CO2分离式热管在数据中心的应用

佟 振 李晓瑞

(青岛理工大学环境与市政工程学院 青岛 266033)

随着互联网计算机技术的快速发展，我国数据中心需求量呈现急速增长的态势。数据中心散热量大且相对集中，空调系统需要全年不间断供冷，这使得数据中心空调系统能耗巨大。由于传统数据中心空调系统存在明显的缺点，在节能方面具有较大的潜力。

分离式热管是一种高效传热设备，在数据中心空调系统中的应用逐渐发展成熟[1-4]，钱晓栋等[5-6]研究发现，分离式热管空调系统具有较高的能效比和较大的节能潜力。金鑫等[7]研究了分离式热管型机房空调的性能，发现该系统能有效控制发热机柜出口出风温度，保证机房设备运行稳定。

目前，数据中心热管系统多采用R22、R134a、R410A等氟代烃制冷剂，考虑到环保性，有学者[8-9]将CO2作为替代工质，研究其用于数据中心热管系统的性能。除了天然环保的特性，CO2还具有较好的流动和传热性能，与常规制冷剂相比， CO2的管内沸腾和凝结换热系数明显更高[10-11]，且流动压力损失更低[12-13]。由此可见，CO2具备替代氟代烃制冷剂应用于数据中心热管系统的潜力。

本文将通过具体实验测试，对比CO2热管与传统R22热管的性能差异，从最大传热能力、正常工作负荷范围、传热热阻等方面分析CO2热管的性能优势。在此基础上，结合某数据中心案例与不同地区的气候条件，将CO2热管系统与传统的集中送风空调系统和R22热管系统进行对比，计算分析CO2热管应用于数据中心的节能潜力。

1 实验测试

实验采用相同的热管系统，对CO2和R22两种工质进行对比测试。虽然R22属于逐渐淘汰的氟代烃制冷剂，但在过去应用较多，关于其热物性参数和传热性能的研究也较为深入，因此选取R22作为代表，与CO2进行对比研究。

1.1 实验系统及测试方法

图1所示为实验装置。热管蒸发器为多通道并联的结构，将厚铜板内的孔道作为热管工质的流道，孔道内径为4 mm。蒸发器采用电加热板进行加热，加热功率可通过调节调压器实现不同的实验工况。热管冷凝器由内径为4 mm的铜管并联构成，将冷凝器置于水箱中，利用冷水机组提供的冷水对其进行冷却，冷水机组出口接电加热器，通过调节电加热器来控制水箱的进口水温。蒸发器和冷凝器的传热面积基本相同，约为0.42 m2，冷凝器和蒸发器之间的高差为1.23 m。热管的绝热管段(上升管和下降管)内径相同，分别进行了9 mm绝热管段和12 mm绝热管段两种不同热管结构的实验测试。为了观测管内工质的流动状态及气液分布情况，在蒸发器出口和下降管垂直管段的底部各安装了一段透明管段，除透明管段外，热管的上升管、下降管、水箱、电加热板等其余部分均做了良好的保温措施。

图1 实验装置

表1所示为不同实验工况的参数范围。本实验中选定不同工况下热管的充液率均为100%(充液率指热管内充入的液体工质体积与热管蒸发段容积之比)，传热量大小通过调节加热板的功率实现。

表1 实验工况参数范围

1.2 误差分析

表2所示为实验使用的仪器精度。利用冷凝侧冷水的进出口温差及水流量可以计算得到热管的传热量，根据仪器的测量误差分析得到该传热量的测试误差为3.58%[14]。

根据能量平衡关系可知，热管蒸发侧吸热量应等于热管冷凝侧放热量，因此，可将冷凝侧计算得到的传热量与蒸发侧的电加热功率进行对比，对实验测试的结果进行能量平衡校核。由于热管传热过程存在不可避免的热量损失，水温、流量等的测试也存在一定误差，因此，实测蒸发侧加热量与冷凝侧放热量之间存在一定偏差。图2所示为能量平衡校核。由图2可知，除个别传热量较小的工况，绝大多数实验工况相对误差在10% 以内，数据可靠性较高。后文分析中，将以蒸发侧的电加热功率作为热管的实际传热量。

