1.引言

隨著科技的進(jìn)步,電子信息系統(tǒng)機(jī)房IT設(shè)備高度集成化,其能源效率偏差以及機(jī)房散熱量日漸趨高的現(xiàn)象開始受到了業(yè)界強(qiáng)烈關(guān)注?據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì),我國高端服務(wù)器集中的通信行業(yè)耗電在2007年就已達(dá)到200億kW·h以上,信息產(chǎn)業(yè)儼然已經(jīng)成為一個(gè)高能耗行業(yè)?

數(shù)據(jù)中心作為功能空間,包含數(shù)據(jù)服務(wù)器?計(jì)算設(shè)備?空調(diào)系統(tǒng)和電力設(shè)備在運(yùn)行期間會(huì)消耗大量能源?特別是空調(diào)系統(tǒng),占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%?根據(jù)最新的能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),目前全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗總量已經(jīng)占據(jù)了全球電力使用量的3%?因此,降低數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)的能耗,改變當(dāng)前的高耗能模式,已經(jīng)成為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商迫切需要解決的問題?

2.數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)熱管技術(shù)介紹

2.1熱管結(jié)構(gòu)

常用的熱管由三部分組成:主體為一根封閉的金屬管(包括管壁和端蓋),內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)(工作液)和毛細(xì)結(jié)構(gòu)(管芯);根據(jù)是否具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的熱管,可將熱管分為重力輔助熱管和毛細(xì)熱管?根據(jù)所需的工作溫度,可以為熱管選擇不同類型的工作流體,例如水?丙酮?甲醇或制冷劑等?

▲熱管結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱機(jī)制示意圖

2.2熱管工作原理

當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化,蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體,液體在沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段?如此循環(huán),使熱量從一端傳遞到另一端?

在這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中,具體包含了以下6個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程:熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到蒸發(fā)段內(nèi)的液-氣分界面;液體在蒸發(fā)段的液-氣分界面上蒸發(fā);蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段;蒸汽在冷凝段內(nèi)的液-氣分界面上凝結(jié);熱量從冷凝段內(nèi)的液-氣分界面通過吸液芯?液體和管壁傳給冷源;在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)力(或重力)作用使得冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段?

3.熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前,國內(nèi)外在熱管技術(shù)方面研究相對成熟,使得熱管在電力電子設(shè)備冷卻和太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)中已經(jīng)得到較好應(yīng)用?在數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備散熱冷卻方面,熱管冷卻技術(shù)的研發(fā)情況如下?

金鑫等人介紹了分離式熱管型機(jī)房空調(diào),并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?在室外環(huán)境平均溫度為20℃時(shí),分離式熱管和普通空調(diào)一起提供機(jī)房所需的冷量,此時(shí)分離式熱管型空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的COP可達(dá)4.66~13.9,其耗電量僅為原始機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)耗電量的37.6%,節(jié)電率達(dá)62.4%,節(jié)省了大量能量?冬季時(shí),機(jī)房所需的冷量僅靠分離式熱管提供,其節(jié)能效果更佳顯著?

田浩等人提出了一種基于環(huán)路熱管技術(shù)的?應(yīng)用于高顯熱密度環(huán)境排熱的分布式冷卻方案,該方案將多級環(huán)路熱管整合在機(jī)柜內(nèi)部,將芯片熱量在機(jī)柜內(nèi)部就地排走?而且由于整個(gè)排熱過程在機(jī)柜內(nèi)部完成,這從根本上杜絕了傳統(tǒng)的靜壓箱送風(fēng)室內(nèi)回風(fēng)模式產(chǎn)生的諸多氣流組織問題?他們改造了北京某信息機(jī)房空調(diào),經(jīng)過前后數(shù)據(jù)對比,新排熱系統(tǒng)的效率是原系統(tǒng)的3~4倍,能耗降低了41%?

周峰等人研制了利用自然冷源的熱管換熱器,將其用于IDC機(jī)房的散熱,并對北京地區(qū)冬季工況下,熱管換熱器和空調(diào)各自的散熱特性和能耗負(fù)荷進(jìn)行了試驗(yàn)研究?IDC機(jī)房使用熱管換熱器后,模擬研究全年節(jié)能約47%,試驗(yàn)表明室內(nèi)溫度不超過22℃,室內(nèi)外溫差不超過20℃,無需開啟空調(diào)器,能耗僅為空調(diào)能耗的41%,通過技術(shù)改進(jìn)可以控制在1/3左右,則全年將節(jié)能40%,既能夠滿足散熱需求,又能夠有效降低空調(diào)能耗?

