熱管背板空調應用的改進設想

吳 劍，方元昌，郭清江

（1.中國電信泉州分公司，福建 泉州 362000；2.中國電信福建公司，福建 福州 350000；3.中國通服福建設計院，福建 福州 350000）

0 引 言

隨著網絡架構扁平化以及網際互連協議（Internet Protocol，IP）化，傳統機房設備安裝呈現混雜化。不同功率密度的設備隨機交叉安裝，導致機房不斷出現零星機柜過熱現象。受歷史因素影響，機房往往無成熟條件滿足大功率精密空調安裝需求。這種情況下，背板式熱管空調是一種與服務器機柜相匹配，不僅貼合獨立機柜要求近熱源冷卻的高效制冷，而且能滿足個別高熱密度機柜散熱需求。因此，該產品成為解決傳統機房個性化散熱需求的有效方案。

1 熱管空調簡介

1.1 空調原理

空調主要通過制冷劑的物態循環變化伴隨的可持續性吸熱與放熱周期循環特性來實現室內外的熱量搬運。通信機房內風冷空調常見的制冷劑是氟利昂，氟利昂的特性是由氣態變為液態時釋放大量的熱量，而由液態轉變為氣態時會吸收大量的熱量。風冷式機房空調也根據此原理設計。制冷循環實現的壓焓如圖1所示[1]。

圖1 制冷循環實現的壓焓圖

壓縮機將氣態的制冷劑壓縮為高溫高壓的氣態制冷劑，然后送到冷凝器散熱后成為常溫高壓的液態制冷劑，室外機吹出熱風。然后液態制冷劑經毛細管，進入蒸發器。由于制冷劑從毛細管到達蒸發器后空間突然增大，壓力減小，液態的制冷劑就會汽化，變成氣態低溫的制冷劑，從而吸收大量的熱量，蒸發器就會變冷，室內機的風扇將室內的空氣從蒸發器中吹過，室內機吹出冷風[2]。

1.2 熱管空調原理

熱管空調基于普通風冷式空調進行發展，同樣需要通過制冷劑的物態循環變化產生的可持續性吸熱與放熱周期循環特性來實現室內外的熱量搬運，只是熱管采用一種導熱性能極高的被動傳熱元件。利用相變原理和毛細作用，使得它本身的熱傳遞效率比同樣材質的純銅高出幾百倍到數千倍。通過采用特殊機制，省去壓縮環節，充分吸收外界熱量，來實現制冷劑持續周期性的物態循環變化，從而大大降低機房空調的電功耗。

熱管是一根真空的銅管，里面注入的工作液體是熱傳遞的媒介。熱管壁上有吸液芯結構。依靠吸液芯產生的毛細力，使冷凝液體從冷凝端回到蒸發端。因為熱管內部抽成真空以后，在封口之前再注入液體，所以熱管內部的壓力由工作液體蒸發后的蒸汽壓力決定。只要加熱熱管的表面，工作液體就會蒸發。蒸發端蒸汽的溫度和壓力都稍稍高于熱管的其他部分，因此熱管內產生了壓力差，促使蒸汽流向熱管內較冷的一端。當蒸汽在熱管壁上冷凝時，蒸汽放出汽化潛熱，從而將熱傳向了冷凝端。之后，熱管的吸液芯結構使冷凝后液體再回到蒸發端。只要有熱源加熱，這一過程就會循環進行[3]。

當陽光射在真空管內的吸熱片上，熱管內的制冷劑受熱沸騰汽化，蒸汽不斷沖向頂部的冷凝端，在冷凝端冷凝變成液體，冷凝的制冷劑沿管壁流回熱管的蒸發段，完成一個循環。這種在一端吸熱汽化而在另一端凝結放熱，通過內部相變實現熱量傳遞的熱管，稱為重力熱管。熱管的內部沒有吸熱芯，凝結的液體從凝結段回流到蒸發段是依靠凝結液自身的重力，不需要外部動力而自動循環，這就是熱管式真率管的集熱過程。由于熱管依靠重力使工質循環，在使用中必須將蒸發段置于凝結段的下方。若蒸發段置于凝結段的上方，重力對凝結液的回流會起阻礙作用，這時沒有動力使凝結液返回到蒸發段，熱管就不能工作。因此熱管可以稱之為單向傳熱的熱二極管[4]。

1.3 熱管背板空調

熱管背板空調在熱管空調的基礎上進一步發展而來，通過將室內蒸發器規格研制成與標準19英寸機柜相匹配來滿足高功率機柜的散熱需求。

1.4 熱管背板空調的常規應用模式及拓展

為滿足業務設備的散熱需求，傳統熱管背板空調運行通常存在兩種模式。一是采用熱管、壓縮機與室外風冷冷凝器三合一架構；二是采用熱管、板換與室外水冷相變冷卻塔三合一架構。

