热管技术在数据中心的应用分析

刘明亮 郭丰

摘 要 热管技术具有可充分利用自然冷源的特点，在数据中心应用热管技术可有效降低PUE值。本文对数据中心应用热管技术的方式进行了探讨。

关键词 热管技术;数据中心;应用

前言

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室的乔治格罗佛（George Grover）发明的一种称为“热管”的传热元件[1]，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管是实现数据中心高效自然冷却的重要技术形式之一。在数据中心机房中的应用中已经得到了一定程度的推广。

1热管冷却技术的原理

热管是利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程（即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热），使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来[2]。

2热管冷却技术在数据中心的应用

热管冷却技术在数据中心的应用具体是采用“自然冷源”，或“自然冷源+强制制冷”的方式，通过小温差驱动热管系统内部循环工质的气液形成自适应的动态相变循环，把信息机房内IT设备的热量带到室外，实现室内外无动力、自适应平衡的冷量传输。

2.1 回路热管冷却系统

回路热管是热管的一种形式，也称重力分离热管，在数据中心冷却中得到了广泛的应用。它是通过工质在室内外两个换热器中的相变传递能量，通过压力差和重力回流作用在管道中实现气液自然循环。整个系统通过制冷工质的自然相变流动将热量从室内排到室外，无须外部动力，运行能耗相比机械制冷系统大幅降低。同时，环路热管传热性能好，能够在近似等温的条件下输送高密度热量，且传热距离远、启动温差小、布置灵活、结构简单紧凑、可靠性高且非常适用于数据中心这类对环境和安全性要求很高的场合。室内换热器可以以机柜背板的形式体现，也可以以列间空调的形式出现。通过全封闭连接管路中的工质自然循环进行热传递，不直接引入室外空气，保证机房室内空气的洁净度。室内末端循环工质为不燃、无毒、无腐蚀、常压下为气态的制冷剂，通过小温差驱动换热芯体中介质达到动态的气液相变热力平衡，实现数据中心内设备的节能冷却，且保证无水进入机房，杜绝水浸机房的安全隐患，安全可靠。室内设备全显热换热，无冷凝水产生，杜绝常规精密空调除湿、加湿同时进行这种不合理的费能现象。采用分布式自适应按需冷却，根据机房实际需求，实现机柜级按需供冷的个性化温、湿度调控。

某数据中心项目IT机柜数100台，安装了25台高效热管列间空调末端，4个封闭冷通道。自2015年至今运行良好，机柜进风、出风温度在20℃～23℃，14℃供水、19℃回水工況下，工艺装机满负荷的空调末端PUE因子=0.0168（对比房间级的冷冻水精密空调末端PUE因子≈0.11），空调末端能耗下降明显，节能效果大于30%。

热管背板由外壳、风机、热管换热盘管、控制器、管道、制冷工质软连接管等组成。热管排热背板与专用的通信机柜紧密结合，安装在机柜后门，冷却机柜。如下图为背板安装示意图。

数据中心建设规模IT机柜超过3000个，采用热管背板技术单机柜IT设备设计功率≥5kW，节能效果约7000kWh/（机柜.年），热管背板PUE因子<0.022。

2.2 液泵辅助驱动热管系统

重力型热管空调系统要求室外机组的位置必须高于室内机组，然而很多场合难以满足这种特定的要求，行业相继推出带有液泵驱动的复合空调产品，空调系统可根据室外环境温度与室内负荷大小分别切换制冷模式、混合模式以及液泵循环模式，在很多地区场合得到了推广运用，并实现了一定程度的节能。但该产品在压缩机/液泵双驱模式（混合模式）下，通过提高制冷量实现能效比提升，并非真正意义上的利用过渡季节的自然冷源，主要是因为液泵的运行本身带来了能耗，如果压缩机本身可以低压比运行，膨胀阀具备宽幅流量调节功能，此时不运行液泵，能效比可以更高;并且在该温度区间由于系统制冷量很大，容易出现液泵与压缩机频繁启停的现象，这不仅增加能耗，也会使得高压侧的液泵频繁启停而损坏;同时在长配管、高落差工况下，液泵扬程不足，制冷性能衰减，故而该产品仍具有一定不足。

液泵驱动热管系统主要由冷凝器（室外侧）、蒸发器（室内侧）、液泵、储液罐和风机组成，通过管路连接起来，将管内部抽成真空后充入冷媒工质。如图4所示，系统运行时，由液泵将储液罐中的低温液体冷媒工质输送到蒸发器中并在蒸发器中吸热相变汽化，之后进入冷凝器中放热，被冷凝成液体，回流到储液罐中，如此循环，从而将室内的热量源源不断转移到室外，达到为数据机房冷却散热的目的。

液泵驱动热管系统在数据中心中的应用主要以列间和房间级冷却形式为主，根据制冷量、安装空间和现场的实际情况，其室内机和室外机可以选择一台或者多台。

2.3 气泵（压缩机）驱动回路热管冷却系统

图5所示的气泵（压缩机）驱动的回路热管，在室外温度高于室内温度时，可以运行于蒸气压缩制冷工况;随着室外温度的降低，可以调节压缩机的压缩比，使其满足小压比制冷运行的要求;而在室外温度低于室内温度时，可以运行于热管模式，压缩机只提供气体流动所需要的动力，实现高效自然冷却。

通过整机能效EER以及压缩机单体COP分析可知，在标况下，整机能效EER为2.9，压缩机单体COP大约为3.7，随着室外温度降低，EER能效与压缩机单体COP均大幅提升，在室外5℃～-5℃时，压缩机单体COP超过20，说明变频转子压缩机作为气泵使用具有很高的节能效益。

3结束语

充分利用自然冷源，是降低数据中心PUE的重要手段。热管冷却系统在利用自然冷源方面具有得天独厚的优势。在工业和信息化部发布的《绿色数据中心先进适用技术目录》中，也有多项热管冷却技术产品入选。预计各类型热管冷却技术产品将会得到更广泛的应用。

参考文献

[1] 屠传经，谢国兴.热管发展简史[J]能源工程，1984（4）：60-61.

[2] 马永昌，张宪峰.热管技术的原理、应用与发展[J]变频器世界， 2009（7）：70-75.