風冷式熱管背板空調系統在DC化改造中的應用

孫 紅，朱 斌，李 軍

（1.中國電信股份有限公司泰州分公司，江蘇 泰州 225300；2.中國電信股份有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210037）

1 現階段傳統機房設備現狀及存在的問題

1.1 機房機柜局部熱島

機房主要是高功耗核心通信設備（高端路由器、OTN、交換機及NFV 一體化服務器柜等），機房散熱大，有些高密度設備的機柜造成了局部熱島，影響了機房運行能效。耗能且降低核心通信設備的能力。

1.2 機房PUE值高

機房層高4.3 m，無架空地板，原空調系統為風冷精密空調加風管送風到列間，再加兩臺柜機輔助降低機房環境溫度；單機架最大負載約為80 A 54 V，約合4.3 kW。存在問題：原空調系統不能滿足制冷需求，存在局部熱島問題，前期進行了其中一臺老舊精密空調的更換，并且安裝了新風系統，在機房外氣溫較低的情況下直接引進新風，可以保證機房整體的環境溫度，但無法解決該區域局部熱島的問題。由于機房存在局部熱島問題，只能將空調出風溫度降到很低，保證機房環境溫度低于一般機房溫度，才能保證局部區域的設備不會宕機，因此該機房電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）較高,高達1.9。PUE為數據中心總設備能耗與設備能耗之比。

2 針對高耗能機柜局部熱島和PUE值偏高的措施

經過現場勘查，機柜過道間隔空間較大，適合安裝熱管背板換熱器。4樓樓頂較為空曠，因此可以將風冷式雙冷源機組放置于樓頂。取電可以在機房內原空調電柜取電，原空調電柜中有100 A、70 A空開空余[1]。

針對該機房的局部區域熱島問題和PUE高問題，海陵核心機房內對14臺局部溫度過高機架安裝“風冷型熱管背板”。采用制冷熱管背板復合雙冷源機組+熱管背板換熱系統，該產品是充分利用室外自然冷源降低機組能耗的高效節能系統，由兩部分組成，一部分為室外雙冷源制冷機組，在一套制冷系統中實現常規壓縮機制冷、熱管系統制冷兩套循環系統，一體化設計。在室外側10 ℃時可完全利用自然冷源，采用特有的蒸發冷凝技術，提高蒸發溫度，能效比高（壓縮制冷模式COP可達4.0，熱管制冷模式COP可達13.5）[2]。另一部分為室內熱管背板空調，安裝在通信設備的熱風側，通過冷媒管與殼管式換熱器相連，蒸發側吸收熱量、冷凝側排出熱量，由冷媒的相態變化及自然重力原理實現熱量的轉移而制冷，系統在機房內部（除背板風扇外）基本無耗能元件。

3 針對高耗能機柜局部熱島和PUE值偏高的改造后的節能效果

3.1 改造前空調運行能耗

考慮機房內裝有新風系統，在1、2、12月3個月直接引進新風，所以剔除該3個月的運行時間，其余9個月的空調能效比平均值約為1.73，則改造前全年用電量計算列于表1。

表1 改造前風冷精密空調能耗

3.2 改造后空調運行能耗

改造后空調運行能耗=臺數×單機設備功率（kW）×運行系數×運行時間（h）={臺數背板風機功率×運行系數×運行時間（h）+臺數×空調機組功率×運行系數×運行時間}

室外空調機組在10 ℃及以下環境溫度時，運行熱管制冷模式，制冷壓縮機啟動運行。空調機組運行參數如表2所示。泰州地區月平均的干球溫度分布，見圖1，其中1月、2月、3月及11月、12月溫度均在10 ℃以下，此期間空調機組以熱管模式運行，運行功率僅為3.7 kW。其余月份空調機組以壓縮機模式運行[3]。

圖1 泰州地區月均干球濕度

表2 空調機組運行參數（kW·h）

考慮機房內裝有新風系統，在1月、2月、12月3個月直接引進新風，所以剔除該3個月的運行時間，則改造后空調年用電量81 648.52 kWh，詳細能耗計算如表3所示。

表3 改造后空調年能耗量

目前機房PUE值為1.35。

4 推廣應用情況、經濟效益

4.1 經驗分析和推廣建議

隨著綜合機房DC化改造的推進，大量的較小型的老舊機樓的單機架功率過大，局部過熱現象越來越嚴重，而此類機樓無法采用冷水機組制冷，普通的風冷型機房空調又無法充分利用自然冷源，導致機房PUE居高不下[4]。可推廣使用此類風冷式熱管背板空調，既可以降低機房PUE值，又可解決局部熱島問題，精確節能。建議作為“老舊機房空調改造的首選方案”，少量熱點機架溫度調節的“首選方案”；新建機房的空調可選方案之一。

江蘇電信持續進行風冷型熱管背板的推廣，在蘇州東渚科技城四樓機房、泰州泰興中心局三樓數據機房、泰州靖江中心局三樓綜合機房、泰州靖江城南局二樓綜合機房、無錫江陰濱江三樓西側數據機房、無錫江陰濱江三樓西側數據機房5個機房進行風冷型熱管背板的建設，涉及470架機架。

4.2 近幾年經濟效益

2016—2020年應用經濟效益如表4所示，其中應用起止時間維2017年9月到2018年10月，合計14個月，累積節約總額32.6萬元，月均經濟效益0.74萬元。

