数据中心用热管空调系统研究进展

卢大为，王 飞，王建民，邵双全

（1.河北省特种设备监督检验研究院 承德分院，河北承德 067050；2.克莱门特捷联制冷设备（上海）有限公司，上海 201419；3.中国石油昌平数据中心，北京 102200；4.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074）

0 引言

数据中心冷却系统为保证数据中心中IT设备及电源、电池等其他设备的高效稳定运行提供了适宜的温度和湿度等环境，其自身也消耗了大量的电能，约占整个数据中心能耗的20%～40%，是数据中心中能耗最大的辅助设备。因此，降低制冷系统能耗是提升数据中心能源利用效率的重要环节。从数据中心冷却系统能耗构成上看，主要由冷源设备（制冷机组）能耗、输配设备（主要是水泵、输送风机）能耗以及散热设备能耗（主要是末端散热风机、冷却塔风机、空气冷却器风机等）构成。其中制冷机组（主要是压缩机）的能耗占整个冷却系统能耗的50%～70%，降低制冷机组能耗是数据中心冷却系统节能的核心［1-5］。

从数据中心的制冷需求角度看，其内部负荷密度高，电耗密度高达300～1 500 W/m2，互联网数据中心甚至可达3 000 W/m2，而通过维护结构和新风所引起的冷负荷占比很小；其内部的IT设备一般不吸湿也不产湿，而且对新风需求少（仅满足IT设备及辅助设备的工艺需求即可），室外新风所导致的湿负荷也很小；此外，数据中心需全年连续稳定运行，即使在冬季室外温度很低时，仍然需要向外部散热。因此，降低数据中心制冷系统能耗的措施主要是提高主动冷源设备（主要压缩机）的运行效率和提高自然冷源的应用时间（通过自然冷源应用降低压缩机运行时间）［1］。

当室外环境低于室内环境温度时，室内的热量可以自动从高温环境向低温环境传递，从而实现自然冷却（即不开启制冷机组），回路热管是实现数据中心高效自然冷却的重要技术形式之一。充分利用自然冷源是目前解决数据机房高能耗问题的首选方式，并且从一定时间来看，自然冷源是一种可再生能源，当数据中心利用自然冷源产生与常规机房空调同等制冷量时，所消耗的能源低于常规机房空调的那部分能源即为可再生能源。采用回路热管可以充分利用室外自然冷源的同时，冷却介质质量流量降低并可充分利用重力从而降低输配能耗，并且室内机可以更为接近发热器件（如背板空调）从而减少气流掺混所引起的冷量损失，是数据中心最具节能潜力的技术之一［5-9］。

1 回路热管冷却系统驱动形式

回路热管作为高效的传热设备回路热管主要有室内蒸发器和室外冷凝器构成，用于数据中心冷却系统按驱动方式主要分为3种：重力型、液相动力型和气相动力型，如图1所示［10-13］。重力型回路热管的室外冷凝器要高于室内蒸发器，利用室外冷凝器和室内蒸发器之间的高度差所形成的重力与浮升力的压力差驱动制冷剂循环流动，制冷剂在室内蒸发器吸收机房内IT设备所散发的热量变为气体，经气体管上升进入室外冷凝器被室外自然冷源（空气或水等）冷却变为液体，再经液体管流回室内蒸发，形成一个冷却循环。重力型回路热管不仅利用了室外自然冷源，更是直接利用重力作为驱动力了，降低了冷却介质的输运能耗。

图1 数据中心冷却用3种回路热管Fig.1 Three types of loop heat pipe for data center cooling

但是，为了保证重力型回路热管的启动和运行，一方面室外冷凝器的位置必须高于室内蒸发器，并且气体管路和液体管路的布置也要尽量保证冷媒的顺利流动。在有些应用场景中，由于室外冷凝器的位置和连接管路的安装难以形成足够驱动力，因此仍需要在液体管或气体管上安装辅助动力，分别称为液相动力型和气相动力型。液相动力型回路热管一般要在液泵之前安装储液器以防止液泵发生气蚀，而气相动力型回路热管一般要在气泵前安装气液分离器以防止气泵发生液击。上述3种回路热管循环的压焓图如图2所示。重力型回路热管中制冷剂依靠重力形成自然循环，由于室外冷凝器高于室内蒸发器，因此冷凝温度会低于蒸发温度；液相动力型回路热管中制冷剂依靠液泵的驱动力循环流动，液泵提升了蒸发器的压力，也使得冷凝温度会低于蒸发温度；气相动力型回路热管中的制冷剂依靠气泵实现循环流动，气泵提升了冷凝器的压力，因此冷凝温度会高于蒸发温度。冷凝温度的升高，更有利于回路热管向自然冷源散热，从而提高回路热管自然冷源的利用率。

