系統進行了全面的綜述，分析了熱管技術在數據中心冷卻系統中的應用和研究現狀，探討了傳統冷卻系統存在的問題，并提出今后的潛在的發展方向。

關鍵詞：數據中心;熱管;冷卻系統;節能減排

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944 （2019） 24-0187-02

1 引言

隨著科技的進步，電子信息系統機房IT設備高度集成化，其能源效率偏差以及機房散熱量日漸趨高的現象開始受到了業界強烈關注。據權威部門統計，我國高端服務器集中的通信行業耗電在2007年就已達到200億kW.h以上，信息產業儼然已經成為一個高能耗行業。

數據中心作為功能空間，包含數據服務器、計算設備、空調系統和電力設備在運行期間會消耗大量能源。特別是空調系統，占數據中心總能耗的40%[1]。根據最新的能源統計數據，目前全球數據中心的電力消耗總量已經占據了全球電力使用量的3%。因此，降低數據中心散熱系統的能耗，改變當前的高耗能模式，已經成為當前數據中心運營商迫切需要解決的問題。

2 數據中心冷卻系統熱管技術介紹

2.1 熱管結構

常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（包括管壁和端蓋），內部空腔內有少量工作介質（工作液）和毛細結構（管芯）;根據是否具有毛細結構的熱管，可將熱管分為重力輔助熱管和毛細熱管。根據所需的工作溫度，可以為熱管選擇不同類型的工作流體，例如水、丙酮、甲醇或制冷劑等。

2.2 熱管工作原理

當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體在沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環，使熱量從一端傳遞到另一端。

在這一熱量轉移的過程中，具體包含了以下6個相互關聯的過程：熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到蒸發段內的液一氣分界面;液體在蒸發段的液一氣分界面上蒸發;蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流向冷凝段;蒸汽在冷凝段內的液一氣分界面上凝結;熱量從冷凝段內的液一氣分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;在吸液芯內由于毛細力（或重力）作用使得冷凝后的工作液體回流到蒸發段。

3 熱管技木在數據中心冷卻系統中的應用

目前，國內外在熱管技術方面研究相對成熟，使得熱管在電力電子設備冷卻和太陽能光熱轉換技術中已經得到較好應用。在數據中心IT設備散熱冷卻方面，熱管冷卻技術的研發情況如下。

金鑫[2]等人介紹了分離式熱管型機房空調，并對其進行了實驗研究。在室外環境平均溫度為20℃時，分離式熱管和普通空調一起提供機房所需的冷量，此時分離式熱管型空調系統穩定運行時的COP可達4.66～13.9，其耗電量僅為原始機房空調系統耗電量的37. 6%，節電率達62. 4%，節省了大量能量。冬季時，機房所需的冷量僅靠分離式熱管提供，其節能效果更佳顯著。

田浩[3]等人提出了一種基于環路熱管技術的、應用于高顯熱密度環境排熱的分布式冷卻方案，該方案將多級環路熱管整合在機柜內部，將芯片熱量在機柜內部就地排走。而且由于整個排熱過程在機柜內部完成，這從根本上杜絕了傳統的靜壓箱送風室內回風模式產生的諸多氣流組織問題。他們改造了北京某信息機房空調，經過前后數據對比，新排熱系統的效率是原系統的3～4倍，能耗降低了41%。

周峰[4]等人研制了利用自然冷源的熱管換熱器，將其用于IDC機房的散熱，并對北京地區冬季工況下，熱管換熱器和空調各自的散熱特性和能耗負荷進行了試驗研究。IDC機房使用熱管換熱器后，模擬研究全年節能約47%，試驗表明室內溫度不超過22℃，室內外溫差不超過20℃，無需開啟空調器，能耗僅為空調能耗的41%，通過技術改進可以控制在1/3左右，則全年將節能40%，既能夠滿足散熱需求，又能夠有效降低空調能耗。

馬國遠[5]等人對某小型數據中心散熱用泵驅動回路熱管換熱機組的運行性能進行研究，擬合出其換熱特性曲線，并通過擬合曲線對其進行節能性分析，其分析結果表明，在過渡季節及冬季，當室外溫度低于15℃時，采用氟泵系統對數據中心機房進行散熱能滿足室內負荷要求并具有良好的節能效果，與之前的采用空調散熱相比節省電能至少達到36. 57%。

