CO2分離式熱管在數據中心的應用

佟 振 李曉瑞

(青島理工大學環境與市政工程學院 青島 266033)

隨著互聯網計算機技術的快速發展，我國數據中心需求量呈現急速增長的態勢。數據中心散熱量大且相對集中，空調系統需要全年不間斷供冷，這使得數據中心空調系統能耗巨大。由于傳統數據中心空調系統存在明顯的缺點，在節能方面具有較大的潛力。

分離式熱管是一種高效傳熱設備，在數據中心空調系統中的應用逐漸發展成熟[1-4]，錢曉棟等[5-6]研究發現，分離式熱管空調系統具有較高的能效比和較大的節能潛力。金鑫等[7]研究了分離式熱管型機房空調的性能，發現該系統能有效控制發熱機柜出口出風溫度，保證機房設備運行穩定。

目前，數據中心熱管系統多采用R22、R134a、R410A等氟代烴制冷劑，考慮到環保性，有學者[8-9]將CO2作為替代工質，研究其用于數據中心熱管系統的性能。除了天然環保的特性，CO2還具有較好的流動和傳熱性能，與常規制冷劑相比， CO2的管內沸騰和凝結換熱系數明顯更高[10-11]，且流動壓力損失更低[12-13]。由此可見，CO2具備替代氟代烴制冷劑應用于數據中心熱管系統的潛力。

本文將通過具體實驗測試，對比CO2熱管與傳統R22熱管的性能差異，從最大傳熱能力、正常工作負荷范圍、傳熱熱阻等方面分析CO2熱管的性能優勢。在此基礎上，結合某數據中心案例與不同地區的氣候條件，將CO2熱管系統與傳統的集中送風空調系統和R22熱管系統進行對比，計算分析CO2熱管應用于數據中心的節能潛力。

1 實驗測試

實驗采用相同的熱管系統，對CO2和R22兩種工質進行對比測試。雖然R22屬于逐漸淘汰的氟代烴制冷劑，但在過去應用較多，關于其熱物性參數和傳熱性能的研究也較為深入，因此選取R22作為代表，與CO2進行對比研究。

1.1 實驗系統及測試方法

圖1所示為實驗裝置。熱管蒸發器為多通道并聯的結構，將厚銅板內的孔道作為熱管工質的流道，孔道內徑為4 mm。蒸發器采用電加熱板進行加熱，加熱功率可通過調節調壓器實現不同的實驗工況。熱管冷凝器由內徑為4 mm的銅管并聯構成，將冷凝器置于水箱中，利用冷水機組提供的冷水對其進行冷卻，冷水機組出口接電加熱器，通過調節電加熱器來控制水箱的進口水溫。蒸發器和冷凝器的傳熱面積基本相同，約為0.42 m2，冷凝器和蒸發器之間的高差為1.23 m。熱管的絕熱管段(上升管和下降管)內徑相同，分別進行了9 mm絕熱管段和12 mm絕熱管段兩種不同熱管結構的實驗測試。為了觀測管內工質的流動狀態及氣液分布情況，在蒸發器出口和下降管垂直管段的底部各安裝了一段透明管段，除透明管段外，熱管的上升管、下降管、水箱、電加熱板等其余部分均做了良好的保溫措施。

圖1 實驗裝置

表1所示為不同實驗工況的參數范圍。本實驗中選定不同工況下熱管的充液率均為100%(充液率指熱管內充入的液體工質體積與熱管蒸發段容積之比)，傳熱量大小通過調節加熱板的功率實現。

表1 實驗工況參數范圍

1.2 誤差分析

表2所示為實驗使用的儀器精度。利用冷凝側冷水的進出口溫差及水流量可以計算得到熱管的傳熱量，根據儀器的測量誤差分析得到該傳熱量的測試誤差為3.58%[14]。

根據能量平衡關系可知，熱管蒸發側吸熱量應等于熱管冷凝側放熱量，因此，可將冷凝側計算得到的傳熱量與蒸發側的電加熱功率進行對比，對實驗測試的結果進行能量平衡校核。由于熱管傳熱過程存在不可避免的熱量損失，水溫、流量等的測試也存在一定誤差，因此，實測蒸發側加熱量與冷凝側放熱量之間存在一定偏差。圖2所示為能量平衡校核。由圖2可知，除個別傳熱量較小的工況，絕大多數實驗工況相對誤差在10% 以內，數據可靠性較高。后文分析中，將以蒸發側的電加熱功率作為熱管的實際傳熱量。