图2 数据中心冷却用3种回路热管压焓曲线Fig.2 P-h diagram of the three types of loop heat pipe for data center cooling

2 重力型回路热管

2.1 重力型独立回路热管机房空调系统

如图3所示，重力型独立回路热管只由室内蒸发器和室外冷凝器通过气体管路和液体管路连接而成，重力型独立回路热管结构简单紧凑、传热性能好、可靠性高，已经广泛应用于中小型数据中心和通讯基站中［14-19］。由于没有制冷剂输运能耗，只有为了增强传热效果的室内风机和室外风机的能耗，重力型回路热管可以达到很高的能效，成为中小型数据中心和通讯基站的利用自然冷却实现节能的重要措施。但是该系统只能在室外温度较低时运行，因此数据中心及基站仍需配备常规机房空调保证室外高温时的机房制冷需求。

图3 重力型回路热管冷却系统原理与性能［19］Fig.3 Principle and performance of cooling system with gravity driven loop heat pipe［19］

2.2 叠加式重力型复合机房空调系统

将重力回路热管与传统蒸气压缩制冷系统相结合构建回路热管/蒸气压缩复合空调系统，既可以保证室外高温时的制冷需求，又可以充分利用室外低温时的自然冷能。图4中示出了一种叠加式重力回路热管/蒸气压缩复合机房空调系统［20-21］。该系统由2个独立制冷剂回路，蒸气压缩制冷回路和重力回路热管回路，只是将蒸气压缩制冷回路的冷凝器和重力回路热管的冷凝器叠加共用一个冷凝风机，并将蒸气压缩制冷回路的蒸发器和重力回路热管的蒸发器叠加共用一个蒸发风机，2个回路的制冷剂不互相掺混且不互相传热。当室外温度低于室内温度5 ℃以上时，回路热管系统即可启动实现自然冷却，制冷量不足或者室外温度较高时则开启蒸气压缩制冷系统，试验结果显示，年节能率在20%～55%之间。但是由于该类系统中运行蒸气压缩制冷模式或回路热管自然冷却模式时，室内风机和室外风机都需要承担两套系统空气侧的压力损失，使得风机的能耗增加。

图4 叠加式重力型复合机房空调系统［20］Fig.4 Integrated CRAC system with gravity driven loop heat pipe with air side cascade［20］

2.3 直接耦合式重力型复合机房空调系统

直接耦合式重力型回路热管/蒸气压缩复合机房空调系统，即回路热管共用了蒸气压缩制冷回路的蒸发器和冷凝器及回路中的制冷剂，在运行回路热管自然冷却回路时将蒸气压缩回路中的压缩机和节流阀旁通。旁通式重力型回路热管/蒸气压缩复合机房空调最早由日本OKAZAKI等［22-23］及韩国 LEE 等［24-25］提出并开展相关研究与优化设计。清华大学石文星等［26-28］开发出一种新型的适合热管模式与制冷模式切换的三通阀，在此基础上构建了一种基于三通阀的旁通式重力型回路热管/蒸气压缩复合机房空调系统，如图5所示。该系统在全国南北不同地区多个基站中实测结果表明机组运行稳定、室内温度控制良好，在同等条件下，比常规基站空调节能30%～45%。该系统中，需要依靠阀门进行运行模式的切换，由于数据中心及通讯基站都要是全年连续运行，阀门的运行寿命和可靠性问题是该系统能否长期运行的关键。

图5 旁通式重力型复合机房空调系统［27］Fig.5 Integrated CRAC system with gravity driven loop heat pipe with refrigerant bypass［27］

2.4 间接耦合式重力型复合机房空调系统

间接耦合式重力回路热管/蒸气压缩复合机房空调系统的热管回路与蒸气压缩回路的制冷剂不直接混合，而是通过换热器在两个回路制冷剂之间进行传热。

图6示出了一种基于双热管回路的的重力回路热管/蒸气压缩复合机房空调系统［29］。该系统由蒸气压缩回路和回路热管回路两个制冷剂回路共用一个室内蒸发器构成，实现了无阀条件下的系统模式切换，系统的自动化程度和安全可靠性更高。并且该系统可以实现重力回路热管自然冷却和蒸气压缩制冷2个模式的自动切换，具有较高的全年运行效率，在北京、哈尔滨等地区应用该系统，可使得数据中心的PUE下降0.3左右。

