热管空调系统在高发热密度数据机房的应用

何智光，李震，施峻，林烨敏，项敏

（1.清华大学 航天航空学院，北京 100084；2.河北清华发展研究院，廊坊 065000；3.国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂，丽水 323000）

数据机房是信息行业发展的重要支撑，是集中摆放大量服务器、存储设备、网络设备等IT设备的特殊建筑，是实现数据信息集中处理、存储、传输、交换、管理的服务平台。数据机房全年不间断的运行模式使其年运行小时数为普通商业建筑的3倍，设备的密集摆放使其用能量大而集中，单位面积能耗可达普通办公建筑的100倍［1］。数据机房不仅单体用能量巨大，而且数量众多，包括运营商、银行、互联网企业的大型服务器和交换机中心、政府和各企事业单位的信息中心。随着以信息技术为代表的第三次工业革命的高速推进与发展，近年来全球范围内数据机房的数量和规模急剧增长，能源消耗也与日俱增，因此如何解决高发热密度数据机房的散热问题和机房节能已成为当前数据中心发展的重要关注点。

目前，数据处理设备正向着小型化甚至微型化的方向发展，设备的密集度逐渐增加带来设备的散热密度也急剧增加，单机柜最大发热量已超过10kW。传统集中式送风冷却系统由于存在冷热气流掺混等问题，已经难以满足如此高的散热要求。而热管空调技术为高发热密度机房提供了一种有效的解决办法，它不仅具有高效的传热性能，而且采用分离式的布置方式具有布置灵活、可实现远距离传热以及缩短换热环节等优点。本文针对目前数据机房的发展现状进行了调研，指出了传统空调系统在高发热密度机房的使用中存在的不足，并对热管空调系统进行研究，给出了热管空调系统在机房的具体使用方案，并实际改造某一北京机房进行测试。

1 数据机房发展现状

近三十年来，信息量的迅猛增长对IT设备的性能提出越来越高的要求，伴随着各种小型化甚至微型化的高性能数据处理设备（如刀片式服务器）的普及，机房IT设备的散热密度急剧升高，目前高端单片CPU的满负荷散热密度高达75W/cm2。图1［2］给出了近年来不同架构尺寸的高端服务器单片CPU功耗和散热密度的变化。从图中可以看出，随着CPU架构的小型化，其散热密度越来越高，尤其是采用多核心CPU的紧凑型服务器，其满负荷发热密度可以超过100W/cm2。

图1 高端服务器单片CPU功率和散热密度演变

图2［3］将二十年来各类常用的机房IT设备在满配置时的散热密度用不同颜色条带标注出来，条带宽度表示该类IT设备在常见负载率内的散热密度变化范围。从图2中可以看出，在各类机房IT设备中，通信类散热密度最高，在2004年以后其满负荷运行时的峰值超过了80kW/m2。即便是散热密度最低的磁带是存储设备，其满配置时的平均值也达到了2kW/m2。按照信息机房常见机架布置密度和负载率估算，一般大型机房在正常运行时单位建筑面积发热量大约在500～2000W左右，即散热密度为500～2000W/m2，并且是全年不间断散热。因此信息机房的散热密度和散热量都远高于有一定作息规律的普通办公建筑（～100W/m2）和大型公共建筑（～200W/m2）。

图2 常用机房IT设备散热密度演变

由此可见，信息设备正逐步向着密集化发展，服务器散热密度急剧增长，数据机房正逐步成为高发热密度建筑。随着发热密度的增加，机房热源不均匀程度将进一步增加，局部热点现象将更加普遍，为了保证IT设备运行环境的稳定性和安全性，对机房空调系统提出了更高层次的要求。在高发热密度的情况下，机房空调系统必须具备更优的制冷能力并尽可能减弱或消除局部热点现象。此外，随着制冷量的增加，机房空调系统能耗将进一步增加，如何解决节能问题也是高发热密度机房空调系统的研究重点。

2 传统空调系统

当前广泛使用的数据机房空调系统主要为集中式送风冷却系统，应用较好的为下送风形式，该空调系统通过机械制冷的冷媒冷却机房回风的热空气至送风状态，空调送风由地板静压箱经架空地板送风口将冷量输送到各个机柜入口对服务器进行冷却，经过换热，热空气回流至空调箱完成空气循环。

采用集中式下送风冷却方式不可避免地会造成机房内部冷热气流掺混，如图3所示。空调送风的冷空气可能没有进入机柜换热，而直接回到空调箱造成冷气短路；机柜排风的热空气可能回流至机柜入口，与机柜进风的冷空气进行掺混，造成热风回流。其中冷气短路造成冷量的浪费，而热风回流会引起机柜进风温度不同程度的上升，影响服务器换热效果。其次由于冷热掺混和机房本身的热源不均匀性容易形成局部热点。为了满足每个机柜送风达到换热要求的温度，则必须降低整体的送风温度或者增加送风量，从而进一步增加冷机和风机的能耗。

