风冷式热管背板空调系统在DC化改造中的应用

孙 红，朱 斌，李 军

（1.中国电信股份有限公司泰州分公司，江苏 泰州 225300；2.中国电信股份有限公司江苏分公司，江苏 南京 210037）

1 现阶段传统机房设备现状及存在的问题

1.1 机房机柜局部热岛

机房主要是高功耗核心通信设备（高端路由器、OTN、交换机及NFV 一体化服务器柜等），机房散热大，有些高密度设备的机柜造成了局部热岛，影响了机房运行能效。耗能且降低核心通信设备的能力。

1.2 机房PUE值高

机房层高4.3 m，无架空地板，原空调系统为风冷精密空调加风管送风到列间，再加两台柜机辅助降低机房环境温度；单机架最大负载约为80 A 54 V，约合4.3 kW。存在问题：原空调系统不能满足制冷需求，存在局部热岛问题，前期进行了其中一台老旧精密空调的更换，并且安装了新风系统，在机房外气温较低的情况下直接引进新风，可以保证机房整体的环境温度，但无法解决该区域局部热岛的问题。由于机房存在局部热岛问题，只能将空调出风温度降到很低，保证机房环境温度低于一般机房温度，才能保证局部区域的设备不会宕机，因此该机房电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）较高,高达1.9。PUE为数据中心总设备能耗与设备能耗之比。

2 针对高耗能机柜局部热岛和PUE值偏高的措施

经过现场勘查，机柜过道间隔空间较大，适合安装热管背板换热器。4楼楼顶较为空旷，因此可以将风冷式双冷源机组放置于楼顶。取电可以在机房内原空调电柜取电，原空调电柜中有100 A、70 A空开空余[1]。

针对该机房的局部区域热岛问题和PUE高问题，海陵核心机房内对14台局部温度过高机架安装“风冷型热管背板”。采用制冷热管背板复合双冷源机组+热管背板换热系统，该产品是充分利用室外自然冷源降低机组能耗的高效节能系统，由两部分组成，一部分为室外双冷源制冷机组，在一套制冷系统中实现常规压缩机制冷、热管系统制冷两套循环系统，一体化设计。在室外侧10 ℃时可完全利用自然冷源，采用特有的蒸发冷凝技术，提高蒸发温度，能效比高（压缩制冷模式COP可达4.0，热管制冷模式COP可达13.5）[2]。另一部分为室内热管背板空调，安装在通信设备的热风侧，通过冷媒管与壳管式换热器相连，蒸发侧吸收热量、冷凝侧排出热量，由冷媒的相态变化及自然重力原理实现热量的转移而制冷，系统在机房内部（除背板风扇外）基本无耗能元件。

3 针对高耗能机柜局部热岛和PUE值偏高的改造后的节能效果

3.1 改造前空调运行能耗

考虑机房内装有新风系统，在1、2、12月3个月直接引进新风，所以剔除该3个月的运行时间，其余9个月的空调能效比平均值约为1.73，则改造前全年用电量计算列于表1。

表1 改造前风冷精密空调能耗

3.2 改造后空调运行能耗

改造后空调运行能耗=台数×单机设备功率（kW）×运行系数×运行时间（h）={台数背板风机功率×运行系数×运行时间（h）+台数×空调机组功率×运行系数×运行时间}

室外空调机组在10 ℃及以下环境温度时，运行热管制冷模式，制冷压缩机启动运行。空调机组运行参数如表2所示。泰州地区月平均的干球温度分布，见图1，其中1月、2月、3月及11月、12月温度均在10 ℃以下，此期间空调机组以热管模式运行，运行功率仅为3.7 kW。其余月份空调机组以压缩机模式运行[3]。

图1 泰州地区月均干球湿度

表2 空调机组运行参数（kW·h）

考虑机房内装有新风系统，在1月、2月、12月3个月直接引进新风，所以剔除该3个月的运行时间，则改造后空调年用电量81 648.52 kWh，详细能耗计算如表3所示。

表3 改造后空调年能耗量

目前机房PUE值为1.35。

4 推广应用情况、经济效益

4.1 经验分析和推广建议

随着综合机房DC化改造的推进，大量的较小型的老旧机楼的单机架功率过大，局部过热现象越来越严重，而此类机楼无法采用冷水机组制冷，普通的风冷型机房空调又无法充分利用自然冷源，导致机房PUE居高不下[4]。可推广使用此类风冷式热管背板空调，既可以降低机房PUE值，又可解决局部热岛问题，精确节能。建议作为“老旧机房空调改造的首选方案”，少量热点机架温度调节的“首选方案”；新建机房的空调可选方案之一。

江苏电信持续进行风冷型热管背板的推广，在苏州东渚科技城四楼机房、泰州泰兴中心局三楼数据机房、泰州靖江中心局三楼综合机房、泰州靖江城南局二楼综合机房、无锡江阴滨江三楼西侧数据机房、无锡江阴滨江三楼西侧数据机房5个机房进行风冷型热管背板的建设，涉及470架机架。

4.2 近几年经济效益

2016—2020年应用经济效益如表4所示，其中应用起止时间维2017年9月到2018年10月，合计14个月，累积节约总额32.6万元，月均经济效益0.74万元。