图6 基于双热管回路的重力型复合机房空调系统Fig.6 Integrated CRAC system with gravity driven heat pipe based on two heat pipe loops

图7示出了中科院理化所张海南等提出了一种基于三介质换热器的回路热管/机械制冷复合机房空调系统［30-32］。该系统利用三介质换热器将蒸气压缩制冷回路和回路热管回路进行耦合，即回路热管的制冷剂在三介质换热器内既可被室外低温空气冷却，也可以被蒸气压缩回路待蒸发的低温制冷剂冷却，从而实现回路热管冷却、蒸气压缩制冷以及两种方式联合制冷3种模式。该系统不通过阀门即可实现3种运行模式的自动切换，并且两个冷媒回路独立运行便于换热器及整个系统的多工况优化设计，3个工作模式均具备良好的制冷能力和能效比。在保证数据中心及通讯基站全年冷却效果的同时，大幅降低机房空调系统的运行能耗。试验结果表明，热管模式EER值在20 ℃温差下达20.8，全年能效比可以达到12.0以上（北京）。

图7 基于三介质换热器的重力型复合机房空调系统［30］Fig.7 Integrated CRAC system with gravity driven heat pipe based on three-fluid heat exchanger［30］

3 液相动力型回路热管冷却系统

为了克服某些应用场合难以满足回路热管室外机的安装位置和连接管路的安装工艺的问题，在回路热管的液体管路上加装液泵以保证制冷剂的液相动力型回路热管冷却系统也受到关注。由于回路热管系统制冷剂基本处于饱和状态，液体管中的过冷度很小，进入液泵的冷媒中很容易闪发出气体，对液泵造成气蚀，从而造成液泵寿命的降低，因此研究高可靠性的液泵及进行相应的系统优化设计是推动液相动力型回路热管冷却系统应用的关键。

3.1 液相动力型独立回路热管系统

图8示出液相动力型独立回路热管系统中，液态制冷剂通过液泵驱动从储液器流到室内蒸发器，从机房内吸收热量变为气态制冷剂，再流到室外的冷凝器向室外自然冷源散热变为液态制冷剂后流回储液器，如此循环，从而将机房内的IT设备运行所散发的热量源源不断转移到室外，达到为机房进行自然冷却的目的［33-36］。为了防止液泵的气蚀，在液泵之间需加装储液器，但是由于整个回路中制冷剂的温度和压力变化都很小，防气蚀问题仍是困扰该系统的核心问题。

图8 液泵驱动热管系统工作原理［33］Fig.8 Principle of liquid pump-driven loop heat pipe system［33］

3.2 直接耦合式液相动力型复合机房空调系统

液泵驱动热管系统是利用室外气温较低的自然冷源进行冷却，在夏季室外气温较高时仍需开启蒸气压缩制冷，为了避免使用2套独立的系统来实现全年供冷所造成的资金和空间上的过多占用。图9示出一种采用压缩机与节流装置旁通的直接耦合式液相动力型回路热管/蒸气压缩复合冷却系统，主要包括液泵驱动热管自然冷却模式和蒸汽压缩制冷模式，其性能如图10所示［37-39］。

图9 旁通式液泵驱动复合机房空调系统工作模式Fig.9 Operation modes of integrated CRAC system driven by bypass liquid pump

图10 液泵驱动制冷剂旁通型复合机房空调系统性能Fig.10 Performance of integrated CRAC system driven by liquid pump with refrigerant bypass

图11示出了一种基于储液器的直接耦合式液相动力型回路热管与蒸气压缩复合冷却系统［40-41］。系统由蒸气压缩制冷系统与回路热管系统通过低压储液器耦合复合构成，实现按需制冷；包括压缩机、制冷冷凝器、节流装置、低压储液器、液泵、蒸发器、热管冷凝器，在三通阀的作用下，系统可根据室外环境温度以及室内负荷需求分别切换运行制冷模式、复合模式以及热管模式。

图11 基于储液器的液泵驱动复合机房空调系统Fig.11 Integrated CRAC system driven by liquid pump based on refrigerant receiver