图3 集中式下送风冷却系统示意图

随着数据机房散热密度的提高，集中式送风冷却系统发展了冷热通道隔离的方法以抑制冷热气流的掺混，降低机柜进风温度，提高冷量利用效率。当单机柜发热功率进一步增加，集中式送风冷却系统只能通过加大送风量实现机房温度的控制，然而加大风量所带来的风机能耗增加成为集中式送风冷却系统在高发热密度机房应用的限制。

3 热管空调系统

热管是一种成熟、可靠、高效的传热元件。根据热管的结构形式可分为整体式和分离式两类，其中分离式热管具有整体式热管的高导热性能，同时还可实现远距离传热，具有装置适应性和密封性好、安装灵活，蒸发端和冷凝端的换热面积可调整等诸多优点［4］。

数据机房热管空调系统是基于分离式热管的数据机房自然冷源利用设备［5］。如图4所示。该系统由室内蒸发端、室外冷凝端、上升管和下降管组成。其工作原理是通过强制对流换热，机房回风将热量传递给蒸发端，管内液体冷媒吸热后蒸发成蒸汽，在压差作用下通过上升管进入室外冷凝端，在冷凝端将热量释放到室外环境，蒸汽冷凝成液体在中立作用下回流至室内蒸发端实现循环。该空调系统在室外环境温度较低的时候可通过室内外温差实现循环排热，实现机房制冷。在室外温度较高时，可通过将冷凝端与冷机结合，通过冷机制造温差实现机房排热，若将冷机更换为可利用自然冷源的制冷设备，则可实现全年对机房进行散热。

图4 数据机房热管空调系统示意图

采用分离式热管空调系统可根据机房散热需求灵活安装室内蒸发端，将蒸发端安装在机房冷通道或直接安装在机柜柜门上，可实现就近排热，缩短机房换热环节，减少冷热气流掺混。并可根据不同区域的热源分布不同，调节蒸发端的送风量，实现冷量按需分配，消除局部热点。此外，采用分离式热管空调系统对数据机房进行温度控制可取消架空地板和静压箱的设定，减少机房初期投资。

4 热管空调系统的应用

对北京市某机房进行热管空调系统改造，该机房平面图如图5所示，本次改造测试针对服务器机房1号室、2号室、3号室共计77个机柜，占地面积215m2（包括对应空调间）。机房原制冷系统主要由空调间的4台精密空调和安装在3号室的2台精密空调完成。此次改造测试选择定制热管空调系统，在空调间放置一台热管空调的蒸发端，在3号室的两台精密空调间放置2台热管空调的蒸发端。配置热管的额定总制冷量为55kW。改造布置图如图5所示。

图5 测试机房平面图

在2月10日至13日，分别就两种测试工况（热管空调开、热管空调关）进行机房的用电量测试，分析其节能效果，并根据北京市气象参数，推测机房改造后全年运行的节电量。具体工况测试时间和工况说明如表1所示。

表1 测试工况说明

测试期间数据机房始终处于要求的温度范围内，未发生报警情况。测试数据如表2所示。IT设备电表变比为80，空调系统电表变比为60，其中空调系统电表测量的是空调和热管的总用电量。测试结果表明，工况1下空调系统日均用电量为619.2度/天，其中精密空调546.2度/天，热管空调73.0度/天；工况2下空调系统日均用电量1060.8度/天。因此热管运行时相比于热管关闭时空调系统日均节电量为441.6度/天，日均节电率41.6%。

表2 用电量测试数据表

当室外温度不大于13℃时，热管空调系统额定冷量输出运行；当室外温度处于13℃至18℃之间时，热管空调系统部分冷量输出运行。根据北京市典型气象参数统计，室外温度不大于13℃的全年小时数为4276小时；室外温度不大于18℃的全年小时数为5414小时。则可预测全年节电率约为20.3%～25.8%。

5 结论

随着数据机房的发展，其散热密度和规模均不断增加，如何高效节能地实现机房散热已成为数据机房空调研究的重点。传统集中式送风冷却方式在面对高发热密度机房时，只能以增加能耗为代价对机房进行温度控制，同时难以避免气流掺混，无法进行冷量按需分配，容易造成局部热点，冷却效果不佳。而热管空调系统因其灵活的安装特性和高效的传热性能可实现机房冷量按需分配，就近排热，缩短传热距离，提高传热效率，减少换热温差。同时热管空调系统对自然冷源的充分利用可产生巨大的节能效益。

通过对北京某数据机房进行实际改造测试，验证了热管空调系统在实际运行中的可行性，测试期间日均节电率41.6%，预测全年节电率可达20.3%～25.8%。具有良好的应用前景。