1.4.1 熱管背板空調加裝壓縮機

在傳統熱管背板空調加裝壓縮機，并選用相關特性合適的冷媒劑，通過壓縮機工作強迫實現熱管內冷媒的循環流動，提升冷媒的冷凝壓力與溫度，實現高熱密度設備機架的制冷需求。

1.4.2 熱管背板空調加裝板換與室外水冷相變冷卻塔

熱管背板空調通過加裝板換與室外水冷相變冷卻塔來滿足供冷問題。在25 ℃環境中，水的比熱容約為空氣的4倍，即空氣上升4 ℃多的熱量才能令相同質量的水溫度上升1 ℃，因此作為導熱和吸熱介質，水要比空氣優越[5]。系統通過水蒸發冷卻降低冷凝溫度，自然蒸發實現冷卻水與空氣的熱交換，板換實現水與冷媒的熱交換，冷媒、蒸發器實現與設備熱交換。

1.4.3 熱管背板空調應用模式改進設想

通信機房通過機房精密空調實現對設備的供冷。機房精密空調在進行制冷運行的同時也存在除濕效應，空氣中的飽和水蒸汽遇到室內蒸發器后就會凝結成水滴，匯集到空調接受盤后，順著機房的排水管排至室外。這些冷凝水溫度通常在18 ℃左右，比常規市政自來水溫度低。在業務設備規模較大的綜合機房，機房精密空調的冷凝水匯集數量可觀，將這種可觀的潛冷量再利用，通過進一步降低水冷相變冷卻塔的冷凝溫度，提升熱管背板空調的制冷效率[6]。

1.4.4 幾種應用模式對比

幾種應用模式對比如表1所示。

表1 幾種應用模式對比

2 測試情況

根據上述設想，在某機房嘗試機房精密空調冷凝水潛冷量再利用測試，整個測試系統主要包括室內熱管背板、室外板換和水冷相變冷卻塔。室內機與室外機溝通采用冷媒，冷媒與室外空氣換熱采用板換，而室外相變冷卻塔進水采用“市政常溫自來水補水”和“市政常溫自來水進水+回收蒸發器冷凝水雙重補水”兩種方式進行。

本次測試的空調室外機采用水冷相變蒸發式冷卻塔進行換熱，利用其他空調室內蒸發器冷凝水對室外相變冷卻塔進行二次降溫，有效提升夏季高溫天氣熱管背板空調的制冷效率。在低位處設置儲水水箱，通過適當排水管路改造將原有大樓多臺空調的冷凝水排水匯集至新設置儲水水箱，并通過水泵與控制系統將匯集的冷凝水輸送至熱管空調室外相變冷卻塔進一步降低冷卻水溫度。具體冷凝水系統與熱管背板如圖2所示、冷凝水回收裝置如圖3所示[7]。

圖2 冷凝水與熱管背板系統

圖3 冷凝水回收裝置

2.1 測試方案

由于本次測試只用了一臺熱管背板和熱管列間空調，機房中還有其他制冷設備，在本測試節能對比中采用空調器的制冷性能系數（Energy Efficiency Ratio，EER）、全年能效比（Annual Energy Efficiency Ratio，AEER)、冷卻水補水量和冷凝水冷量來進行對比分析，通過EER、冷卻水補水量和冷凝水冷量的大小可以明顯體現該方案的節能性。

為了測試本項目熱管空調的節能性，通過如下測試步驟來對機組的運行狀態進行測試：一是測量熱管的進風干球溫度和相對濕度，計算進風干濕球溫度；二是測量熱管的出風干球溫度和相對濕度，計算出風干濕球溫度；三是測量風機的轉速，計算機組的風量；四是測量冷凝水流量；五是測量熱管的輸入功率；六是測量蒸發式冷凝器的輸入功率。

通過測量的進出風干球溫度和相對溫度，可以計算出進出風的干濕球溫度，配合機組的風量就可以計算出熱管空調的制冷量，根據制冷量和熱管及冷凝器功率的對比可以計算出EER的大小。根據室內的冷負荷可以計算出冷卻水的補水量，結合測量的冷凝水流量，可以得到冷凝水占總補水量的百分比。根據補水量和冷凝水流量分別計算總共需要的冷量以及冷凝水提供的冷量，由此得到冷凝水的冷量所占的百分比。由于熱管的制冷量的大小與室外環境溫度是強相關的，因此在數據測量時需要進行一個長周期的連續測試[8]。

2.2 測試結果

室外環境溫度直接影響熱管的制冷量，考慮到室外氣溫從早到晚會有較大變化，為了比較冷凝水回收利用方案的節能性，本項目對未設置冷凝水回收方案與回收利用方案分別進行了測試，測試過程中每隔3 h記錄一組數據而且持續一周時間。為簡化計算，每天測試室數據僅呈現該天不同時段8次測試數據的平均值。熱管背板測試數據如表2所示，增設冷凝水回收利用節能方案的熱管背板測試數據如表3所示。

表2 熱管背板測試數據

表3 增設冷凝水回收利用節能方案的熱管背板測試數據

由于該項目主要驗證熱管背板+蒸發器冷凝水補水至室外相變冷卻塔的節能性，因此對于熱管列間的測試僅僅測試了2021-09-25和2021-10-02的數據。2021-09-25熱管列間測試數據如表4所示，2021-10-02增設冷凝水回收利用節能方案的熱管列間測試數據如表5所示。

