热管背板空调应用的改进设想

吴 剑，方元昌，郭清江

（1.中国电信泉州分公司，福建 泉州 362000；2.中国电信福建公司，福建 福州 350000；3.中国通服福建设计院，福建 福州 350000）

0 引 言

随着网络架构扁平化以及网际互连协议（Internet Protocol，IP）化，传统机房设备安装呈现混杂化。不同功率密度的设备随机交叉安装，导致机房不断出现零星机柜过热现象。受历史因素影响，机房往往无成熟条件满足大功率精密空调安装需求。这种情况下，背板式热管空调是一种与服务器机柜相匹配，不仅贴合独立机柜要求近热源冷却的高效制冷，而且能满足个别高热密度机柜散热需求。因此，该产品成为解决传统机房个性化散热需求的有效方案。

1 热管空调简介

1.1 空调原理

空调主要通过制冷剂的物态循环变化伴随的可持续性吸热与放热周期循环特性来实现室内外的热量搬运。通信机房内风冷空调常见的制冷剂是氟利昂，氟利昂的特性是由气态变为液态时释放大量的热量，而由液态转变为气态时会吸收大量的热量。风冷式机房空调也根据此原理设计。制冷循环实现的压焓如图1所示[1]。

图1 制冷循环实现的压焓图

压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂，然后送到冷凝器散热后成为常温高压的液态制冷剂，室外机吹出热风。然后液态制冷剂经毛细管，进入蒸发器。由于制冷剂从毛细管到达蒸发器后空间突然增大，压力减小，液态的制冷剂就会汽化，变成气态低温的制冷剂，从而吸收大量的热量，蒸发器就会变冷，室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，室内机吹出冷风[2]。

1.2 热管空调原理

热管空调基于普通风冷式空调进行发展，同样需要通过制冷剂的物态循环变化产生的可持续性吸热与放热周期循环特性来实现室内外的热量搬运，只是热管采用一种导热性能极高的被动传热元件。利用相变原理和毛细作用，使得它本身的热传递效率比同样材质的纯铜高出几百倍到数千倍。通过采用特殊机制，省去压缩环节，充分吸收外界热量，来实现制冷剂持续周期性的物态循环变化，从而大大降低机房空调的电功耗。

热管是一根真空的铜管，里面注入的工作液体是热传递的媒介。热管壁上有吸液芯结构。依靠吸液芯产生的毛细力，使冷凝液体从冷凝端回到蒸发端。因为热管内部抽成真空以后，在封口之前再注入液体，所以热管内部的压力由工作液体蒸发后的蒸汽压力决定。只要加热热管的表面，工作液体就会蒸发。蒸发端蒸汽的温度和压力都稍稍高于热管的其他部分，因此热管内产生了压力差，促使蒸汽流向热管内较冷的一端。当蒸汽在热管壁上冷凝时，蒸汽放出汽化潜热，从而将热传向了冷凝端。之后，热管的吸液芯结构使冷凝后液体再回到蒸发端。只要有热源加热，这一过程就会循环进行[3]。

当阳光射在真空管内的吸热片上，热管内的制冷剂受热沸腾汽化，蒸汽不断冲向顶部的冷凝端，在冷凝端冷凝变成液体，冷凝的制冷剂沿管壁流回热管的蒸发段，完成一个循环。这种在一端吸热汽化而在另一端凝结放热，通过内部相变实现热量传递的热管，称为重力热管。热管的内部没有吸热芯，凝结的液体从凝结段回流到蒸发段是依靠凝结液自身的重力，不需要外部动力而自动循环，这就是热管式真率管的集热过程。由于热管依靠重力使工质循环，在使用中必须将蒸发段置于凝结段的下方。若蒸发段置于凝结段的上方，重力对凝结液的回流会起阻碍作用，这时没有动力使凝结液返回到蒸发段，热管就不能工作。因此热管可以称之为单向传热的热二极管[4]。

1.3 热管背板空调

热管背板空调在热管空调的基础上进一步发展而来，通过将室内蒸发器规格研制成与标准19英寸机柜相匹配来满足高功率机柜的散热需求。

1.4 热管背板空调的常规应用模式及拓展

为满足业务设备的散热需求，传统热管背板空调运行通常存在两种模式。一是采用热管、压缩机与室外风冷冷凝器三合一架构；二是采用热管、板换与室外水冷相变冷却塔三合一架构。