表4 2016—2020年应用经济效益 （万元）

5 针对高耗能机柜局部热岛和PUE值偏高的创新

5.1 机柜级精确换热技术

采用机柜级精确换热技术，彻底解决3机房内热岛效应，同时提升了空调的进风温度至30 ℃，从而达到节能效果的最大化。

在机房内热岛现象严重的机架（同时也是散热量最大的）后侧安装机柜级精确换热空调，进风温度在30 ℃以上，而排风温度却只有18 ℃左右，排出热量的同时，送到后排机柜的空气为20 ℃左右的冷空调，减轻后排的制冷压力，而普通空调的进风温度在25 ℃左右，排风温度在15～20 ℃，众所周知，空调进风温度每升高1 ℃，制冷量可提高3%～5%，同时也就能更大地利用制冷量。

5.2 均负荷热耦合设计

蒸发冷凝器采用均负荷热耦合设计解决了常规热管复合制冷系统中前后蒸发器分别对应不同压缩机系统，因负荷不均衡造成的多次压缩机使用时长不一致，以及整个系统运行可靠性相对较差的问题。

在常规热管复合制冷系统中，每台主机分别有独立的两路供液管，分别供给给末端的前蒸发器系统和后蒸发器系统，两路供液来自于蒸发冷凝器的冷凝侧，其蒸发侧也为独立的两套系统。由于前后蒸发器进风温度工况不同，会造成其工作温度不同，从而造成其对应的主机侧压缩机的运行工况不同，即运行负荷不同。与外蒸发器系统对应的压缩机的负荷较内蒸发器对应压缩机负荷大，如此，负荷的不均衡性会造成压缩机的寿命、可靠性不均衡，如果能消除这种不均衡性，则系统的运行寿命和可靠性均会增加。

在本应用所设计的热管复合制冷系统中，对蒸发冷凝器进行了均负荷热耦合设计：即将系统设计成内外蒸发器与主机侧任一制冷循环都有热交换，也即末端内外蒸发器的热负荷被主机内的所有压缩机共同平均分担，这样每台主机的各个压缩机就处于均负荷状态运行[5]。

5.3 机柜级精确制冷技术+氟氟换热技术的应用

系统中采用机柜级精确制冷技术+氟氟换热技术，将室外风冷机组压缩机运行模式名义工况COP提升到4.0以上。

在空调领域，风冷式压缩机组的名义工况COP一般小于3.0。在本应用热管复合空调系统中，采用机柜级精确换热技术+氟氟换热技术，将空调末端的蒸发温度提升到20 ℃以上，主机蒸发温度提升到17 ℃以上，机组压缩机模式名义工况COP提升到4.0以上，远远超过行业内风冷式压缩制冷机组的能效比值。

5.4 冷媒液池集液分配技术的应用

采用冷媒液池集液分配技术，实现多主机系统的灵活备份。

机房空调领域直接蒸发空调系统一般有多台主机和多台末端组成，为保证制冷系统持续不间断的运行，主机侧应有备份设置，以备当某一台机组故障时系统仍能有足够的冷量提供。在数据中心领域直接蒸发空调系统中，各个主机分别与所冷却的末端通过管路直接相连，备份方式只能局限于交叉备份或2N备份，其备份方式不够灵活，不能满足客户对备份形式的多样化需求。在本应用热管复合空调系统中采用冷媒液池集液分配技术，将室外主机蒸发冷凝器的冷凝侧出液管集中到所设置的冷媒液池里，冷媒在液池内汇集后再由管路将液体冷媒输送到末端进液管，由此将主机侧连成了一个大系统，可以对主机侧灵活进行各种备份能力的配置。

5.5 侧出液结构的应用

末端系统的主管分液采用侧出液结构，保证了末端系统的分液均匀性。

在数据中心常规热管制冷系统中，位于末端空调上部的分液主管的出液口位于主管的底部，这样的设计方式在管路有起伏或者冷凝液量不十分充足时，会造成位于分液主管后面的末端分配不到液体或者分配到的液体量过少，造成末端之间的分液量不均，部分末端制冷效果不佳。

在本应用的制冷热管复合空调系统中，将分液主管的出液口位于主管的侧面，分液支管一端接于主管出液口，另一端水平伸出并连接到末端空调入口，此设计实现了集管液管到各个末端的均匀分液，保证整个系统的有效运行。

5.6 混合制冷模式的应用

根据末端互为备份的两片蒸发器的运行温度不同，通过压缩机制冷和热管制冷同时运行的混合制冷模式，提高室外自然冷源的利用温度至15 ℃以上，延长自然冷源利用时间。

在机房空调领域，自然冷源的利用温度大多在2 ℃左右，一般不超过10 ℃。本系统可以将自然冷源利用温度提升到15 ℃以上，具体方法为：每个末端里面有前后两片蒸发器，机柜排出的热风分别穿过前蒸发器和后蒸发器，被冷却到23 ℃左右排出到机房空间，因为前后两片蒸发器的进风温度工况不同，所以蒸发器内冷媒的运行温度不同，前蒸发器运行温度大于后蒸发器，根据热管温度驱动原理，前蒸发器相对于后蒸发器可在更高的环境温度下利用自然冷源。因此，在过渡季节，把为末端的前蒸发器提供冷源的室外主机运行热管模式，为末端后蒸发器提供冷源的主机运行压缩机模式，在保证末端冷源充足的前提下最大限度地利用自然冷源。