热管技术在数据中心冷却系统中的应用

摘要：指出了全球数据中心总量已超过300万个，数据中心的增加帶来了对能源的巨大需求，特别是其冷却系统，占数据中心总能耗的40%;目前全球数据中心的电力消耗总量已经占了全球电力使用量的1.3%。从数据中心热管冷却系统的工作原理及应用等方面时数据中心热管冷却系统进行了全面的综述，分析了热管技术在数据中心冷却系统中的应用和研究现状，探讨了传统冷却系统存在的问题，并提出今后的潜在的发展方向。

关键词：数据中心;热管;冷却系统;节能减排

中图分类号：

文献标识码：A

文章编号：1674-9944 （2019） 24-0187-02

1 引言

随着科技的进步，电子信息系统机房IT设备高度集成化，其能源效率偏差以及机房散热量日渐趋高的现象开始受到了业界强烈关注。据权威部门统计，我国高端服务器集中的通信行业耗电在2007年就已达到200亿kW.h以上，信息产业俨然已经成为一个高能耗行业。

数据中心作为功能空间，包含数据服务器、计算设备、空调系统和电力设备在运行期间会消耗大量能源。特别是空调系统，占数据中心总能耗的40%[1]。根据最新的能源统计数据，目前全球数据中心的电力消耗总量已经占据了全球电力使用量的3%。因此，降低数据中心散热系统的能耗，改变当前的高耗能模式，已经成为当前数据中心运营商迫切需要解决的问题。

2 数据中心冷却系统热管技术介绍

2.1 热管结构

常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（包括管壁和端盖），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯）;根据是否具有毛细结构的热管，可将热管分为重力辅助热管和毛细热管。根据所需的工作温度，可以为热管选择不同类型的工作流体，例如水、丙酮、甲醇或制冷剂等。

2.2 热管工作原理

当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环，使热量从一端传递到另一端。

在这一热量转移的过程中，具体包含了以下6个相互关联的过程：热量从热源通过热管管壁和充满工作液的吸液芯传递到蒸发段内的液一气分界面;液体在蒸发段的液一气分界面上蒸发;蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流向冷凝段;蒸汽在冷凝段内的液一气分界面上凝结;热量从冷凝段内的液一气分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源;在吸液芯内由于毛细力（或重力）作用使得冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

3 热管技木在数据中心冷却系统中的应用

目前，国内外在热管技术方面研究相对成熟，使得热管在电力电子设备冷却和太阳能光热转换技术中已经得到较好应用。在数据中心IT设备散热冷却方面，热管冷却技术的研发情况如下。

金鑫[2]等人介绍了分离式热管型机房空调，并对其进行了实验研究。在室外环境平均温度为20℃时，分离式热管和普通空调一起提供机房所需的冷量，此时分离式热管型空调系统稳定运行时的COP可达4.66～13.9，其耗电量仅为原始机房空调系统耗电量的37. 6%，节电率达62. 4%，节省了大量能量。冬季时，机房所需的冷量仅靠分离式热管提供，其节能效果更佳显著。

田浩[3]等人提出了一种基于环路热管技术的、应用于高显热密度环境排热的分布式冷却方案，该方案将多级环路热管整合在机柜内部，将芯片热量在机柜内部就地排走。而且由于整个排热过程在机柜内部完成，这从根本上杜绝了传统的静压箱送风室内回风模式产生的诸多气流组织问题。他们改造了北京某信息机房空调，经过前后数据对比，新排热系统的效率是原系统的3～4倍，能耗降低了41%。

周峰[4]等人研制了利用自然冷源的热管换热器，将其用于IDC机房的散热，并对北京地区冬季工况下，热管换热器和空调各自的散热特性和能耗负荷进行了试验研究。IDC机房使用热管换热器后，模拟研究全年节能约47%，试验表明室内温度不超过22℃，室内外温差不超过20℃，无需开启空调器，能耗仅为空调能耗的41%，通过技术改进可以控制在1/3左右，则全年将节能40%，既能够满足散热需求，又能够有效降低空调能耗。

马国远[5]等人对某小型数据中心散热用泵驱动回路热管换热机组的运行性能进行研究，拟合出其换热特性曲线，并通过拟合曲线对其进行节能性分析，其分析结果表明，在过渡季节及冬季，当室外温度低于15℃时，采用氟泵系统对数据中心机房进行散热能满足室内负荷要求并具有良好的节能效果，与之前的采用空调散热相比节省电能至少达到36. 57%。