1.4.1 热管背板空调加装压缩机

在传统热管背板空调加装压缩机，并选用相关特性合适的冷媒剂，通过压缩机工作强迫实现热管内冷媒的循环流动，提升冷媒的冷凝压力与温度，实现高热密度设备机架的制冷需求。

1.4.2 热管背板空调加装板换与室外水冷相变冷却塔

热管背板空调通过加装板换与室外水冷相变冷却塔来满足供冷问题。在25 ℃环境中，水的比热容约为空气的4倍，即空气上升4 ℃多的热量才能令相同质量的水温度上升1 ℃，因此作为导热和吸热介质，水要比空气优越[5]。系统通过水蒸发冷却降低冷凝温度，自然蒸发实现冷却水与空气的热交换，板换实现水与冷媒的热交换，冷媒、蒸发器实现与设备热交换。

1.4.3 热管背板空调应用模式改进设想

通信机房通过机房精密空调实现对设备的供冷。机房精密空调在进行制冷运行的同时也存在除湿效应，空气中的饱和水蒸汽遇到室内蒸发器后就会凝结成水滴，汇集到空调接受盘后，顺着机房的排水管排至室外。这些冷凝水温度通常在18 ℃左右，比常规市政自来水温度低。在业务设备规模较大的综合机房，机房精密空调的冷凝水汇集数量可观，将这种可观的潜冷量再利用，通过进一步降低水冷相变冷却塔的冷凝温度，提升热管背板空调的制冷效率[6]。

1.4.4 几种应用模式对比

几种应用模式对比如表1所示。

表1 几种应用模式对比

2 测试情况

根据上述设想，在某机房尝试机房精密空调冷凝水潜冷量再利用测试，整个测试系统主要包括室内热管背板、室外板换和水冷相变冷却塔。室内机与室外机沟通采用冷媒，冷媒与室外空气换热采用板换，而室外相变冷却塔进水采用“市政常温自来水补水”和“市政常温自来水进水+回收蒸发器冷凝水双重补水”两种方式进行。

本次测试的空调室外机采用水冷相变蒸发式冷却塔进行换热，利用其他空调室内蒸发器冷凝水对室外相变冷却塔进行二次降温，有效提升夏季高温天气热管背板空调的制冷效率。在低位处设置储水水箱，通过适当排水管路改造将原有大楼多台空调的冷凝水排水汇集至新设置储水水箱，并通过水泵与控制系统将汇集的冷凝水输送至热管空调室外相变冷却塔进一步降低冷却水温度。具体冷凝水系统与热管背板如图2所示、冷凝水回收装置如图3所示[7]。

图2 冷凝水与热管背板系统

图3 冷凝水回收装置

2.1 测试方案

由于本次测试只用了一台热管背板和热管列间空调，机房中还有其他制冷设备，在本测试节能对比中采用空调器的制冷性能系数（Energy Efficiency Ratio，EER）、全年能效比（Annual Energy Efficiency Ratio，AEER)、冷却水补水量和冷凝水冷量来进行对比分析，通过EER、冷却水补水量和冷凝水冷量的大小可以明显体现该方案的节能性。

为了测试本项目热管空调的节能性，通过如下测试步骤来对机组的运行状态进行测试：一是测量热管的进风干球温度和相对湿度，计算进风干湿球温度；二是测量热管的出风干球温度和相对湿度，计算出风干湿球温度；三是测量风机的转速，计算机组的风量；四是测量冷凝水流量；五是测量热管的输入功率；六是测量蒸发式冷凝器的输入功率。

通过测量的进出风干球温度和相对温度，可以计算出进出风的干湿球温度，配合机组的风量就可以计算出热管空调的制冷量，根据制冷量和热管及冷凝器功率的对比可以计算出EER的大小。根据室内的冷负荷可以计算出冷却水的补水量，结合测量的冷凝水流量，可以得到冷凝水占总补水量的百分比。根据补水量和冷凝水流量分别计算总共需要的冷量以及冷凝水提供的冷量，由此得到冷凝水的冷量所占的百分比。由于热管的制冷量的大小与室外环境温度是强相关的，因此在数据测量时需要进行一个长周期的连续测试[8]。

2.2 测试结果

室外环境温度直接影响热管的制冷量，考虑到室外气温从早到晚会有较大变化，为了比较冷凝水回收利用方案的节能性，本项目对未设置冷凝水回收方案与回收利用方案分别进行了测试，测试过程中每隔3 h记录一组数据而且持续一周时间。为简化计算，每天测试室数据仅呈现该天不同时段8次测试数据的平均值。热管背板测试数据如表2所示，增设冷凝水回收利用节能方案的热管背板测试数据如表3所示。

表2 热管背板测试数据

表3 增设冷凝水回收利用节能方案的热管背板测试数据

由于该项目主要验证热管背板+蒸发器冷凝水补水至室外相变冷却塔的节能性，因此对于热管列间的测试仅仅测试了2021-09-25和2021-10-02的数据。2021-09-25热管列间测试数据如表4所示，2021-10-02增设冷凝水回收利用节能方案的热管列间测试数据如表5所示。

