數據機房分離式熱管系統應用分析

管一鳴，臧國健，佟 振

(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

目前，分離式熱管在國內數據機房已經得到了應用，常見的系統形式為機柜級熱管系統，即熱管蒸發器安裝在各個機柜的后背板上，通常是多個蒸發器并聯的形式，室外側共用一個或幾個冷凝器。分離式熱管在數據中心空調系統中的應用逐漸成熟，錢曉棟、金聽祥[1-2]等研究發現，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[3]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。劉歡等[4]以某數據機房為模型進行CFD模擬，獲得了分離式熱管機房內部的溫度場分布。羅銘等[5]通過實驗對熱管背板系統散熱性能進行了研究。ZHANG Hainan等[6]針對數據機房提出了一種分離式熱管與機械制冷的復合系統，當室內溫度設定為27 ℃時，年節能率為5.4% ～ 47.3%。

調研發現，目前在數據機房應用較多的機柜級熱管系統，運行情況不甚理想。機柜級熱管系統可以直接跟機房進行換熱，制冷終端采用與機柜一體化設計，能在不占用機房空間的情況下解決制冷能力不足和未來服務器擴容受限的問題。但管內工質的過熱過冷現象非常普遍，這樣不僅會引起熱管系統局部過熱，還限制了系統能效的進一步提高。由于實際應用中，各機柜的發熱量難以保證完全相同，有時候甚至差異較大，如果熱管系統無法通過流量的自調節滿足各蒸發器的負荷需求，某些蒸發器就可能因流量不足而出現管內過熱過冷的問題。對此，本文將對比分析機柜級熱管和列間式熱管系統的應用效果及適用性，并提出合理建議。

1 機柜級分離式熱管系統

數據機房中應用較多的系統形式為圖1所示的機柜級熱管系統，每個熱管的蒸發器對一個機柜進行冷卻，熱管蒸發器的數量與機柜的數量相同，因此，需要多個蒸發器并聯連接，室外側則共用一個或幾個冷凝器。熱管內的工質依靠重力作用循環流動，在蒸發器中吸熱沸騰，在冷凝器中放熱凝結。

圖1 機柜級分離式熱管系統

1.1 熱管自調節性能

文獻[7]利用如圖2所示的雙蒸發器并聯的分離式熱管實驗系統，對熱管的自調節性能進行了實驗測試，結果表明，當2個蒸發器的加熱負荷不均勻時，2個蒸發器之間的流量分配情況并不理想，雖然負荷較大的蒸發器流量略大于負荷較小的蒸發器，但熱管系統無法實現流量的按需分配，當2個蒸發器的負荷比從1∶1變化到15∶1時，其流量比僅從1∶1變化到1.67∶1，可見，當熱管系統各蒸發器之間負荷不均勻時，熱管系統的自調節能力非常有限，其流量分配情況無法滿足各蒸發器的需求，尤其當各蒸發器之間負荷差異較大時，負荷較大的蒸發器往往因流量不足而出現蒸發器出口過熱的現象。

1.2 實測案例

北京市某數據機房采用了機柜級分離式熱管系統，機房已投入運行接近1年時間，熱管系統中采用R22作為工質。針對機房中某一排11個機柜進行了現場測試，11個機柜的蒸發器共同連接一臺冷凝器，采用異程式連接方式，如圖3所示，上升管從各蒸發器頂部接出，下降管接到各蒸發器底部。分別對冷凝器的進口、出口，及各臺蒸發器的進口、出口工質溫度進行了測試，同時，利用功率計測量了每臺機柜的功率，以此作為各臺機柜的發熱功率。由于熱管系統的管材為紫銅，導熱系數較高，因此在進行管內工質溫度測試時，直接將溫度傳感器貼于管壁進行測試，在良好的保溫條件下，認為管內工質溫度近似等于管壁溫度。

圖3 分離式熱管系統連接示意

實測11個機柜的發熱功率及熱管蒸發器的進、出口溫度如圖4所示。11個機柜中有4個機柜未擺放任何電子設備，其發熱功率為0，另外7個機柜的發熱功率各不相同，其中最大功率2596 W，最小功率858 W。測得冷凝器的出口溫度為12.3 ℃，而各蒸發器的進口溫度最低13.0 ℃，最高15.6 ℃，各蒸發器的進口溫度均高于冷凝器出口溫度，且各蒸發器的進口溫度之間存在最大2.6 ℃的差別。其原因主要有2個：①工質從冷凝器向蒸發器流動的過程中，由于管路較長，與周圍環境存在熱交換，產生了一定的溫升；②在多蒸發器并聯的分離式熱管系統中，由于各蒸發器所在環路的阻抗不同，各蒸發器的負荷差別較大，其管內工質的流動傳熱情況非常復雜，一方面各蒸發器之間的流量分配較為復雜，另一方面管內工質在流動傳熱過程中可能出現局部回流的現象，因而使得各蒸發器進口溫度出現較大差異。各蒸發器出口溫度中，最低17.0 ℃，最高22.3 ℃，從圖4中可以看出，各蒸發器的出口溫度均高于進口溫度，尤其對于負荷最大的8號機柜蒸發器，其進出口溫差達到了9.3 ℃，說明熱管的運行情況較不理想，其管內工質在流動傳熱過程中出現了較為明顯的過熱或過冷現象。總的來看，發熱功率較大的機柜，其蒸發器的出口溫度也較高，但對于發熱功率較小的機柜，其運行情況也并不理想，蒸發器出口仍存在明顯的過熱，這可能是由于來自相鄰機柜蒸發器出口的工質回流導致的。實測冷凝器的進口溫度為17.6 ℃，冷凝器的進、出口溫度之間也存在5.3 ℃的差異，也能反映出熱管在運行過程中的過熱過冷現象較為突出。

