浅谈热管技术在数据中心空调系统中的应用

王强 卢桂生 瞿安东 凌云 胡海

一、引言

随着信息技术的不断发展，数字经济在社会上各领域的研究都有所延伸，社会各领域对数据资源的存储和相关应用的程度越来越加深，大数据和云计算、云智算、AI等新一代信息产业进入快速发展，数据中心建设也迎来了高速发展。特别是2022年2 月 17 日发改委等部门联合印发通知，国家重大战略部署的“东数西算”工程正式全面启动，将建设 8 个国家算力枢纽节点，规划 10 个数据中心集群，共规划400万架。当前数据中心的低光电化学性、高发热量的现象，严重制约着机房装机密度的提高。对于突破当前数据中心的空气散热和节能二大瓶颈，研发人员已经提供了解决办法。其中，双热管多联技术是一个有效的散热能力方式，也对数据中心的能源成本提出了一种可行的解决办法。采用热管+背板空调不但可以提高室内机械的空间利用率，容纳更多的机柜，减少数据中心占地面积，更有利于进一步利用好自然冷源，降低运行成本。

二、热管技术原理

在物理学中，热传递共有三种方式，分别是辐射、对流和传导。而其中热传导是热传递速度最快的方式。热管就是利用热传导原理，与有温差的介质快速进行热传递的性质，通过热管将物体的热量传递到另一端。热管除了传热性高外，还有均温性好、可变热流密度及良好的恒温性等特点。热管是由工作介质为循环驱动力的相变传热，具有传热距离远、传热密度大、等温性好、结构紧凑特点，并可以抑制结露的腐蚀，又有能量小、稳定性好、维护成本低等优点。其工作原理如图1所示。热管技术是充分利用了冷却介质的快速热传导特性，利用介质的相变变化使导热物质的热能快速地传导到真空管的中冷段，有很大的导热能，采用温度差与高度差实现热量传递。液态工料从蒸发器内吸取热能，并携带热能运动到冷凝器，将热能输送给冷凝器后再冷凝为液态，在自重作用下流回蒸发器内继续吸热，并进行热能传递。

热管的工质要考虑温度因素、相容性因素、物性因素、安全和经济性因素等，常采用环保型制冷剂R134a，其标准沸点为-26.5℃，气化潜热大、比定压热容大、具有较好制冷能力。35℃饱和温度下其汽化潜热为168.18 kJ/kg，蒸汽压为0.887MPa。蒸发器和冷凝器均为板式换热器，材料采用紫铜，导热系数为386.4 W/（m· K）。

三、热管技术特点

与常规换热技术相比，热管技术具有如下重要特点。

（一）高导热性

同金属如银，铜，铝等相比，一根热管所能传送的热要高出好几个数量级。同时热管的内部主要依靠的是工作液体的蒸汽和液体相变传热，它的热阻非常小，所以它的导热能力非常高。

（二）等温及恒温特性

热管内腔的水蒸气处在过饱和状态，由于饱和蒸汽经由挥发段或流入冷凝段所形成的压降很少，因此温度降也很少，所以热水管有优异的等温性。同时，当加热量发生较大变化时，水蒸气的温度只有很小的变化，从而达到了对水蒸气温度的控制。

（三）适应性强

由热管构成的换热装置的受热部分和放热部分结构设计和布置都非常灵活，可随供热机组和冷源的要求而改变，它也可以作为热分离式的适应长距离及在冷暖流体不能混合的情况下的对流换热，距离一般按照实际要求和所选择的热管性能确定。

四、热管技术应用

某大型数据中心设计2500个机柜，共4层，服务器总装机容量为12000KW，将三层2个机房+四层4个机房，约50%机柜采用重力型系统与冷冻水技术进行融合后，综合能效明显提升。平面布置如图2所示。

（一）运行模式

两套冷冻水管路系统，在第一套A管路系统中叠加（重力型）热管节能技术，另一套B管路系统备份。

原水系统末端管路2N安全性不变，A路系统优先热管换热，B路系统补冷或备份。

本项目末端采用双盘管背板空调形式，三种运行工况分别如下：

1.室外干球温度≥25℃（可调），热管系统无法运行，则采用水系统制冷。

2.25℃>室外干球温度≥10℃（可调），热管系统运行，仅承担部分冷负荷，不足的部分由水系统承担。

3.室外干球温度<10℃（可调），热管系统承担全部冷负荷，水系统仅作为备份冷源。

（二）方案COP分析

COP值（制冷效率）实际是系统所能实现的制冷量（制热量）和输入功率的比值，是能源转换效率之比。能效比越大，节省的电能就越多，说明能效越高越节能。空调COP=额定制冷（热）量/额定制冷（热）耗电量

本次模块多联热管制冷系统（不带压缩），当干球温度<25℃时，可利用自然冷源，且模块多联热管制冷系统的平均COP为8，大于纯水系统的7.97，当t<20℃时，模块多联热管制冷系统的COP为19.2以上，此时模块多联热管制冷系统节能效果远大于水系统。

模塊多联热管主机运行功率11.8kW，经过安装假负载进行跟踪实测。

当时外干球温度25℃时，热管制冷量为110kW，COP=110/11.8=9.32。

当时外干球温度15℃时，热管制冷量为240kW，COP=240/11.8=20.33。

当时外干球温度10℃时，热管制冷量为300kW，COP=300/11.8=25.42，如表1所示。

当时外干球温度5℃时，热管制冷量为300kW，运行功率为8.53，COP=300/8.52=35.15，远远优于水系统中自然冷却模式（水系统中自然冷却模式下COP约为14.75）。

以安徽地区为例，全年8760个小时，具体运行模式数据如表2所示。

模块多联热管制冷系统全年可利用自然冷却时间7123h，占全年运行时间的81.3%。而如果采用纯水系统全年理论可利用自然冷源时间为4882h，占全年运行时间的55.73%，以服务器总装机容量为12000KW为例，采用热管与水系统融合比纯冷冻水系统相比，全年可节约电费约700万元，节约水费约100万元（电费按0.64元/千瓦，水费按9元/立方米计算）模块多联热管制冷系统节能效果明显优于水系统。模块多联热管系统与水系统联合运行如图3所示。

五、结束语

模块多联系统从夏季到冬季运行是一个渐变调节的过程，不是一个切换的过程，能充分利用自然冷源，降低空调系统运行能耗，数据中心的暖通及中央空调控制系统，在建造与运营过程中都具有很大节约降碳的潜能。通过采用现代科学技术手段实施深入分析，合理进行工程设计，提高科技成果转化和运用，合理进行智能化的运维控制，就可以有效实现节约降碳，从而合理降低大数据中心的PUE价值，打造快速、安全、可信且绿色的新型大数据中心，有效助力中国碳达峰、碳中和任务的达成。

作者单位：中徽建技术有限公司