表4 2021-09-25热管列间测试数据

表5 2021-10-02增设冷凝水回收利用节能方案的热管列间测试数据

3 节能分析

3.1 气象参数

通过中国气象网查询2021年9月20日—2021年9月26日的气象参数，如表6所示，可以看到这一周的气象参数比较接近。以2021年9月25日的曲线来近似表示这一周的温度变化。通过2021年9月25日温度变化曲线查出，在各个测试点室外环境的温度值，并统计出在一天的时间内不同的环境温度值的持续时间。

表6 测试阶段气象参数

3.2 EER计算

3.2.1 制冷量计算

在本测试中制冷量由热管背板制冷量和热管列间制冷量组成，热管背板制冷量数据如表7所示，增设冷凝水回收利用节能方案的热管背板制冷量数据如表8所示，热管列间制冷量数据如表9所示，系统总制冷量如表10所示，增设冷凝水回收利用节能方案的系统总制冷量如表11所示。

表7 热管背板制冷量数据（单位：kW）

表10 系统总制冷量（单位：kW）

表11 增设冷凝水回收利用节能方案的系统总制冷量（单位：kW）

3.2.2 补水量计算

根据测量可以计算得到蒸发器冷凝水平均流量为0.003 2 m3/h。根据室内的冷负荷可以计算所需冷却水流量，热管背板承担的冷负荷7.10 kW，热管列间承担的冷负荷10.50 kW。冷却水流量计算公式为

式中：G为冷却水流量，m3/h；3.6为m3/h与L/s流量换算系数；1.3为换热比；N1为热管背板承担的冷负荷，kW；N2为热管列间承担的冷负荷，kW；C为水的比热；T0为出水温度，℃；Ti为入水温度，℃。

补水流量计算公式为

式中：G2表示补水流量，m3/h。

回收的空调冷凝水占比M1的计算公式为

回收的空调冷凝水占了冷却水补水量的5.4%，减少了冷凝器的补水量。

3.2.3 冷凝水冷量计算

冷却水降温所需的冷量为

式中：Q1为所需冷量；W1表示24 h补水流量。

冷凝水提供的冷量为

式中：Q2为冷凝水提供的冷量；W2为24 h冷凝水流量；T1为冷凝水温度。

则冷凝水提供的冷量占总冷量的百分比M2为

由式（6）计算结果可知，冷凝水所蕴藏的冷量占比非常明显，将冷凝水回收利用，充分体现了节能。

3.2.4 功率计算

该测试中的功率由3个部分组成，热管背板功率、热管列间和蒸发式冷凝器，根据测试结果来看，这3个部分的功率随着室外温度的变化不明显，可以近似认为是一定值。

热管背板功率计算公式为

式中：P1为热管背板功率；I为相电流；U为相电压。

热管列间功率计算公式为

式中：P2为热管列间功率；I为相电流；U为相电压。

冷凝器功率计算公式为

式中：P3为冷凝器功率；I为相电流；U为线电压；0.8为功率因数。

总功率计算公式为

3.2.5 EER的计算

EER等于制冷量与输入功率的比值，不同工况下的计算结果如表12所示。增设冷凝水回收利用节能方案的EER计算结果如表13所示。

表12 EER计算结果

表13 增设冷凝水回收利用节能方案的EER计算结果

由于热管的制冷量主要与室内外工况有关，机房室内工况变化相对较小，为了计算方便假设室内工况不变，只考虑室外工况对制冷量的影响。考虑不同测试时间点室外环境温度的持续时间，采用加权平均的方式可以计算加权平均EER的大小，结果如表14所示。

表14 EER平均计算结果

没有回收利用冷凝水之前的EER加权平均值为7.14，通过该方案计算出来的加权平均值相比原先的方案提高了8.68%，说明冷凝水的回收利用提高了能效比。

3.3 AEER的计算

通过测试数据显示，在测试的一周时间内热管背板和热管列间的制冷量只有额定制冷量的50%，根据现场测量结果和软件计算可以得出各月的制冷量，从而计算出各月的能效比，如表15所示。

表15 AEER计算

两种方案的加权平均得出AEER分别为9.84与10.09，增设冷凝水回收利用的方案能效比提高了2.96%，而压缩机系统的全年能效比只在3.5～4。

4 结 论

通过以上测试数据可以得出，采用规模收集其他机房空调蒸发器冷凝水为热管背板的户外水冷相变冷却塔进行补水降温，相比于采用市政自来水补水降温，可以有效解决老旧综合机房的局部热岛问题，进一步提升热管背板在高热密度场景的可用性，在自身节电同时，也会降低机房其他风冷空调的压缩机运行时间。该设想对本来浪费的自然冷源进行低碳梯次利用，同时也提升系统自身制冷效率。因此，采用蒸发器冷凝水回收再利用进行节能改造的设想是可行的。