3.3 间接耦合式的液相动力型复合机房系统

图12示出一种基于冷凝蒸发器/储液器的液相动力型回路热管/蒸气压缩复合冷却系统［42-43］。该系统通过液泵驱动的回路热管系统与压缩制冷系统在冷凝蒸发器处进行复叠构成，热管冷凝器与制冷冷凝器叠合而成，共用一个风机，冷凝蒸发器采用壳管式换热器，系统能够根据室外温度以及机房负荷分别切换热管模式、复合模式以及制冷模式，实现了热管与机械制冷同时运行，将热管复合（复叠）型空调机组与风冷直膨式机组、风冷双冷源冷水机组在广州、上海、北京、哈尔滨4个地区进行能效模拟对比分析，结果表明热管复合式机组节能率为4.8%～46%。

图12 基于冷凝蒸发器/储液器的复合型制冷系统Fig.12 Integrated CRAC system based on condenser/evaporator/refrigerant receiver

4 气相动力型回路热管/蒸气压缩复合冷却系统

图13示出了气泵（压缩机）驱动的气相动力型回路热管冷却系统，在室外温度高于室内温度时，可以运行于蒸气压缩制冷工况；随着室外温度的降低，系统的压缩比不断下降；而在室外温度低于室内温度时，可以运行于热管模式，压缩机运行于小压缩比工况，只提供气体流动所需要的动力，实现高效自然冷却。该系统的关键是能够在压缩比大幅度变化情况下运行［44-50］。

图13 气相动力回路热管机房空调系统原理［50］Fig.13 Schematic diagram of CRAC system with gaseous power loop heat pipe［50］

采用滚动转子压缩机和涡旋压缩机驱动的回路热管冷却系统分别如图14，15所示［50］。通过整机能效EER以及压缩机单体COP分析可知，在标况下，整机能效EER为2.9，压缩机单体COP大约为3.7，随着室外温度降低，EER能效与压缩机单体COP均大幅提升，在室外5～-5 ℃时，压缩机单体COP超过20，说明压缩机作为气泵使用具有很高的节能效益。

图14 变频转子压缩机（气泵）机组性能［50］Fig.14 Performance of inverter driven rolling-piston compressor（gas pump）unit［50］

图15 变频涡旋压缩机（气泵）机组性能［50］Fig.15 Performance of inverter driven scroll compressor（gas pump）unit［50］

5 结论与展望

数据中心作为我国“新基建”的重要内容之一，也是数字经济的重要载体，一直保持着快速发展，其能耗问题日益受到关注。作为能耗最大的辅助系统，冷却系统降耗是提效降耗的关键。回路热管作为一种高效传热手段正被越来越多地应用于数据中心冷却系统中，通过自然冷却获得了良好的节能效果。

回路热管按驱动力可以分为重力型、液相动力型（液泵）、气相动力型（气泵或压缩机），都可以充分利用室外自然冷能（冬季和春秋季部分）实现冷却高效节能运行。重力型回路热管不需要额外提供动力，只需保证冷凝器与蒸发器之间足够的高差和管路的合理布置即可高效运行；在高差和管路布置无法满足时，液相动力型和气相动力型热管在辅助动力的作用下可以正常运行。气相动力型热管可适当降低蒸发温度并提高冷凝温度，有助于提高热管的传热温差，循环理论效率优于液相动力型热管，但气相介质的输运效率要低于液相工质的输运效率，综合而言，当前液相动力型热管的效率更高。采用压缩机代替气泵的方案也需要压缩机在大压缩比（主动制冷）和小压缩比（自然冷却，只提供动力）的全工况范围内运行并保持高效。液泵和气泵在气液两相回路中易出现气蚀和液击问题，长期运行的可靠性仍有待进一步检验。

3种驱动方式的回路热管都可以与蒸气压缩主动制冷系统（夏季和春秋季部分）有机结合，保证数据中心全年高效冷却。直接耦合式复合机房空调系统中热管回路和蒸气压缩回路共用了换热器和制冷剂，可降低系统的材料成本，也可以降低传热损失；但是换热器的设计要满足蒸气压缩主动制冷和回路热管自然冷却两种模式和全年工况下的优化设计，而且依靠阀门频繁切换实现全年不间断运行的阀门可靠性，是这类系统面临的两大挑战。间接耦合式复合机房空调系统通过中间换热器的方式实现蒸气压缩制冷、回路热管自然冷却以及两种方式的联合冷却3种运行模式，虽然损失了一定的传热温差并损失一定的传热温差，但是系统的可靠性可以大大提高，保障数据中心全年连续制冷的高可靠性要求。

综上，回路热管空调为数据中心冷却系统节能提供了高效可靠的技术方案，相关技术的改进必将使其在数据中心冷却系统节能减排中发挥越来越重要的作用。