馬國遠(yuǎn)等人對某小型數(shù)據(jù)中心散熱用泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組的運(yùn)行性能進(jìn)行研究,擬合出其換熱特性曲線,并通過擬合曲線對其進(jìn)行節(jié)能性分析,其分析結(jié)果表明,在過渡季節(jié)及冬季,當(dāng)室外溫度低于15℃時(shí),采用氟泵系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行散熱能滿足室內(nèi)負(fù)荷要求并具有良好的節(jié)能效果,與之前的采用空調(diào)散熱相比節(jié)省電能至少達(dá)到36.57%?

凌麗研究了數(shù)據(jù)機(jī)房用微通道分離式熱管換熱特性及其節(jié)能潛力,并建立了一個(gè)利用湖水源的水冷多聯(lián)分離式熱管系統(tǒng)?對該系統(tǒng)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率進(jìn)行對比分析,由于該系統(tǒng)利用湖水源免費(fèi)冷卻,全年72%的時(shí)間可以完全利用湖水源對數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行免費(fèi)冷卻,28%的時(shí)間可以利用湖水源對數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行部分免費(fèi)冷卻,其節(jié)能率可高達(dá)64.82%?

李奇賀等人介紹了熱管式機(jī)房空調(diào)機(jī)組的工作原理和技術(shù)特征,并做了性能實(shí)驗(yàn)?在室內(nèi)外溫差達(dá)到5℃以上時(shí),機(jī)組即可投入運(yùn)行,承擔(dān)部分或者全部機(jī)房制冷負(fù)荷,能效比高;當(dāng)室內(nèi)外溫差為5~24℃時(shí),機(jī)組能效比達(dá)3.63~10.64,換熱溫度效率達(dá)65.6%~44.0%?冬季可以代替蒸氣壓縮式機(jī)房空調(diào)制冷,節(jié)能效果顯著?劉歡[8]對分離式熱管散熱系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機(jī)房的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析?在室內(nèi)外溫差為26.5℃時(shí),制冷量為8kW,實(shí)際COP達(dá)到9.7,理論COP可達(dá)17.6,與相同工況下的傳統(tǒng)空調(diào)相比,其節(jié)能率能達(dá)到39.20%?分離式熱管系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果,可有效適用于數(shù)據(jù)中心?通信基站等高熱密度建筑的散熱?

4.結(jié)語

現(xiàn)有熱管技術(shù)可以幫助數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗,具有很多的優(yōu)勢,但是仍存在以下問題:現(xiàn)有的圓形熱管與IT設(shè)備外表面的結(jié)合是一個(gè)難題;熱管冷凝端釋放的熱量仍排入數(shù)據(jù)中心內(nèi)部空間,數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷負(fù)荷并沒有減少,還是需要靠空調(diào)散熱冷卻,起不到節(jié)能減排的作用?部分熱管需要外加動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?

針對以上問題,提出一種基于數(shù)據(jù)中心冷卻及余熱回收的微通道平板環(huán)路熱管系統(tǒng),該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):平板熱管可與IT設(shè)備外表面的緊密貼合,有利于加強(qiáng)傳熱效果;蒸發(fā)端與冷凝端通過蒸汽輸送管道和液體回流管道連接成微通道平板環(huán)路熱管系統(tǒng),可將冷凝端放置在數(shù)據(jù)中心外,從而降低數(shù)據(jù)中心內(nèi)部空間的冷負(fù)荷;還可將冷凝端的熱量作為生活熱水的熱源,回收數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散發(fā)的熱量,達(dá)到節(jié)能減排的目的;整個(gè)系統(tǒng)利用重力以及微通道毛細(xì)結(jié)構(gòu)提供的毛細(xì)力進(jìn)行傳熱循環(huán),無需任何外力驅(qū)動(dòng)?

開發(fā)基于數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)的?適用于高熱密度電子及大功率高頻開關(guān)電源設(shè)備的微通道平板環(huán)路熱管,平板熱管與IT設(shè)備緊密貼合,IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱的形式直接將熱量傳遞給熱管,熱管通過內(nèi)部工作流體將熱量傳遞到冷凝端進(jìn)行散熱,機(jī)架無需預(yù)留對流散熱空間;將有效地增大機(jī)架的使用空間,可適當(dāng)增加機(jī)架內(nèi)IT設(shè)備的數(shù)量,提升機(jī)架密度,降低數(shù)據(jù)中心建造成本;還可提高設(shè)備運(yùn)行效率和安全性,實(shí)現(xiàn)設(shè)備高效散熱及余熱回收再利用,為數(shù)據(jù)中心建筑節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展提供支撐,具有重要的應(yīng)用價(jià)值和顯著的節(jié)能效益?

本文標(biāo)題：熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

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