熱管空調(diào)系統(tǒng)在高發(fā)熱密度數(shù)據(jù)機(jī)房的應(yīng)用

何智光，李震，施峻，林燁敏，項(xiàng)敏

（1.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084；2.河北清華發(fā)展研究院，廊坊 065000；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，麗水 323000）

數(shù)據(jù)機(jī)房是信息行業(yè)發(fā)展的重要支撐，是集中擺放大量服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等IT設(shè)備的特殊建筑，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換、管理的服務(wù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)機(jī)房全年不間斷的運(yùn)行模式使其年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為普通商業(yè)建筑的3倍，設(shè)備的密集擺放使其用能量大而集中，單位面積能耗可達(dá)普通辦公建筑的100倍［1］。數(shù)據(jù)機(jī)房不僅單體用能量巨大，而且數(shù)量眾多，包括運(yùn)營(yíng)商、銀行、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的大型服務(wù)器和交換機(jī)中心、政府和各企事業(yè)單位的信息中心。隨著以信息技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命的高速推進(jìn)與發(fā)展，近年來全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)機(jī)房的數(shù)量和規(guī)模急劇增長(zhǎng)，能源消耗也與日俱增，因此如何解決高發(fā)熱密度數(shù)據(jù)機(jī)房的散熱問題和機(jī)房節(jié)能已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重要關(guān)注點(diǎn)。

目前，數(shù)據(jù)處理設(shè)備正向著小型化甚至微型化的方向發(fā)展，設(shè)備的密集度逐漸增加帶來設(shè)備的散熱密度也急劇增加，單機(jī)柜最大發(fā)熱量已超過10kW。傳統(tǒng)集中式送風(fēng)冷卻系統(tǒng)由于存在冷熱氣流摻混等問題，已經(jīng)難以滿足如此高的散熱要求。而熱管空調(diào)技術(shù)為高發(fā)熱密度機(jī)房提供了一種有效的解決辦法，它不僅具有高效的傳熱性能，而且采用分離式的布置方式具有布置靈活、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱以及縮短換熱環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)目前數(shù)據(jù)機(jī)房的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，指出了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在高發(fā)熱密度機(jī)房的使用中存在的不足，并對(duì)熱管空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究，給出了熱管空調(diào)系統(tǒng)在機(jī)房的具體使用方案，并實(shí)際改造某一北京機(jī)房進(jìn)行測(cè)試。

1 數(shù)據(jù)機(jī)房發(fā)展現(xiàn)狀

近三十年來，信息量的迅猛增長(zhǎng)對(duì)IT設(shè)備的性能提出越來越高的要求，伴隨著各種小型化甚至微型化的高性能數(shù)據(jù)處理設(shè)備（如刀片式服務(wù)器）的普及，機(jī)房IT設(shè)備的散熱密度急劇升高，目前高端單片CPU的滿負(fù)荷散熱密度高達(dá)75W/cm2。圖1［2］給出了近年來不同架構(gòu)尺寸的高端服務(wù)器單片CPU功耗和散熱密度的變化。從圖中可以看出，隨著CPU架構(gòu)的小型化，其散熱密度越來越高，尤其是采用多核心CPU的緊湊型服務(wù)器，其滿負(fù)荷發(fā)熱密度可以超過100W/cm2。

圖1 高端服務(wù)器單片CPU功率和散熱密度演變

圖2［3］將二十年來各類常用的機(jī)房IT設(shè)備在滿配置時(shí)的散熱密度用不同顏色條帶標(biāo)注出來，條帶寬度表示該類IT設(shè)備在常見負(fù)載率內(nèi)的散熱密度變化范圍。從圖2中可以看出，在各類機(jī)房IT設(shè)備中，通信類散熱密度最高，在2004年以后其滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的峰值超過了80kW/m2。即便是散熱密度最低的磁帶是存儲(chǔ)設(shè)備，其滿配置時(shí)的平均值也達(dá)到了2kW/m2。按照信息機(jī)房常見機(jī)架布置密度和負(fù)載率估算，一般大型機(jī)房在正常運(yùn)行時(shí)單位建筑面積發(fā)熱量大約在500～2000W左右，即散熱密度為500～2000W/m2，并且是全年不間斷散熱。因此信息機(jī)房的散熱密度和散熱量都遠(yuǎn)高于有一定作息規(guī)律的普通辦公建筑（～100W/m2）和大型公共建筑（～200W/m2）。

圖2 常用機(jī)房IT設(shè)備散熱密度演變

由此可見，信息設(shè)備正逐步向著密集化發(fā)展，服務(wù)器散熱密度急劇增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)機(jī)房正逐步成為高發(fā)熱密度建筑。隨著發(fā)熱密度的增加，機(jī)房熱源不均勻程度將進(jìn)一步增加，局部熱點(diǎn)現(xiàn)象將更加普遍，為了保證IT設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)提出了更高層次的要求。在高發(fā)熱密度的情況下，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)必須具備更優(yōu)的制冷能力并盡可能減弱或消除局部熱點(diǎn)現(xiàn)象。此外，隨著制冷量的增加，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗將進(jìn)一步增加，如何解決節(jié)能問題也是高發(fā)熱密度機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)

