热管背板空调在某数据机房的实际应用分析

洪馨

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海200092）

1 引言

数据中心作为全球协作的设备网络信息服务平台，处于快速发展中，集成度高、能耗大的数据单机柜设备大量增加。传统数据中心制冷系统采用房间级、列间精密空调制冷，普遍存在气流组织不均匀、机房内局部热点、能耗大等问题，散热问题已制约高热流密度IT 设备的发展。热管背板空调的出现很好地解决了机房高密度机柜散热问题；同时，由于热管背板空调位于机柜背部，减少输送能耗，有利于冷源的供回水温度的提高，延长自然冷却的时间，对节能意义重大[1～3]。

以上海地区某数据机房为例，通过CFD 模拟技术，将热管背板空调与列间空调的温度场、气流组织进行对比分析。实例说明，热管背板空调在节能、安全可靠等方面的优势。

2 背板空调分类及原理

背板空调根据使用的载冷剂不同，可以分为水冷背板与热管背板。水冷背板的载冷剂为冷冻水，热管背板的载冷剂为氟利昂。该项目根据机房工艺及运行安全的要求，采用热管背板空调。热管背板空调，管内为气液两相流，以潜热的形式进行换热。

液态的工质在热管背板空调的蒸发器内蒸发吸热变为气态；气态的工质在压差作用下进入热管冷凝器与冷冻水进行热交换，放热后凝结成液态，在重力的作用下回流至热管背板空调的蒸发器，完成制冷循环，如此反复。

3 项目概况

该数据机房位于上海某高层建筑的5 层，冷源设备布置于建筑裙房屋面，热管冷凝器布置于5 层空调机房。

根据数据机房的发展需求，该单机柜功耗为6kW，选用尺寸为1 200mm×600mm×2 200mm（深×宽×高）的标准机柜。

冷源采用自然冷却风冷螺杆式冷水机组，冷冻水管道采用双管路环状布置，冷冻水供回水温度为12℃/18℃。

4 模型建立

4.1 应用场景建立

拟对热管背板空调和冷冻水型列间空调这2 种形式的空调末端进行对比分析的前提条件如下：（1）选取同一个数据机房作为研究对象；（2）布置的机架数量大致相等，单机架功耗相同，即机房内空调冷负荷近乎相等；（3）空调的冷源均采用带自然冷却风冷冷水机组。

热管背板空调末端方式，在该数据机房内布置机柜90 架（见图1）；列间空调末端方式，在数据机房内布置机柜96 架（见图2）。

图1 热管背板空调机房 布置平面图

图2 列间级空调 机房平面图

4.2 机房环境要求

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的要求，设定冷通道或机柜进风区域的温度为18～27℃，相对湿度为40%～55%。

5 模拟结果对比分析

5.1 热管背板空调

机架布置采用“面对面、背对背”的方式，机架内的服务器上中下均匀布置；热管背板空调与机柜一一对应并紧贴机柜背部，并保证密封良好；热管背板空调采用自带风机的形式，风机为上中下3 层均匀布置。热管背板空调的制冷量与单机柜功耗一致为6kW，其出风温度设定为23℃。

5.1.1 温度场模拟

通过模拟计算，截取机房1.5m 高处的温度分布，如图3 所示，采用热管背板空调，机房内的温度分布均匀，稳定在约23℃，与初步设定的背板空调出风温度基本一致，机房的环境温度均满足规范要求，整个机房不存在热环境。

图3 机房1.5m处温度场分布图

5.1.2 气流组织模拟

截取机房1.5m 高处的气流矢量分布，如图4 所示，机房内的气流分布均匀、有序，从图4 中可以看出，服务器设备吹出的热风直接被热管背板空调冷却，热空气无法渗透至房间内，整个机房处于冷环境中，冷风从机柜前门进入，进一步冷却服务器设备，形成一个良好的气流循环；选用自带风机的热管背板，能有效地避免热风渗透的问题，同时使气流在机柜内有序流通。

图4 机房1.5m处气流场分布图

5.2 冷冻水型列间空调

机架布置采用“面对面、背对背”的方式并设置封闭冷通道，机架内的服务器上中下均匀布置；列间空调单台制冷量为30kW，每个冷通道设置4 台空调，运行方式为三用一备，气流组织为前出风后回风。通过模拟计算及可对比性，同样截取机房1.5m 高处的温度及气流矢量分布。