表2 實驗儀器精度

圖2 能量平衡校核

2 CO2熱管與R22熱管的性能對比

2.1 最大傳熱能力對比

隨著傳熱量由小到大的變化，CO2熱管先后經歷了預啟動運行、周期性波動運行和穩定運行三種不同的運行狀態[15]，而在本實驗工況范圍內，R22熱管只經歷了預啟動運行和穩定運行兩種狀態，兩種工質下熱管的運行狀態分布如圖3所示。預啟動運行狀態下，管內工質沒有形成有規律的循環流動，上升管頂部易出現過熱；周期性波動運行狀態下，管內工質的流動呈周期性振蕩，熱管的運行參數也呈周期性變化；穩定運行狀態下，管內工質形成穩定而有規律的循環流動，此時，熱管沿程無明顯溫差，直至傳熱量超過熱管的最大傳熱能力，管內開始出現過熱或過冷。因此，熱管的正常工作狀態應滿足兩個條件:1)熱管處于穩定運行狀態；2)熱管的傳熱量沒有超過其最大傳熱能力。

圖3 不同傳熱量下熱管運行狀態(d=9 mm)

實驗中，可以通過測量熱管蒸發器的進出口溫差判斷得到熱管的最大傳熱能力，當熱管實際的傳熱量超過其最大傳熱能力時，管內工質將出現過熱或過冷，由于單相換熱的存在，此時蒸發器進出口將會出現較為明顯的溫差。圖4所示為9 mm和12 mm兩種管徑下CO2熱管和R22熱管蒸發器進出口的平均溫差。由圖4可知，當上升管和下降管管徑為9 mm時，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力分別為3.3 kW和1.5 kW，CO2熱管的最大傳熱能力明顯高于R22熱管;當上升管和下降管管徑為12 mm時，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力均有所提高，分別為5.4 kW和2.2 kW。相同的熱管結構下，CO2熱管依然具有較大的傳熱能力。

圖4 熱管最大傳熱能力對比

結合熱管的運行狀態變化和其最大傳熱能力，可以進一步得到熱管的正常工作負荷范圍。當上升管和下降管直徑為9 mm時，CO2熱管和R22熱管的正常工作負荷范圍分別為1.2～3.3 kW和0.5～1.5 kW，可知，CO2熱管的正常工作負荷范圍更大。當熱管實際傳熱量低于其正常工作負荷范圍時，熱管將出現預啟動運行、周期性波動運行等非正常運行狀態；而當熱管實際傳熱量高于其正常工作負荷范圍時，熱管將超出其最大傳熱能力，出現管內工質的過熱或過冷，影響傳熱效率。

2.2 熱管系統總傳熱熱阻對比

在一定的傳熱量下，熱管系統的總傳熱熱阻越小，傳熱性能越好。在本實驗中，熱管的總熱阻包括3個部分:電加熱板與蒸發器之間的導熱熱阻、冷凝側水的對流換熱熱阻、熱管內部的傳熱熱阻。在相同的實驗條件下，蒸發側電加熱熱阻和冷凝側水的對流換熱熱阻基本不受管內工質種類的影響，管內工質種類主要影響熱管內部的傳熱熱阻。圖5(a)所示為CO2熱管和R22熱管總傳熱熱阻隨傳熱量的變化，可以看出，R22熱管的總傳熱熱阻比CO2熱管更高，這是因為相同條件下，CO2的管內沸騰和凝結換熱表面傳熱系數明顯高于R22。圖5(b)所示為CO2熱管和R22熱管所需驅動溫差隨傳熱量的變化，在不同傳熱量下，CO2熱管的驅動溫差比R22熱管平均低約4 ℃，即在相同的條件下，CO2熱管系統所需的冷源溫度可以提高近4 ℃。

圖5 熱管性能對比

3 數據中心使用熱管的節能分析

與數據中心中應用較為廣泛的集中送風空調系統相比，分離式熱管系統可以顯著改善室內氣流組織，減少甚至避免冷熱氣流的摻混，從而提高冷源溫度，提高系統能效。由前文分析可知，相同傳熱量下，CO2熱管所需的驅動溫差小于R22熱管，因此兩者所要求的冷源供水溫度也不同，可知CO2熱管應用于數據中心將比R22熱管更為節能。

本文以一小型數據機房為例，對比分析CO2熱管系統、R22熱管系統和傳統集中送風空調系統的能耗情況。該機房內設備的總散熱功率為2 400 kW，空調系統在一年中根據氣候條件采取自然冷卻和機械制冷兩種模式切換運行，當采用傳統集中送風空調系統時，根據實際調研數據，假設機械制冷模式下的平均電源使用效率 (power usage effectiveness，PUE)為1.68，自然冷卻模式下的平均PUE為1.48。PUE的各部分構成情況如表3所示。