當(dāng)前廣泛使用的數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)主要為集中式送風(fēng)冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用較好的為下送風(fēng)形式，該空調(diào)系統(tǒng)通過機(jī)械制冷的冷媒冷卻機(jī)房回風(fēng)的熱空氣至送風(fēng)狀態(tài)，空調(diào)送風(fēng)由地板靜壓箱經(jīng)架空地板送風(fēng)口將冷量輸送到各個(gè)機(jī)柜入口對(duì)服務(wù)器進(jìn)行冷卻，經(jīng)過換熱，熱空氣回流至空調(diào)箱完成空氣循環(huán)。

采用集中式下送風(fēng)冷卻方式不可避免地會(huì)造成機(jī)房?jī)?nèi)部冷熱氣流摻混，如圖3所示。空調(diào)送風(fēng)的冷空氣可能沒有進(jìn)入機(jī)柜換熱，而直接回到空調(diào)箱造成冷氣短路；機(jī)柜排風(fēng)的熱空氣可能回流至機(jī)柜入口，與機(jī)柜進(jìn)風(fēng)的冷空氣進(jìn)行摻混，造成熱風(fēng)回流。其中冷氣短路造成冷量的浪費(fèi)，而熱風(fēng)回流會(huì)引起機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度不同程度的上升，影響服務(wù)器換熱效果。其次由于冷熱摻混和機(jī)房本身的熱源不均勻性容易形成局部熱點(diǎn)。為了滿足每個(gè)機(jī)柜送風(fēng)達(dá)到換熱要求的溫度，則必須降低整體的送風(fēng)溫度或者增加送風(fēng)量，從而進(jìn)一步增加冷機(jī)和風(fēng)機(jī)的能耗。

圖3 集中式下送風(fēng)冷卻系統(tǒng)示意圖

隨著數(shù)據(jù)機(jī)房散熱密度的提高，集中式送風(fēng)冷卻系統(tǒng)發(fā)展了冷熱通道隔離的方法以抑制冷熱氣流的摻混，降低機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度，提高冷量利用效率。當(dāng)單機(jī)柜發(fā)熱功率進(jìn)一步增加，集中式送風(fēng)冷卻系統(tǒng)只能通過加大送風(fēng)量實(shí)現(xiàn)機(jī)房溫度的控制，然而加大風(fēng)量所帶來的風(fēng)機(jī)能耗增加成為集中式送風(fēng)冷卻系統(tǒng)在高發(fā)熱密度機(jī)房應(yīng)用的限制。

3 熱管空調(diào)系統(tǒng)

熱管是一種成熟、可靠、高效的傳熱元件。根據(jù)熱管的結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和分離式兩類，其中分離式熱管具有整體式熱管的高導(dǎo)熱性能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱，具有裝置適應(yīng)性和密封性好、安裝靈活，蒸發(fā)端和冷凝端的換熱面積可調(diào)整等諸多優(yōu)點(diǎn)［4］。

數(shù)據(jù)機(jī)房熱管空調(diào)系統(tǒng)是基于分離式熱管的數(shù)據(jù)機(jī)房自然冷源利用設(shè)備［5］。如圖4所示。該系統(tǒng)由室內(nèi)蒸發(fā)端、室外冷凝端、上升管和下降管組成。其工作原理是通過強(qiáng)制對(duì)流換熱，機(jī)房回風(fēng)將熱量傳遞給蒸發(fā)端，管內(nèi)液體冷媒吸熱后蒸發(fā)成蒸汽，在壓差作用下通過上升管進(jìn)入室外冷凝端，在冷凝端將熱量釋放到室外環(huán)境，蒸汽冷凝成液體在中立作用下回流至室內(nèi)蒸發(fā)端實(shí)現(xiàn)循環(huán)。該空調(diào)系統(tǒng)在室外環(huán)境溫度較低的時(shí)候可通過室內(nèi)外溫差實(shí)現(xiàn)循環(huán)排熱，實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷。在室外溫度較高時(shí)，可通過將冷凝端與冷機(jī)結(jié)合，通過冷機(jī)制造溫差實(shí)現(xiàn)機(jī)房排熱，若將冷機(jī)更換為可利用自然冷源的制冷設(shè)備，則可實(shí)現(xiàn)全年對(duì)機(jī)房進(jìn)行散熱。