表4 2021-09-25熱管列間測試數據

表5 2021-10-02增設冷凝水回收利用節能方案的熱管列間測試數據

3 節能分析

3.1 氣象參數

通過中國氣象網查詢2021年9月20日—2021年9月26日的氣象參數，如表6所示，可以看到這一周的氣象參數比較接近。以2021年9月25日的曲線來近似表示這一周的溫度變化。通過2021年9月25日溫度變化曲線查出，在各個測試點室外環境的溫度值，并統計出在一天的時間內不同的環境溫度值的持續時間。

表6 測試階段氣象參數

3.2 EER計算

3.2.1 制冷量計算

在本測試中制冷量由熱管背板制冷量和熱管列間制冷量組成，熱管背板制冷量數據如表7所示，增設冷凝水回收利用節能方案的熱管背板制冷量數據如表8所示，熱管列間制冷量數據如表9所示，系統總制冷量如表10所示，增設冷凝水回收利用節能方案的系統總制冷量如表11所示。

表7 熱管背板制冷量數據（單位：kW）

表10 系統總制冷量（單位：kW）

表11 增設冷凝水回收利用節能方案的系統總制冷量（單位：kW）

3.2.2 補水量計算

根據測量可以計算得到蒸發器冷凝水平均流量為0.003 2 m3/h。根據室內的冷負荷可以計算所需冷卻水流量，熱管背板承擔的冷負荷7.10 kW，熱管列間承擔的冷負荷10.50 kW。冷卻水流量計算公式為

式中：G為冷卻水流量，m3/h；3.6為m3/h與L/s流量換算系數；1.3為換熱比；N1為熱管背板承擔的冷負荷，kW；N2為熱管列間承擔的冷負荷，kW；C為水的比熱；T0為出水溫度，℃；Ti為入水溫度，℃。

補水流量計算公式為

式中：G2表示補水流量，m3/h。

回收的空調冷凝水占比M1的計算公式為

回收的空調冷凝水占了冷卻水補水量的5.4%，減少了冷凝器的補水量。

3.2.3 冷凝水冷量計算

冷卻水降溫所需的冷量為

式中：Q1為所需冷量；W1表示24 h補水流量。

冷凝水提供的冷量為

式中：Q2為冷凝水提供的冷量；W2為24 h冷凝水流量；T1為冷凝水溫度。

則冷凝水提供的冷量占總冷量的百分比M2為

由式（6）計算結果可知，冷凝水所蘊藏的冷量占比非常明顯，將冷凝水回收利用，充分體現了節能。

3.2.4 功率計算

該測試中的功率由3個部分組成，熱管背板功率、熱管列間和蒸發式冷凝器，根據測試結果來看，這3個部分的功率隨著室外溫度的變化不明顯，可以近似認為是一定值。

熱管背板功率計算公式為

式中：P1為熱管背板功率；I為相電流；U為相電壓。

熱管列間功率計算公式為

式中：P2為熱管列間功率；I為相電流；U為相電壓。

冷凝器功率計算公式為

式中：P3為冷凝器功率；I為相電流；U為線電壓；0.8為功率因數。

總功率計算公式為

3.2.5 EER的計算

EER等于制冷量與輸入功率的比值，不同工況下的計算結果如表12所示。增設冷凝水回收利用節能方案的EER計算結果如表13所示。

表12 EER計算結果

表13 增設冷凝水回收利用節能方案的EER計算結果

由于熱管的制冷量主要與室內外工況有關，機房室內工況變化相對較小，為了計算方便假設室內工況不變，只考慮室外工況對制冷量的影響。考慮不同測試時間點室外環境溫度的持續時間，采用加權平均的方式可以計算加權平均EER的大小，結果如表14所示。

表14 EER平均計算結果

沒有回收利用冷凝水之前的EER加權平均值為7.14，通過該方案計算出來的加權平均值相比原先的方案提高了8.68%，說明冷凝水的回收利用提高了能效比。

3.3 AEER的計算

通過測試數據顯示，在測試的一周時間內熱管背板和熱管列間的制冷量只有額定制冷量的50%，根據現場測量結果和軟件計算可以得出各月的制冷量，從而計算出各月的能效比，如表15所示。

表15 AEER計算

兩種方案的加權平均得出AEER分別為9.84與10.09，增設冷凝水回收利用的方案能效比提高了2.96%，而壓縮機系統的全年能效比只在3.5～4。

4 結 論

通過以上測試數據可以得出，采用規模收集其他機房空調蒸發器冷凝水為熱管背板的戶外水冷相變冷卻塔進行補水降溫，相比于采用市政自來水補水降溫，可以有效解決老舊綜合機房的局部熱島問題，進一步提升熱管背板在高熱密度場景的可用性，在自身節電同時，也會降低機房其他風冷空調的壓縮機運行時間。該設想對本來浪費的自然冷源進行低碳梯次利用，同時也提升系統自身制冷效率。因此，采用蒸發器冷凝水回收再利用進行節能改造的設想是可行的。