淺談熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王強(qiáng) 盧桂生 瞿安東 凌云 胡海

一、引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字經(jīng)濟(jì)在社會(huì)上各領(lǐng)域的研究都有所延伸，社會(huì)各領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)和相關(guān)應(yīng)用的程度越來越加深，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算、云智算、AI等新一代信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)也迎來了高速發(fā)展。特別是2022年2 月 17 日發(fā)改委等部門聯(lián)合印發(fā)通知，國家重大戰(zhàn)略部署的“東數(shù)西算”工程正式全面啟動(dòng)，將建設(shè) 8 個(gè)國家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，規(guī)劃 10 個(gè)數(shù)據(jù)中心集群，共規(guī)劃400萬架。當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的低光電化學(xué)性、高發(fā)熱量的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著機(jī)房裝機(jī)密度的提高。對(duì)于突破當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的空氣散熱和節(jié)能二大瓶頸，研發(fā)人員已經(jīng)提供了解決辦法。其中，雙熱管多聯(lián)技術(shù)是一個(gè)有效的散熱能力方式，也對(duì)數(shù)據(jù)中心的能源成本提出了一種可行的解決辦法。采用熱管+背板空調(diào)不但可以提高室內(nèi)機(jī)械的空間利用率，容納更多的機(jī)柜，減少數(shù)據(jù)中心占地面積，更有利于進(jìn)一步利用好自然冷源，降低運(yùn)行成本。

二、熱管技術(shù)原理

在物理學(xué)中，熱傳遞共有三種方式，分別是輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。而其中熱傳導(dǎo)是熱傳遞速度最快的方式。熱管就是利用熱傳導(dǎo)原理，與有溫差的介質(zhì)快速進(jìn)行熱傳遞的性質(zhì)，通過熱管將物體的熱量傳遞到另一端。熱管除了傳熱性高外，還有均溫性好、可變熱流密度及良好的恒溫性等特點(diǎn)。熱管是由工作介質(zhì)為循環(huán)驅(qū)動(dòng)力的相變傳熱，具有傳熱距離遠(yuǎn)、傳熱密度大、等溫性好、結(jié)構(gòu)緊湊特點(diǎn)，并可以抑制結(jié)露的腐蝕，又有能量小、穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理如圖1所示。熱管技術(shù)是充分利用了冷卻介質(zhì)的快速熱傳導(dǎo)特性，利用介質(zhì)的相變變化使導(dǎo)熱物質(zhì)的熱能快速地傳導(dǎo)到真空管的中冷段，有很大的導(dǎo)熱能，采用溫度差與高度差實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。液態(tài)工料從蒸發(fā)器內(nèi)吸取熱能，并攜帶熱能運(yùn)動(dòng)到冷凝器，將熱能輸送給冷凝器后再冷凝為液態(tài)，在自重作用下流回蒸發(fā)器內(nèi)繼續(xù)吸熱，并進(jìn)行熱能傳遞。

熱管的工質(zhì)要考慮溫度因素、相容性因素、物性因素、安全和經(jīng)濟(jì)性因素等，常采用環(huán)保型制冷劑R134a，其標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.5℃，氣化潛熱大、比定壓熱容大、具有較好制冷能力。35℃飽和溫度下其汽化潛熱為168.18 kJ/kg，蒸汽壓為0.887MPa。蒸發(fā)器和冷凝器均為板式換熱器，材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為386.4 W/（m· K）。

三、熱管技術(shù)特點(diǎn)

與常規(guī)換熱技術(shù)相比，熱管技術(shù)具有如下重要特點(diǎn)。

（一）高導(dǎo)熱性

同金屬如銀，銅，鋁等相比，一根熱管所能傳送的熱要高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)熱管的內(nèi)部主要依靠的是工作液體的蒸汽和液體相變傳熱，它的熱阻非常小，所以它的導(dǎo)熱能力非常高。

（二）等溫及恒溫特性

熱管內(nèi)腔的水蒸氣處在過飽和狀態(tài)，由于飽和蒸汽經(jīng)由揮發(fā)段或流入冷凝段所形成的壓降很少，因此溫度降也很少，所以熱水管有優(yōu)異的等溫性。同時(shí)，當(dāng)加熱量發(fā)生較大變化時(shí)，水蒸氣的溫度只有很小的變化，從而達(dá)到了對(duì)水蒸氣溫度的控制。

（三）適應(yīng)性強(qiáng)

由熱管構(gòu)成的換熱裝置的受熱部分和放熱部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置都非常靈活，可隨供熱機(jī)組和冷源的要求而改變，它也可以作為熱分離式的適應(yīng)長距離及在冷暖流體不能混合的情況下的對(duì)流換熱，距離一般按照實(shí)際要求和所選擇的熱管性能確定。