表2 实验仪器精度

图2 能量平衡校核

2 CO2热管与R22热管的性能对比

2.1 最大传热能力对比

随着传热量由小到大的变化，CO2热管先后经历了预启动运行、周期性波动运行和稳定运行三种不同的运行状态[15]，而在本实验工况范围内，R22热管只经历了预启动运行和稳定运行两种状态，两种工质下热管的运行状态分布如图3所示。预启动运行状态下，管内工质没有形成有规律的循环流动，上升管顶部易出现过热；周期性波动运行状态下，管内工质的流动呈周期性振荡，热管的运行参数也呈周期性变化；稳定运行状态下，管内工质形成稳定而有规律的循环流动，此时，热管沿程无明显温差，直至传热量超过热管的最大传热能力，管内开始出现过热或过冷。因此，热管的正常工作状态应满足两个条件:1)热管处于稳定运行状态；2)热管的传热量没有超过其最大传热能力。

图3 不同传热量下热管运行状态(d=9 mm)

实验中，可以通过测量热管蒸发器的进出口温差判断得到热管的最大传热能力，当热管实际的传热量超过其最大传热能力时，管内工质将出现过热或过冷，由于单相换热的存在，此时蒸发器进出口将会出现较为明显的温差。图4所示为9 mm和12 mm两种管径下CO2热管和R22热管蒸发器进出口的平均温差。由图4可知，当上升管和下降管管径为9 mm时，CO2热管和R22热管的最大传热能力分别为3.3 kW和1.5 kW，CO2热管的最大传热能力明显高于R22热管;当上升管和下降管管径为12 mm时，CO2热管和R22热管的最大传热能力均有所提高，分别为5.4 kW和2.2 kW。相同的热管结构下，CO2热管依然具有较大的传热能力。

图4 热管最大传热能力对比

结合热管的运行状态变化和其最大传热能力，可以进一步得到热管的正常工作负荷范围。当上升管和下降管直径为9 mm时，CO2热管和R22热管的正常工作负荷范围分别为1.2～3.3 kW和0.5～1.5 kW，可知，CO2热管的正常工作负荷范围更大。当热管实际传热量低于其正常工作负荷范围时，热管将出现预启动运行、周期性波动运行等非正常运行状态；而当热管实际传热量高于其正常工作负荷范围时，热管将超出其最大传热能力，出现管内工质的过热或过冷，影响传热效率。

2.2 热管系统总传热热阻对比

在一定的传热量下，热管系统的总传热热阻越小，传热性能越好。在本实验中，热管的总热阻包括3个部分:电加热板与蒸发器之间的导热热阻、冷凝侧水的对流换热热阻、热管内部的传热热阻。在相同的实验条件下，蒸发侧电加热热阻和冷凝侧水的对流换热热阻基本不受管内工质种类的影响，管内工质种类主要影响热管内部的传热热阻。图5(a)所示为CO2热管和R22热管总传热热阻随传热量的变化，可以看出，R22热管的总传热热阻比CO2热管更高，这是因为相同条件下，CO2的管内沸腾和凝结换热表面传热系数明显高于R22。图5(b)所示为CO2热管和R22热管所需驱动温差随传热量的变化，在不同传热量下，CO2热管的驱动温差比R22热管平均低约4 ℃，即在相同的条件下，CO2热管系统所需的冷源温度可以提高近4 ℃。

图5 热管性能对比

3 数据中心使用热管的节能分析

与数据中心中应用较为广泛的集中送风空调系统相比，分离式热管系统可以显著改善室内气流组织，减少甚至避免冷热气流的掺混，从而提高冷源温度，提高系统能效。由前文分析可知，相同传热量下，CO2热管所需的驱动温差小于R22热管，因此两者所要求的冷源供水温度也不同，可知CO2热管应用于数据中心将比R22热管更为节能。

本文以一小型数据机房为例，对比分析CO2热管系统、R22热管系统和传统集中送风空调系统的能耗情况。该机房内设备的总散热功率为2 400 kW，空调系统在一年中根据气候条件采取自然冷却和机械制冷两种模式切换运行，当采用传统集中送风空调系统时，根据实际调研数据，假设机械制冷模式下的平均电源使用效率 (power usage effectiveness，PUE)为1.68，自然冷却模式下的平均PUE为1.48。PUE的各部分构成情况如表3所示。

