熱管背板技術在傳統機房中的應用分析

朱 亮

（寧夏通信規劃設計院（有限責任公司），寧夏 銀川 750001）

1 概 述

傳統機房采用同一朝向的機柜布置方式，機柜前后排“級聯加熱”現象嚴重，已經成為導致設備進風口溫度過高的重要因素。隨著通信設備集成度的日益提高，機房內設備的功率密度越來越高，機房內局部過熱已成為一個比較突出的問題。日常運行中，很多機房的空調系統并未達到滿負載狀態，機房內卻存在過熱現象。其中，送風方式不合理是造成機房內部局部過熱的重要原因。設備安裝朝向無法輕易改動，運行中的機房無法安裝架空地板，但熱管背板技術可以解決機房高密度和機房局部過熱的問題。

2 項目研究背景

某傳輸機房無架空地板，空調送風方式為風帽上送風。隨著傳輸網IP化改造，大量無源DDF架退網，規劃為數據設備安裝區域。該區域后期安裝了20架服務器機柜，單機架功耗為5 kW，同時，為滿足該區域環境制冷，機房內安裝了2臺80 kW空調機組，送風方式為單側風帽上送風。運行過程中，距空調遠端的服務器機柜出現高溫告警，風溫度在40 ℃左右。由于熱傳導效應，高溫影響到相鄰列的傳輸設備，造成1架傳輸機架高溫宕機，業務中斷。為暫時解決局部過熱問題，維護人員增加了2臺離心風機。

目前，解決局部高熱問題常用的解決方案包括列間空調+冷通道、吊頂式空調和熱管背板等。列間空調需要改變現有機柜布局，吊頂式空調易產生冷凝水，熱管背板技術既不需要改變現有機柜布局，也不會產生冷凝水，且具有成熟的安全措施。因此，選擇熱管背板解決機房高熱問題[1]。

3 工作原理

熱管背板系統分為室內部分和室外部分，如圖1所示。室內部分包括熱管空調末端及管道、配點和控制等配套設施。室外為冷源部分，整套系統提供冷量，可分為自然冷卻模塊、主動制冷模塊以及與室內末端換熱的中間換熱單元（DCU）。熱管背板工作時，利用制冷劑存在溫差和高度差引起的重力差，驅動制冷劑工質的自然相變循環流動，冷水分配控制單元與熱管背板之間進行熱交換，從而帶走機房熱量。熱管背板與換熱單元熱量傳遞過程中，無需壓縮機和水泵等動力部件參與，降低了制冷系統能耗[2]。

圖1 熱管背板系統流程

4 工程應用

4.1 項目建設規模

4.1.1 機房室內配置分析

機房有20臺服務器機柜，單機柜負載5 kW，單臺背板額定制冷量5 kW，最大制冷量可達7 kW，單機柜冷量冗余40%，滿足機房機柜制冷需求及冗余需求。具體參數如表1所示。

表1 熱管排熱背板規格參數

由于采用熱管排熱背板系統時，機房的整體環境為制冷環境，氣流組織如圖2所示，因此選用20臺熱管排熱背板才能滿足機房機柜的降溫排熱需求。

圖2 熱管背板氣流組織

4.1.2 室外配置

室外冷機選型應在滿足機房熱管背板空調系統制冷量需求的前提下，盡量采用自然冷源，降低機房PUE值。本方案選用3臺風冷式冷水機組，單臺制冷量60kW，2用1備。另外，配置3臺自然冷卻風冷模塊，單臺制冷量60kW，與冷水機組一一對應，用于春秋過渡季節和冬季供冷。工程系統原理圖如圖3所示，配置優勢如下。

第一，室外冷凍水系統配置具有兩套相對獨立的制冷系統（風冷式冷水機組和自然冷卻風冷模塊），冬季及過渡季節可采用室外自然冷源為機房提供冷量，降低能耗。第二，室外冷凍水系統與室內熱管空調系統通過水冷式冷凝器（DCU）進行熱交換，杜絕冷凍水進入機房，提高機房的安全性。第三，室外冷凍水供回水溫度設置為14/19 ℃，避免系統產生冷凝水。第四，冷凍水系統風冷式冷水機組、自然冷卻風冷模塊和冷凍水循環泵一對一配置，2用1備，杜絕設備單點故障。

4.2 運行模式

熱管背板系統運行模式如表2所示[3]。

表2 熱管背板系統運行模式

第一，熱管模式。當室外溫度較低，且室內溫度低于設定上限時，機組自檢，進入熱管模式。此時，室內外風機開啟，壓縮機停止運行，制冷劑液體在熱管蒸發器內吸熱蒸發成氣態，沿氣體連接管上升，進入熱管冷凝器后冷凝成液體，再沿液體連接管返回蒸發器，按自然循環運行，達到室內降溫的目的。

第二，制冷模式。當室內溫度達到設定溫度上限時，開啟壓縮機，進入制冷模式。制冷模式利用中間板式換熱器將系統分為兩部分運行，一部分是熱管蒸發器和板換組成熱管系統，一部分是制冷式冷凝器、板換、壓縮機和膨脹閥等組成一套制冷系統。通過制冷系統運行，將中間板換的熱管系統的制冷劑冷凝成液態，通過液管進入熱管蒸發器蒸發成氣態。熱管模式與制冷模式獨立運行，互不影響。

圖3 工程系統原理

4.3 制冷效果

改造前：氣流組織混亂，2臺空調全力工作，不能滿足主設備制冷需求，機房局部溫度高達40 ℃以上。

改造后：經現場測試，完全達到預期目標，極大改善了機房氣流組織，能夠實現按需制冷，機房局部高溫由40 ℃以上降到30 ℃以下，有效解決了大功率機柜發熱量大造成機房局部過熱的難題。

4.4 節能量計算

傳統80kW風冷型精密空調的耗電量為25kW，機房原有2臺80kW的空調，全年耗電量（kW·h）為：

采用熱管背板系統的耗電量如表3所示。

表3 熱管背板系統耗電量計算表

節能率（%）為：

改造后機房內原有的2臺80kW空調機組全部停機，20臺服務器機柜全部采用熱管背板進行制冷。

4.5 傳統機房中的應用

傳統機房往往存在空調氣流組織改造難度大、施工困難、設備安裝朝向統一、熱傳導效應明顯、機房高低無法增加和防靜電地板等因素，導致機房局部過熱，給維護人員增加了維護壓力。熱管背板技術解決了這一問題[4]。第一，貼近熱源，制冷效果明顯。熱管背板直接安裝在服務機柜背面，直接帶走服務器排出的熱量，機房環境溫度不受影響。第二，增加機房的利用率。熱管背板不需要獨立的空調安裝區域或空調機房，機房利用率可以提高20%以上。第三，解決了局部過熱問題。

很多傳統機房因主設備負荷不均勻、末端空調布置不合理和氣流組織不暢等，經常出現局部過熱問題，影響機房使用。背板空調安裝在每個機架的背面，能夠有效解決局部過熱問題。

5 結 論

本文綜述了熱管背板系統的組成、工作原理、工作模式和工程應用等方面，重點介紹了該系統的節能量計算及節能分析，并得出該系統的應用范圍，以實現持續降低碳排放，保證運營商降本增效。