2 列間式分離式熱管系統

列間式熱管系統與機柜級熱管系統的區別在于，列間式熱管系統是將熱管蒸發器布置在各個列間空調內，而不是各個機柜上，各列間空調內的蒸發器相互并聯，共用一個或多個冷凝器。列間式熱管系統在數據機房的布置方式如圖5所示，由于列間空調的數量明顯少于機柜的數量，因此在該系統下，熱管系統中并聯的蒸發器的個數大大減少了。由于幾臺列間空調共同承擔整個熱通道的負荷，因此，相比于機柜級熱管系統，列間式熱管系統中各蒸發器的換熱面積更大，風量更大，承擔的負荷也更大。

在數據機房內各個機柜發熱量不均勻的情況下，為了分析每臺列間空調所承擔的負荷大小，采用Airpak軟件建立了一個數據機房的三維數值模型，列間空調與機柜的布置方式以及各個機柜的發熱量大小如圖5所示。4排機柜按照冷、熱通道排列，其中冷通道封閉，列間空調穿插布置于機柜之間。冷通道內溫度較低的氣流從各個機柜的進風側進入機柜，帶走機柜內產的熱量后，溫度較高的氣流排至熱通道，而列間空調則從熱通道內吸入溫度較高的氣流，經冷卻后將溫度較低的氣流送至冷通道。數據機房長12.4 m、寬9.4 m、高3.9 m，單臺機柜及列間空調的尺寸均為長1.2 m、寬0.6 m、高2 m，機房內共有8臺列間空調和28臺機柜，各機柜中發熱量最小的為1 kW，發熱量最大的為5 kW，差異較為明顯。機房內的初始溫度設置為25 ℃，機房、機柜及冷通道的壁面均假設為絕熱壁面，經過各個機柜的風量相同，均為0.24 m3/s。各個列間空調的風量相同，且機房內所有列間空調的總風量與所有機柜的總風量相等，據此得到每臺列間空調的風量為0.83 m3/s。設定列間空調的送風溫度為20 ℃。機柜和列間空調的進出風口均為整個立面。

圖5 列間空調平面布置

經過模擬計算，得到該數據機房1.5 m高度的溫度場分布如圖6所示。由圖6可以看出，發熱量較大的機柜，其排風溫度較高，雖然不同機柜的排風溫度相差較大，但不同溫度的氣流在熱通道中經過了一定程度的摻混，因而，實際各臺列間空調進風溫度之間的差別有所減小。圖7給出了機房內8臺列間空調所承擔的負荷及進風溫度，雖然不同機柜之間的發熱量最大相差5倍，但經過熱通道中的混合后，各臺列間空調所承擔的負荷最大僅相差1.5倍，可見，與采用機柜級熱管系統相比，列間式熱管系統可顯著改善熱管系統各蒸發器負荷的均勻性，從而在熱管系統自調節能力有限的情況下，改善熱管系統的整體運行狀態，減少管內出現過熱過冷的現象。

圖6 數據機房1.5 m高度溫度場分布

3 分析與討論

在實際工程中，數據機房內的機柜數量較多，若采用機柜級熱管系統，每個機柜上都需要一個獨立的蒸發器，系統中并聯的蒸發器個數也往往較多，當各個機柜的發熱量差別較大時，熱管系統的運行情況較不理想，管內很容易出現明顯的過熱過冷現象，從而造成熱管系統的局部熱點以及系統傳熱效率的降低。因此，從熱管系統高效、穩定、安全運行的角度出發，應盡可能使相互并聯的蒸發器之間負荷均勻，但在數據機房的實際應用中往往難以滿足，因此，當數據機房內各個機柜的發熱量差別較大時，應優先采用列間式熱管系統作為分離式熱管系統的應用形式，采用列間式熱管系統，一方面，并聯的蒸發器個數減少了，另一方面，由于不同機柜的排風在熱通道中進行混合后再進入列間空調，因此，列間空調(即各蒸發器)的進風溫度差別較小，從而使得熱管系統中各并聯蒸發器之間的負荷較為均勻，有效減少了因各蒸發器負荷差別較大而帶來的流量分配不合理及過熱過冷現象。

除此之外，機柜級熱管系統與列間式熱管系統還存在氣流組織的差別，相比之下，機柜級熱管的蒸發器更靠近熱源，冷、熱氣流不易出現摻混，氣流組織更優。而對于列間式熱管系統，要想達到接近機柜級熱管系統的氣流組織，就需要嚴格做好冷通道的封閉，且機柜上不應存在連通冷、熱通道的空隙，機柜上如有未擺放設備的空位，應加裝盲板。

4 結論

本文結合實驗結論、工程實測及模擬仿真，研究了分離式熱管應用于北京某數據機房的系統形式，針對機柜級熱管系統和列間式熱管系統，分析了兩者的應用效果及適用性。通過研究發現，對于數據機房中所采用的多蒸發器并聯的熱管形式，由于熱管系統對于管內流量分配的自調節能力有限，當各蒸發器之間負荷差別較大時，熱管系統的運行情況較不理想，蒸發器進出口溫差最大達到了9.3 ℃，負荷較大的蒸發器出口容易出現局部過熱。因此，當各個機柜的發熱量差別較大時，數據機房不宜采用機柜級熱管系統，而應優先選擇列間式熱管系統。模擬結果顯示，列間式熱管系統可以顯著改善各蒸發器負荷的均勻性，當不同機柜之間的發熱量最大相差5倍時，經過熱通道中的混合后，各臺列間空調所承擔的負荷最大僅相差1.5倍，且相比機柜級熱管系統，其蒸發器數量減少，更有利于改善熱管系統的運行狀態，減少局部熱點，提高換熱效率。