5.2.1 温度场模拟

如图5 所示，冷通道内处于冷环境状态下，其温度分布均匀，温度近似为列间空调的出风温度23℃，而机房环境（冷通道以外部分）温度明显高于冷通道内部，温度为32～38℃，如图6 所示，从机柜底部到顶部温度逐步升高，即冷风冷却服务器后温度升高，直接排至机房内，形成了热环境，其中机柜背面上部的温度约为38℃。

图5 机房1.5m处温度场分布图

图6 机柜剖面温度场分布图

5.2.2 气流组织模拟

如图7 所示，列间空调送风至冷通道内，冷通道内的气流存在相互干扰；机柜背部热气流集中回流至列间空调背部，该处热气流相对集中，导致与列间空调相对较近的机柜背部温度也较高。

图7 机房1.5m处气流场分布图

5.3 模拟分析结论

通过以上2 种空调末端方式的温度场、气流组织分布情况分析得出以下结论：

1）在同样的出风温度条件下，热管背板空调位于机柜背部，直接冷却服务器吹出的热气流，避免热气流进入机房环境，整个机房内温度近似于空调出风温度，温度场分布均匀，而列间空调末端方式存在冷热通道，机柜背部温度较高，背板空调的温度场分布情况优于列间空调。

2）热管背板空调的气流组织比较均匀，不存在气流间的相互干扰，其送回风气流方向较为一致，而列间空调在冷通道内的冷气流存在相互间的干扰，机柜背部的热气流因集中回至列间空调，存在局部热量集中的情况。

6 背板空调工程应用分析

6.1 运行节能

6.1.1 末端输送能耗

热管背板空调靠近发热源制冷，降低风阻，降低风机的能耗。该数据机房空调建设项目，单台热管背板空调风扇总功率为160W，则90 台热管背板总消耗功率为14.4kW。

采用冷冻水型列间空调时，单台空调风机功率约为1.6kW；根据机房平面及空调布置，正常运行的列间空调为21台（不含备用），风机总消耗功率为33.6kW。

对比2 种空调形式，热管背板空调相对于列间空调可节约末端风机功耗，年节约电量168 192kW·h。

6.1.2 冷源侧节能性

热管背板空调末端，其机房内环境温度近似为空调出风温度，在规范要求及服务器的允许范围内，可以适当提供末端的出风温度，冷源侧冷冻水的供回水温度可以相应提高，冷水机组的效率明显提高，达到更好的节能效果，同时，可延长自然冷源的利用时间。

6.2 运行安全

运行安全应注意以下2 方面：（1）机房管路布置。热管背板空调，其机房内仅布置冷媒管道，与冷冻水型列间空调相比，不存在水管进入机房的运行风险。（2）冗余。热管背板空调可以实现双盘管备份，在某一盘管出现故障时，不影响其制冷能力，实现在线更换，对机房内的温度场，气流组织不产生影响；同时，在正常运行时，双盘管可作为制冷量的冗余。而列间空调故障时，因其空调的布置，其温度场、气流组织将受到影响，因此，在安全运行方面，背板空调有明显的优势。

6.3 机房布置

采用热管背板空调，空调紧贴热源，实现近端制冷，整个机房内的环境温度一致，近似为热管背板的出风温度，机房内的机架成列布置，可选择面对面或顺序布置，无冷热通道隔离的需求。采用列间空调，为避免冷热风混流影响机柜进风温度，需进行冷热通道隔离，设置封闭冷通道[4，5]。

因此，采用热管背板空调，可减少冷通道封闭的投资，对机柜的布置方式没有严格要求。

7 结语

通过CFD 模拟分析及工程应用的分析，热管背板空调作为高功耗机柜制冷末端，其温度场、气流组织分布均匀，不存在气流间的相互干扰；机房内环境温度近似背板空调的出风温度，也有利于冷源侧供回水温度的提高，延长自然冷源利用时间，减少末端输送能耗，无热气流的溢出，同时也为运维人员提供了良好的工作环境[6]。热管背板空调的双盘管备份，机房内仅布置冷媒管道，运行安全、可靠性更高。