對于集中送風空調系統，由于機房內存在冷熱氣流的摻混，在保證IT設備進風溫度不高于27 ℃的情況下，實際的精密空調送風溫度一般需保持在15～16 ℃，此處，假設精密空調送風溫度為16 ℃，空調系統冷源側供水溫度按9 ℃計算。相對而言，當采用分離式熱管系統時，由于將熱管蒸發器直接安裝在各個機柜上就近排熱，避免了冷熱氣流的摻混，因此，所需的冷源供水溫度可以有所提高。表4所示為各系統溫度分布，在相同的IT設備進風溫度下，R22熱管的工作溫度(管內工質的飽和溫度)約為21 ℃，所需的冷源供水溫度按14 ℃計算。根據2.2小節的實驗結果可知，在同樣的傳熱量下，CO2熱管系統所需的驅動溫差比R22熱管低約4 ℃，按此溫差進行估算，則CO2熱管的工作溫度為23 ℃，冷源供水溫度為18 ℃。

表3 PUE各部分組成

CO2熱管系統、R22熱管系統和集中送風空調系統的冷源溫度不同，因此，三種系統的冷水機組運行能耗也不同。參考集中送風空調系統各部分電耗比例[16]，以及冷水機組在不同蒸發溫度下的COP[17]，計算出三種系統在機械制冷模式下的各部分耗電功率，如表5所示。其中，根據實際調研數據，熱管系統末端的風機電耗約為集中送風空調系統精密空調風機電耗的25%。設三種系統下數據機房電力損耗與照明等其他部分的電耗均相同，計算可得機械制冷模式下，R22熱管的PUE為1.596，降低了5.0%；CO2熱管的PUE為1.580，降低了6.0%。自然冷卻模式下兩種熱管系統的PUE均為1.400，降低了4.2%。

表4 各系統溫度分布

表5 機械制冷模式下空調系統各部分耗電功率情況

對于不同的室外氣候條件，提高冷源供水溫度導致的空調能耗降低程度不同，本文以上海地區為例，進一步對比分析集中送風空調系統、R22熱管系統及CO2熱管系統全年能耗情況，以及CO2熱管系統的節能潛力。

圖6所示為上海市典型年室外濕球溫度。相比集中送風空調系統，R22熱管系統的冷源供水溫度提高了5 ℃，其全年自然冷卻模式運行時間可延長1 350 h；CO2熱管系統的冷源供水溫度提高了4 ℃，其全年自然冷卻模式運行時間可進一步延長1 000 h。

圖6 上海市典型年室外濕球溫度

圖7所示為上海市3種系統的全年耗電量，其中，CO2熱管系統相比R22熱管系統節能9.11%，可節省電量7.425×105kW·h；CO2熱管系統相比集中送風空調系統節能39.05%，全年可節省電量3.182×106kW·h。從節能和經濟角度而言，數據中心采用CO2熱管系統具有較為明顯的優勢。

圖7 各系統全年耗電量

4 結論

本文利用同一結構尺寸的熱管系統對CO2和R22兩種工質進行了實驗測試，對比分析了兩種工質熱管的性能差異，并以典型數據中心和上海氣候條件為例，計算分析了CO2熱管應用于數據中心的節能潛力。得到如下結論：

1)相同的熱管結構尺寸下，CO2熱管最大傳熱能力明顯高于R22熱管，當上升管和下降管管徑為9 mm時，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力分別為3.3 kW和1.5 kW；當管徑為12 mm時，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力分別為5.4 kW和2.2 kW，故CO2熱管更適合于傳熱負荷較高的場合。

2)當上升管和下降管直徑為9 mm時， CO2熱管和R22熱管的正常工作負荷范圍分別為1.2～3.3 kW 和0.5～1.5 kW，CO2熱管正常工作負荷范圍比R22熱管大，說明在實際負荷發生變化時，CO2熱管的適應能力較強，不易出現非正常運行狀態。

3)相同的熱管結構尺寸下，CO2熱管的總傳熱熱阻小于R22熱管，故在傳熱量一定的情況下，CO2熱管所需的驅動溫差更小，不同傳熱量下，其驅動溫差比R22熱管平均低約4 ℃，CO2熱管系統的傳熱效率更高。

4)相比數據中心的傳統集中送風空調系統和R22熱管系統，因CO2熱管所需的冷源溫度較高，其全年自然冷卻模式運行時間有所延長，即使在機械制冷模式下，其運行能耗更低,在上海地區，數據中心CO2熱管系統相比集中送風空調系統的年節電量高達3.182×106kW·h。