对于集中送风空调系统，由于机房内存在冷热气流的掺混，在保证IT设备进风温度不高于27 ℃的情况下，实际的精密空调送风温度一般需保持在15～16 ℃，此处，假设精密空调送风温度为16 ℃，空调系统冷源侧供水温度按9 ℃计算。相对而言，当采用分离式热管系统时，由于将热管蒸发器直接安装在各个机柜上就近排热，避免了冷热气流的掺混，因此，所需的冷源供水温度可以有所提高。表4所示为各系统温度分布，在相同的IT设备进风温度下，R22热管的工作温度(管内工质的饱和温度)约为21 ℃，所需的冷源供水温度按14 ℃计算。根据2.2小节的实验结果可知，在同样的传热量下，CO2热管系统所需的驱动温差比R22热管低约4 ℃，按此温差进行估算，则CO2热管的工作温度为23 ℃，冷源供水温度为18 ℃。

表3 PUE各部分组成

CO2热管系统、R22热管系统和集中送风空调系统的冷源温度不同，因此，三种系统的冷水机组运行能耗也不同。参考集中送风空调系统各部分电耗比例[16]，以及冷水机组在不同蒸发温度下的COP[17]，计算出三种系统在机械制冷模式下的各部分耗电功率，如表5所示。其中，根据实际调研数据，热管系统末端的风机电耗约为集中送风空调系统精密空调风机电耗的25%。设三种系统下数据机房电力损耗与照明等其他部分的电耗均相同，计算可得机械制冷模式下，R22热管的PUE为1.596，降低了5.0%；CO2热管的PUE为1.580，降低了6.0%。自然冷却模式下两种热管系统的PUE均为1.400，降低了4.2%。

表4 各系统温度分布

表5 机械制冷模式下空调系统各部分耗电功率情况

对于不同的室外气候条件，提高冷源供水温度导致的空调能耗降低程度不同，本文以上海地区为例，进一步对比分析集中送风空调系统、R22热管系统及CO2热管系统全年能耗情况，以及CO2热管系统的节能潜力。

图6所示为上海市典型年室外湿球温度。相比集中送风空调系统，R22热管系统的冷源供水温度提高了5 ℃，其全年自然冷却模式运行时间可延长1 350 h；CO2热管系统的冷源供水温度提高了4 ℃，其全年自然冷却模式运行时间可进一步延长1 000 h。

图6 上海市典型年室外湿球温度

图7所示为上海市3种系统的全年耗电量，其中，CO2热管系统相比R22热管系统节能9.11%，可节省电量7.425×105kW·h；CO2热管系统相比集中送风空调系统节能39.05%，全年可节省电量3.182×106kW·h。从节能和经济角度而言，数据中心采用CO2热管系统具有较为明显的优势。

图7 各系统全年耗电量

4 结论

本文利用同一结构尺寸的热管系统对CO2和R22两种工质进行了实验测试，对比分析了两种工质热管的性能差异，并以典型数据中心和上海气候条件为例，计算分析了CO2热管应用于数据中心的节能潜力。得到如下结论：

1)相同的热管结构尺寸下，CO2热管最大传热能力明显高于R22热管，当上升管和下降管管径为9 mm时，CO2热管和R22热管的最大传热能力分别为3.3 kW和1.5 kW；当管径为12 mm时，CO2热管和R22热管的最大传热能力分别为5.4 kW和2.2 kW，故CO2热管更适合于传热负荷较高的场合。

2)当上升管和下降管直径为9 mm时， CO2热管和R22热管的正常工作负荷范围分别为1.2～3.3 kW 和0.5～1.5 kW，CO2热管正常工作负荷范围比R22热管大，说明在实际负荷发生变化时，CO2热管的适应能力较强，不易出现非正常运行状态。

3)相同的热管结构尺寸下，CO2热管的总传热热阻小于R22热管，故在传热量一定的情况下，CO2热管所需的驱动温差更小，不同传热量下，其驱动温差比R22热管平均低约4 ℃，CO2热管系统的传热效率更高。

4)相比数据中心的传统集中送风空调系统和R22热管系统，因CO2热管所需的冷源温度较高，其全年自然冷却模式运行时间有所延长，即使在机械制冷模式下，其运行能耗更低,在上海地区，数据中心CO2热管系统相比集中送风空调系统的年节电量高达3.182×106kW·h。