四、熱管技術(shù)應(yīng)用

某大型數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)2500個(gè)機(jī)柜，共4層，服務(wù)器總裝機(jī)容量為12000KW，將三層2個(gè)機(jī)房+四層4個(gè)機(jī)房，約50%機(jī)柜采用重力型系統(tǒng)與冷凍水技術(shù)進(jìn)行融合后，綜合能效明顯提升。平面布置如圖2所示。

（一）運(yùn)行模式

兩套冷凍水管路系統(tǒng)，在第一套A管路系統(tǒng)中疊加（重力型）熱管節(jié)能技術(shù)，另一套B管路系統(tǒng)備份。

原水系統(tǒng)末端管路2N安全性不變，A路系統(tǒng)優(yōu)先熱管換熱，B路系統(tǒng)補(bǔ)冷或備份。

本項(xiàng)目末端采用雙盤管背板空調(diào)形式，三種運(yùn)行工況分別如下：

1.室外干球溫度≥25℃（可調(diào)），熱管系統(tǒng)無法運(yùn)行，則采用水系統(tǒng)制冷。

2.25℃>室外干球溫度≥10℃（可調(diào)），熱管系統(tǒng)運(yùn)行，僅承擔(dān)部分冷負(fù)荷，不足的部分由水系統(tǒng)承擔(dān)。

3.室外干球溫度<10℃（可調(diào)），熱管系統(tǒng)承擔(dān)全部冷負(fù)荷，水系統(tǒng)僅作為備份冷源。

（二）方案COP分析

COP值（制冷效率）實(shí)際是系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的制冷量（制熱量）和輸入功率的比值，是能源轉(zhuǎn)換效率之比。能效比越大，節(jié)省的電能就越多，說明能效越高越節(jié)能。空調(diào)COP=額定制冷（熱）量/額定制冷（熱）耗電量

本次模塊多聯(lián)熱管制冷系統(tǒng)（不帶壓縮），當(dāng)干球溫度<25℃時(shí)，可利用自然冷源，且模塊多聯(lián)熱管制冷系統(tǒng)的平均COP為8，大于純水系統(tǒng)的7.97，當(dāng)t<20℃時(shí)，模塊多聯(lián)熱管制冷系統(tǒng)的COP為19.2以上，此時(shí)模塊多聯(lián)熱管制冷系統(tǒng)節(jié)能效果遠(yuǎn)大于水系統(tǒng)。

模塊多聯(lián)熱管主機(jī)運(yùn)行功率11.8kW，經(jīng)過安裝假負(fù)載進(jìn)行跟蹤實(shí)測。

當(dāng)時(shí)外干球溫度25℃時(shí)，熱管制冷量為110kW，COP=110/11.8=9.32。

當(dāng)時(shí)外干球溫度15℃時(shí)，熱管制冷量為240kW，COP=240/11.8=20.33。

當(dāng)時(shí)外干球溫度10℃時(shí)，熱管制冷量為300kW，COP=300/11.8=25.42，如表1所示。

當(dāng)時(shí)外干球溫度5℃時(shí)，熱管制冷量為300kW，運(yùn)行功率為8.53，COP=300/8.52=35.15，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于水系統(tǒng)中自然冷卻模式（水系統(tǒng)中自然冷卻模式下COP約為14.75）。

以安徽地區(qū)為例，全年8760個(gè)小時(shí)，具體運(yùn)行模式數(shù)據(jù)如表2所示。

模塊多聯(lián)熱管制冷系統(tǒng)全年可利用自然冷卻時(shí)間7123h，占全年運(yùn)行時(shí)間的81.3%。而如果采用純水系統(tǒng)全年理論可利用自然冷源時(shí)間為4882h，占全年運(yùn)行時(shí)間的55.73%，以服務(wù)器總裝機(jī)容量為12000KW為例，采用熱管與水系統(tǒng)融合比純冷凍水系統(tǒng)相比，全年可節(jié)約電費(fèi)約700萬元，節(jié)約水費(fèi)約100萬元（電費(fèi)按0.64元/千瓦，水費(fèi)按9元/立方米計(jì)算）模塊多聯(lián)熱管制冷系統(tǒng)節(jié)能效果明顯優(yōu)于水系統(tǒng)。模塊多聯(lián)熱管系統(tǒng)與水系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行如圖3所示。

五、結(jié)束語

模塊多聯(lián)系統(tǒng)從夏季到冬季運(yùn)行是一個(gè)漸變調(diào)節(jié)的過程，不是一個(gè)切換的過程，能充分利用自然冷源，降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗，數(shù)據(jù)中心的暖通及中央空調(diào)控制系統(tǒng)，在建造與運(yùn)營過程中都具有很大節(jié)約降碳的潛能。通過采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段實(shí)施深入分析，合理進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，提高科技成果轉(zhuǎn)化和運(yùn)用，合理進(jìn)行智能化的運(yùn)維控制，就可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)約降碳，從而合理降低大數(shù)據(jù)中心的PUE價(jià)值，打造快速、安全、可信且綠色的新型大數(shù)據(jù)中心，有效助力中國碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)的達(dá)成。

作者單位：中徽建技術(shù)有限公司