圖4 數(shù)據(jù)機(jī)房熱管空調(diào)系統(tǒng)示意圖

采用分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)機(jī)房散熱需求靈活安裝室內(nèi)蒸發(fā)端，將蒸發(fā)端安裝在機(jī)房冷通道或直接安裝在機(jī)柜柜門上，可實(shí)現(xiàn)就近排熱，縮短機(jī)房換熱環(huán)節(jié)，減少冷熱氣流摻混。并可根據(jù)不同區(qū)域的熱源分布不同，調(diào)節(jié)蒸發(fā)端的送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)冷量按需分配，消除局部熱點(diǎn)。此外，采用分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行溫度控制可取消架空地板和靜壓箱的設(shè)定，減少機(jī)房初期投資。

4 熱管空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

對(duì)北京市某機(jī)房進(jìn)行熱管空調(diào)系統(tǒng)改造，該機(jī)房平面圖如圖5所示，本次改造測(cè)試針對(duì)服務(wù)器機(jī)房1號(hào)室、2號(hào)室、3號(hào)室共計(jì)77個(gè)機(jī)柜，占地面積215m2（包括對(duì)應(yīng)空調(diào)間）。機(jī)房原制冷系統(tǒng)主要由空調(diào)間的4臺(tái)精密空調(diào)和安裝在3號(hào)室的2臺(tái)精密空調(diào)完成。此次改造測(cè)試選擇定制熱管空調(diào)系統(tǒng)，在空調(diào)間放置一臺(tái)熱管空調(diào)的蒸發(fā)端，在3號(hào)室的兩臺(tái)精密空調(diào)間放置2臺(tái)熱管空調(diào)的蒸發(fā)端。配置熱管的額定總制冷量為55kW。改造布置圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試機(jī)房平面圖

在2月10日至13日，分別就兩種測(cè)試工況（熱管空調(diào)開、熱管空調(diào)關(guān)）進(jìn)行機(jī)房的用電量測(cè)試，分析其節(jié)能效果，并根據(jù)北京市氣象參數(shù)，推測(cè)機(jī)房改造后全年運(yùn)行的節(jié)電量。具體工況測(cè)試時(shí)間和工況說明如表1所示。

表1 測(cè)試工況說明

測(cè)試期間數(shù)據(jù)機(jī)房始終處于要求的溫度范圍內(nèi)，未發(fā)生報(bào)警情況。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。IT設(shè)備電表變比為80，空調(diào)系統(tǒng)電表變比為60，其中空調(diào)系統(tǒng)電表測(cè)量的是空調(diào)和熱管的總用電量。測(cè)試結(jié)果表明，工況1下空調(diào)系統(tǒng)日均用電量為619.2度/天，其中精密空調(diào)546.2度/天，熱管空調(diào)73.0度/天；工況2下空調(diào)系統(tǒng)日均用電量1060.8度/天。因此熱管運(yùn)行時(shí)相比于熱管關(guān)閉時(shí)空調(diào)系統(tǒng)日均節(jié)電量為441.6度/天，日均節(jié)電率41.6%。

表2 用電量測(cè)試數(shù)據(jù)表

當(dāng)室外溫度不大于13℃時(shí)，熱管空調(diào)系統(tǒng)額定冷量輸出運(yùn)行；當(dāng)室外溫度處于13℃至18℃之間時(shí)，熱管空調(diào)系統(tǒng)部分冷量輸出運(yùn)行。根據(jù)北京市典型氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)，室外溫度不大于13℃的全年小時(shí)數(shù)為4276小時(shí)；室外溫度不大于18℃的全年小時(shí)數(shù)為5414小時(shí)。則可預(yù)測(cè)全年節(jié)電率約為20.3%～25.8%。

5 結(jié)論

隨著數(shù)據(jù)機(jī)房的發(fā)展，其散熱密度和規(guī)模均不斷增加，如何高效節(jié)能地實(shí)現(xiàn)機(jī)房散熱已成為數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)集中式送風(fēng)冷卻方式在面對(duì)高發(fā)熱密度機(jī)房時(shí)，只能以增加能耗為代價(jià)對(duì)機(jī)房進(jìn)行溫度控制，同時(shí)難以避免氣流摻混，無法進(jìn)行冷量按需分配，容易造成局部熱點(diǎn)，冷卻效果不佳。而熱管空調(diào)系統(tǒng)因其靈活的安裝特性和高效的傳熱性能可實(shí)現(xiàn)機(jī)房冷量按需分配，就近排熱，縮短傳熱距離，提高傳熱效率，減少換熱溫差。同時(shí)熱管空調(diào)系統(tǒng)對(duì)自然冷源的充分利用可產(chǎn)生巨大的節(jié)能效益。

通過對(duì)北京某數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行實(shí)際改造測(cè)試，驗(yàn)證了熱管空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的可行性，測(cè)試期間日均節(jié)電率41.6%，預(yù)測(cè)全年節(jié)電率可達(dá)20.3%～25.8%。具有良好的應(yīng)用前景。