凌麗[6]研究了數據機房用微通道分離式熱管換熱特性及其節能潛力，并建立了一個利用湖水源的水冷多聯分離式熱管系統。對該系統和傳統數據機房空調系統的節能率進行對比分析，由于該系統利用湖水源免費冷卻，全年72%的時間可以完全利用湖水源對數據機房進行免費冷卻，28%的時間可以利用湖水源對數據機房進行部分免費冷卻，其節能率可高達64. 82%。

李奇賀[7]等人介紹了熱管式機房空調機組的工作原理和技術特征，并做了性能實驗。在室內外溫差達到5℃以上時，機組即可投入運行，承擔部分或者全部機房制冷負荷，能效比高;當室內外溫差為5～24℃時，機組能效比達3. 63～10. 64，換熱溫度效率達65.6%～44. 0%。冬季可以代替蒸氣壓縮式機房空調制冷，節能效果顯著。

劉歡[8]對分離式熱管散熱系統在數據機房的應用進行了實驗分析。在室內外溫差為26.5℃時，制冷量為8kW，實際COP達到9.7，理論COP可達17.6，與相同工況下的傳統空調相比，其節能率能達到39. 20%。分離式熱管系統具有顯著的節能效果，可有效適用于數據中心、通信基站等高熱密度建筑的散熱。

4 結語

現有熱管技術可以幫助數據中心節能降耗，具有很多的優勢，但是仍存在以下問題：現有的圓形熱管與IT設備外表面的結合是一個難題;熱管冷凝端釋放的熱量仍排人數據中心內部空間，數據中心內的冷負荷并沒有減少，還是需要靠空調散熱冷卻，起不到節能減排的作用。部分熱管需要外加動力進行驅動。

針對以上問題，提出一種基于數據中心冷卻及余熱回收的微通道平板環路熱管系統，該系統具有以下幾個優點：平板熱管可與IT設備外表面的緊密貼合，有利于加強傳熱效果;蒸發端與冷凝端通過蒸汽輸送管道和液體回流管道連接成微通道平板環路熱管系統，可將冷凝端放置在數據中心外，從而降低數據中心內部空間的冷負荷;還可將冷凝端的熱量作為生活熱水的熱源，回收數據中心服務器散發的熱量，達到節能減排的目的;

整個系統利用重力以及微通道毛細結構提供的毛細力進行傳熱循環，無需任何外力驅動。

開發基于數據中心余熱回收系統的、適用于高熱密度電子及大功率高頻開關電源設備的微通道平板環路熱管，平板熱管與IT設備緊密貼合，IT設備產生的熱量通過導熱的形式直接將熱量傳遞給熱管，熱管通過內部工作流體將熱量傳遞到冷凝端進行散熱，機架無需預留對流散熱空間;將有效地增大機架的使用空間，可適當增加機架內IT設備的數量，提升機架密度，降低數據中心建造成本;還可提高設備運行效率和安全性，實現設備高效散熱及余熱回收再利用，為數據中心建筑節能減排技術的發展提供支撐，具有重要的應用價值和顯著的節能效益。

參考文獻：

[1]H Zhang，S Shao，H.Xu， et al.Free cooling of data centers：Areview， Renew. Sustain[J]. Energy Rev.， 2014，35：171-182.

[2]金鑫，瞿曉華，祁照崗，等.分離式熱管型機房空調性能實驗研究[J].暖通空調，2011， 41（9）：133-136.

[3]田 浩，李震，基于環路熱管技術的數據中心分布式冷卻方案及其應用[J].世界電信，2011，24（10）：48-52.

[4]周峰，田 昕，馬國遠.IDC機房用熱管換熱器節能特性試驗研究[J].土木建筑與環境工程，2011，33 （1）：111-117.

[5]馬國遠，魏川鋮，張雙，等.某小型數據中心散熱用泵驅動回路熱管換熱機組的應用研究[J].北京工業大學學報，2015，41（3）：439-445.

[6]凌麗，數據機房用微通道分離式熱管換熱特性及節能研究[D].長沙：湖南大學，2017.

[7]李奇賀，黃虎，張忠斌.熱管式機房空調性能實驗研究[J].暖通空調，2010，40（4）：145-148.

[8]劉歡，基于分離式熱管的數據中心散熱系統設計與能效分析[D].北京：中國科學院大學（中國科學院工程熱物理研究所），2017.

收稿日期：2019-11-21

作者簡介：鄭思明（1995-）.男，碩士研究生，研究方向為數據中心節能減排。