凌丽[6]研究了数据机房用微通道分离式热管换热特性及其节能潜力，并建立了一个利用湖水源的水冷多联分离式热管系统。对该系统和传统数据机房空调系统的节能率进行对比分析，由于该系统利用湖水源免费冷却，全年72%的时间可以完全利用湖水源对数据机房进行免费冷却，28%的时间可以利用湖水源对数据机房进行部分免费冷却，其节能率可高达64. 82%。

李奇贺[7]等人介绍了热管式机房空调机组的工作原理和技术特征，并做了性能实验。在室内外温差达到5℃以上时，机组即可投入运行，承担部分或者全部机房制冷负荷，能效比高;当室内外温差为5～24℃时，机组能效比达3. 63～10. 64，换热温度效率达65.6%～44. 0%。冬季可以代替蒸气压缩式机房空调制冷，节能效果显著。

刘欢[8]对分离式热管散热系统在数据机房的应用进行了实验分析。在室内外温差为26.5℃时，制冷量为8kW，实际COP达到9.7，理论COP可达17.6，与相同工况下的传统空调相比，其节能率能达到39. 20%。分离式热管系统具有显著的节能效果，可有效适用于数据中心、通信基站等高热密度建筑的散热。

4 结语

现有热管技术可以帮助数据中心节能降耗，具有很多的优势，但是仍存在以下问题：现有的圆形热管与IT设备外表面的结合是一个难题;热管冷凝端释放的热量仍排人数据中心内部空间，数据中心内的冷负荷并没有减少，还是需要靠空调散热冷却，起不到节能减排的作用。部分热管需要外加动力进行驱动。

针对以上问题，提出一种基于数据中心冷却及余热回收的微通道平板环路热管系统，该系统具有以下几个优点：平板热管可与IT设备外表面的紧密贴合，有利于加强传热效果;蒸发端与冷凝端通过蒸汽输送管道和液体回流管道连接成微通道平板环路热管系统，可将冷凝端放置在数据中心外，从而降低数据中心内部空间的冷负荷;还可将冷凝端的热量作为生活热水的热源，回收数据中心服务器散发的热量，达到节能减排的目的;

整个系统利用重力以及微通道毛细结构提供的毛细力进行传热循环，无需任何外力驱动。

開发基于数据中心余热回收系统的、适用于高热密度电子及大功率高频开关电源设备的微通道平板环路热管，平板热管与IT设备紧密贴合，IT设备产生的热量通过导热的形式直接将热量传递给热管，热管通过内部工作流体将热量传递到冷凝端进行散热，机架无需预留对流散热空间;将有效地增大机架的使用空间，可适当增加机架内IT设备的数量，提升机架密度，降低数据中心建造成本;还可提高设备运行效率和安全性，实现设备高效散热及余热回收再利用，为数据中心建筑节能减排技术的发展提供支撑，具有重要的应用价值和显著的节能效益。

参考文献：

[1]H Zhang，S Shao，H.Xu， et al.Free cooling of data centers：Areview， Renew. Sustain[J]. Energy Rev.， 2014，35：171-182.

[2]金鑫，瞿晓华，祁照岗，等.分离式热管型机房空调性能实验研究[J].暖通空调，2011， 41（9）：133-136.

[3]田 浩，李震，基于环路热管技术的数据中心分布式冷却方案及其应用[J].世界电信，2011，24（10）：48-52.

[4]周峰，田 昕，马国远.IDC机房用热管换热器节能特性试验研究[J].土木建筑与环境工程，2011，33 （1）：111-117.

[5]马国远，魏川铖，张双，等.某小型数据中心散热用泵驱动回路热管换热机组的应用研究[J].北京工业大学学报，2015，41（3）：439-445.

[6]凌丽，数据机房用微通道分离式热管换热特性及节能研究[D].长沙：湖南大学，2017.

[7]李奇贺，黄虎，张忠斌.热管式机房空调性能实验研究[J].暖通空调，2010，40（4）：145-148.

[8]刘欢，基于分离式热管的数据中心散热系统设计与能效分析[D].北京：中国科学院大学（中国科学院工程热物理研究所），2017.

收稿日期：2019-11-21

作者简介：郑思明（1995-）.男，硕士研究生，研究方向为数据中心节能减排。