表4 2016—2020年應用經濟效益 （萬元）

5 針對高耗能機柜局部熱島和PUE值偏高的創新

5.1 機柜級精確換熱技術

采用機柜級精確換熱技術，徹底解決3機房內熱島效應，同時提升了空調的進風溫度至30 ℃，從而達到節能效果的最大化。

在機房內熱島現象嚴重的機架（同時也是散熱量最大的）后側安裝機柜級精確換熱空調，進風溫度在30 ℃以上，而排風溫度卻只有18 ℃左右，排出熱量的同時，送到后排機柜的空氣為20 ℃左右的冷空調，減輕后排的制冷壓力，而普通空調的進風溫度在25 ℃左右，排風溫度在15～20 ℃，眾所周知，空調進風溫度每升高1 ℃，制冷量可提高3%～5%，同時也就能更大地利用制冷量。

5.2 均負荷熱耦合設計

蒸發冷凝器采用均負荷熱耦合設計解決了常規熱管復合制冷系統中前后蒸發器分別對應不同壓縮機系統，因負荷不均衡造成的多次壓縮機使用時長不一致，以及整個系統運行可靠性相對較差的問題。

在常規熱管復合制冷系統中，每臺主機分別有獨立的兩路供液管，分別供給給末端的前蒸發器系統和后蒸發器系統，兩路供液來自于蒸發冷凝器的冷凝側，其蒸發側也為獨立的兩套系統。由于前后蒸發器進風溫度工況不同，會造成其工作溫度不同，從而造成其對應的主機側壓縮機的運行工況不同，即運行負荷不同。與外蒸發器系統對應的壓縮機的負荷較內蒸發器對應壓縮機負荷大，如此，負荷的不均衡性會造成壓縮機的壽命、可靠性不均衡，如果能消除這種不均衡性，則系統的運行壽命和可靠性均會增加。

在本應用所設計的熱管復合制冷系統中，對蒸發冷凝器進行了均負荷熱耦合設計：即將系統設計成內外蒸發器與主機側任一制冷循環都有熱交換，也即末端內外蒸發器的熱負荷被主機內的所有壓縮機共同平均分擔，這樣每臺主機的各個壓縮機就處于均負荷狀態運行[5]。

5.3 機柜級精確制冷技術+氟氟換熱技術的應用

系統中采用機柜級精確制冷技術+氟氟換熱技術，將室外風冷機組壓縮機運行模式名義工況COP提升到4.0以上。

在空調領域，風冷式壓縮機組的名義工況COP一般小于3.0。在本應用熱管復合空調系統中，采用機柜級精確換熱技術+氟氟換熱技術，將空調末端的蒸發溫度提升到20 ℃以上，主機蒸發溫度提升到17 ℃以上，機組壓縮機模式名義工況COP提升到4.0以上，遠遠超過行業內風冷式壓縮制冷機組的能效比值。

5.4 冷媒液池集液分配技術的應用

采用冷媒液池集液分配技術，實現多主機系統的靈活備份。

機房空調領域直接蒸發空調系統一般有多臺主機和多臺末端組成，為保證制冷系統持續不間斷的運行，主機側應有備份設置，以備當某一臺機組故障時系統仍能有足夠的冷量提供。在數據中心領域直接蒸發空調系統中，各個主機分別與所冷卻的末端通過管路直接相連，備份方式只能局限于交叉備份或2N備份，其備份方式不夠靈活，不能滿足客戶對備份形式的多樣化需求。在本應用熱管復合空調系統中采用冷媒液池集液分配技術，將室外主機蒸發冷凝器的冷凝側出液管集中到所設置的冷媒液池里，冷媒在液池內匯集后再由管路將液體冷媒輸送到末端進液管，由此將主機側連成了一個大系統，可以對主機側靈活進行各種備份能力的配置。

5.5 側出液結構的應用

末端系統的主管分液采用側出液結構，保證了末端系統的分液均勻性。

在數據中心常規熱管制冷系統中，位于末端空調上部的分液主管的出液口位于主管的底部，這樣的設計方式在管路有起伏或者冷凝液量不十分充足時，會造成位于分液主管后面的末端分配不到液體或者分配到的液體量過少，造成末端之間的分液量不均，部分末端制冷效果不佳。

在本應用的制冷熱管復合空調系統中，將分液主管的出液口位于主管的側面，分液支管一端接于主管出液口，另一端水平伸出并連接到末端空調入口，此設計實現了集管液管到各個末端的均勻分液，保證整個系統的有效運行。

5.6 混合制冷模式的應用

根據末端互為備份的兩片蒸發器的運行溫度不同，通過壓縮機制冷和熱管制冷同時運行的混合制冷模式，提高室外自然冷源的利用溫度至15 ℃以上，延長自然冷源利用時間。

在機房空調領域，自然冷源的利用溫度大多在2 ℃左右，一般不超過10 ℃。本系統可以將自然冷源利用溫度提升到15 ℃以上，具體方法為：每個末端里面有前后兩片蒸發器，機柜排出的熱風分別穿過前蒸發器和后蒸發器，被冷卻到23 ℃左右排出到機房空間，因為前后兩片蒸發器的進風溫度工況不同，所以蒸發器內冷媒的運行溫度不同，前蒸發器運行溫度大于后蒸發器，根據熱管溫度驅動原理，前蒸發器相對于后蒸發器可在更高的環境溫度下利用自然冷源。因此，在過渡季節，把為末端的前蒸發器提供冷源的室外主機運行熱管模式，為末端后蒸發器提供冷源的主機運行壓縮機模式，在保證末端冷源充足的前提下最大限度地利用自然冷源。