熱管技術在數據中心的應用分析

劉明亮 郭豐

摘 要 熱管技術具有可充分利用自然冷源的特點，在數據中心應用熱管技術可有效降低PUE值。本文對數據中心應用熱管技術的方式進行了探討。

關鍵詞 熱管技術;數據中心;應用

前言

熱管技術是1963年美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實驗室的喬治格羅佛（George Grover）發明的一種稱為“熱管”的傳熱元件[1]，它充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管是實現數據中心高效自然冷卻的重要技術形式之一。在數據中心機房中的應用中已經得到了一定程度的推廣。

1熱管冷卻技術的原理

熱管是利用介質在熱端蒸發后在冷端冷凝的相變過程（即利用液體的蒸發潛熱和凝結潛熱），使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的液體，這種液體沸點低，容易揮發。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管一端為蒸發端，另外一端為冷凝端，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速汽化，蒸氣在熱擴散的動力下流向另外一端，并在冷端冷凝釋放出熱量，液體再沿多孔材料靠毛細作用流回蒸發端，如此循環不止。這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來[2]。

2熱管冷卻技術在數據中心的應用

熱管冷卻技術在數據中心的應用具體是采用“自然冷源”，或“自然冷源+強制制冷”的方式，通過小溫差驅動熱管系統內部循環工質的氣液形成自適應的動態相變循環，把信息機房內IT設備的熱量帶到室外，實現室內外無動力、自適應平衡的冷量傳輸。

2.1 回路熱管冷卻系統

回路熱管是熱管的一種形式，也稱重力分離熱管，在數據中心冷卻中得到了廣泛的應用。它是通過工質在室內外兩個換熱器中的相變傳遞能量，通過壓力差和重力回流作用在管道中實現氣液自然循環。整個系統通過制冷工質的自然相變流動將熱量從室內排到室外，無須外部動力，運行能耗相比機械制冷系統大幅降低。同時，環路熱管傳熱性能好，能夠在近似等溫的條件下輸送高密度熱量，且傳熱距離遠、啟動溫差小、布置靈活、結構簡單緊湊、可靠性高且非常適用于數據中心這類對環境和安全性要求很高的場合。室內換熱器可以以機柜背板的形式體現，也可以以列間空調的形式出現。通過全封閉連接管路中的工質自然循環進行熱傳遞，不直接引入室外空氣，保證機房室內空氣的潔凈度。室內末端循環工質為不燃、無毒、無腐蝕、常壓下為氣態的制冷劑，通過小溫差驅動換熱芯體中介質達到動態的氣液相變熱力平衡，實現數據中心內設備的節能冷卻，且保證無水進入機房，杜絕水浸機房的安全隱患，安全可靠。室內設備全顯熱換熱，無冷凝水產生，杜絕常規精密空調除濕、加濕同時進行這種不合理的費能現象。采用分布式自適應按需冷卻，根據機房實際需求，實現機柜級按需供冷的個性化溫、濕度調控。

某數據中心項目IT機柜數100臺，安裝了25臺高效熱管列間空調末端，4個封閉冷通道。自2015年至今運行良好，機柜進風、出風溫度在20℃～23℃，14℃供水、19℃回水工況下，工藝裝機滿負荷的空調末端PUE因子=0.0168（對比房間級的冷凍水精密空調末端PUE因子≈0.11），空調末端能耗下降明顯，節能效果大于30%。

熱管背板由外殼、風機、熱管換熱盤管、控制器、管道、制冷工質軟連接管等組成。熱管排熱背板與專用的通信機柜緊密結合，安裝在機柜后門，冷卻機柜。如下圖為背板安裝示意圖。

數據中心建設規模IT機柜超過3000個，采用熱管背板技術單機柜IT設備設計功率≥5kW，節能效果約7000kWh/（機柜.年），熱管背板PUE因子<0.022。

2.2 液泵輔助驅動熱管系統

重力型熱管空調系統要求室外機組的位置必須高于室內機組，然而很多場合難以滿足這種特定的要求，行業相繼推出帶有液泵驅動的復合空調產品，空調系統可根據室外環境溫度與室內負荷大小分別切換制冷模式、混合模式以及液泵循環模式，在很多地區場合得到了推廣運用，并實現了一定程度的節能。但該產品在壓縮機/液泵雙驅模式（混合模式）下，通過提高制冷量實現能效比提升，并非真正意義上的利用過渡季節的自然冷源，主要是因為液泵的運行本身帶來了能耗，如果壓縮機本身可以低壓比運行，膨脹閥具備寬幅流量調節功能，此時不運行液泵，能效比可以更高;并且在該溫度區間由于系統制冷量很大，容易出現液泵與壓縮機頻繁啟停的現象，這不僅增加能耗，也會使得高壓側的液泵頻繁啟停而損壞;同時在長配管、高落差工況下，液泵揚程不足，制冷性能衰減，故而該產品仍具有一定不足。

液泵驅動熱管系統主要由冷凝器（室外側）、蒸發器（室內側）、液泵、儲液罐和風機組成，通過管路連接起來，將管內部抽成真空后充入冷媒工質。如圖4所示，系統運行時，由液泵將儲液罐中的低溫液體冷媒工質輸送到蒸發器中并在蒸發器中吸熱相變汽化，之后進入冷凝器中放熱，被冷凝成液體，回流到儲液罐中，如此循環，從而將室內的熱量源源不斷轉移到室外，達到為數據機房冷卻散熱的目的。

液泵驅動熱管系統在數據中心中的應用主要以列間和房間級冷卻形式為主，根據制冷量、安裝空間和現場的實際情況，其室內機和室外機可以選擇一臺或者多臺。

2.3 氣泵（壓縮機）驅動回路熱管冷卻系統

圖5所示的氣泵（壓縮機）驅動的回路熱管，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，可以調節壓縮機的壓縮比，使其滿足小壓比制冷運行的要求;而在室外溫度低于室內溫度時，可以運行于熱管模式，壓縮機只提供氣體流動所需要的動力，實現高效自然冷卻。

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，說明變頻轉子壓縮機作為氣泵使用具有很高的節能效益。

3結束語

充分利用自然冷源，是降低數據中心PUE的重要手段。熱管冷卻系統在利用自然冷源方面具有得天獨厚的優勢。在工業和信息化部發布的《綠色數據中心先進適用技術目錄》中，也有多項熱管冷卻技術產品入選。預計各類型熱管冷卻技術產品將會得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1] 屠傳經，謝國興.熱管發展簡史[J]能源工程，1984（4）：60-61.

[2] 馬永昌，張憲峰.熱管技術的原理、應用與發展[J]變頻器世界， 2009（7）：70-75.