1963年，美國Los Alamos國家實驗室的George

M. Grover發(fā)明了并且制造出了熱管，基于熱管的傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，將發(fā)熱物體的熱量不需要動力迅速傳遞到熱源外。我國自70年代開始開展了熱管的性能研究以及熱管在電子器件冷卻及空間飛行器方面的應(yīng)用研究，用熱管支撐換熱器來回收廢熱，并將它應(yīng)用于工業(yè)以節(jié)約能源。

近幾年來制冷技術(shù)的研究和制造商將熱管技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)中，熱管具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)節(jié)能和節(jié)水方面收到良好的效果。

1、熱管技術(shù)原理

典型的熱管由管殼、吸液芯和工作介質(zhì)組成。管殼為兩端密封的圓柱管，管的內(nèi)壁貼附同心圓筒式的金屬絲網(wǎng)或其它多孔介質(zhì)，即吸液芯。對熱管的一端加熱后，由于管內(nèi)壓力很低，工質(zhì)吸收熱量變?yōu)檎羝缓笤趬翰钭饔孟铝飨蛄硪欢?，向外界釋放熱量后再凝結(jié)成液體，依靠吸液芯的毛細抽吸力流回加熱段，再次受熱氣化，如此往復(fù)循環(huán)，就可以連續(xù)不斷地將熱量從一端傳遞到另一端。

圖 熱管示意圖

將熱管技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)，是利用室內(nèi)、外溫差通過熱管將室內(nèi)熱量交換到室外，從而降低室內(nèi)溫度的系統(tǒng)設(shè)備。熱管換熱系統(tǒng)利用循環(huán)工質(zhì)的氣液相變來傳遞熱量，通過特殊的管路聯(lián)接，將蒸發(fā)段和冷凝段分離開來，室內(nèi)機為該系統(tǒng)的吸熱端，冷凝器為其放熱端，室內(nèi)機中的工質(zhì)在機房內(nèi)吸熱蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)，經(jīng)過氣管流入冷凝器，并在冷凝器內(nèi)放熱冷凝為液態(tài)，然后通過液管回到室內(nèi)機繼續(xù)吸熱蒸發(fā)。熱量傳輸是無源運行，無運動部件，零能耗且故障率極低。

圖 熱管循環(huán)示意圖

熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：

（1）熱量從熱源通過管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面；

（2）液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；

（3）蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；

（4）蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié)；

（5）熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；

（6）在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回到蒸發(fā)段。

由于熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體的相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，所以其具有以下優(yōu)點：

（1）超強的導(dǎo)熱性能：熱管依靠工作介質(zhì)的汽、液相變傳熱，換熱系數(shù)高，傳熱熱阻很小，可傳遞熱流密度較大。其導(dǎo)熱系數(shù)比金、銀、銅、鋁等優(yōu)良導(dǎo)熱體高出了幾個數(shù)量級。

（2）優(yōu)良的等溫性：由于熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，其粘度較低，在流動中產(chǎn)生的壓降很小，所以熱管的蒸發(fā)段與冷凝段之間的溫差很小，近似等溫。

（3）可變熱流密度：可以通過獨立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積的方法調(diào)節(jié)蒸發(fā)段和冷凝段的熱流密度，以解決其他傳熱方式難以解決的問題。

（4）熱流傳遞方向可控：通過改變內(nèi)部循環(huán)力的方式，可以實現(xiàn)熱流單向傳遞、雙向傳遞、抗重力傳遞等。

（5）環(huán)境適應(yīng)性強：熱管的形狀可根據(jù)熱源和冷源的條件靈活變化，其形狀可制成電機的轉(zhuǎn)軸、燃氣輪機葉片、鉆頭、手術(shù)刀等；可應(yīng)用于地面(重力場)，也可以應(yīng)用于空間(無重力場)。

（6）熱管屬于被動傳熱：工質(zhì)在熱管內(nèi)的流動循環(huán)完全依靠管內(nèi)結(jié)構(gòu)及工質(zhì)自身的熱力平衡實現(xiàn)，沒有任何動力部件，屬于無耗能傳熱，工作性能穩(wěn)定，可靠性高。

從熱管的工作原理可以看出，熱管是基本無耗能的原件，通過實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移從而進行制冷。

2、熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

目前熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)品有：單熱管式精密空調(diào)、熱管+機械制冷精密空調(diào)和重力熱管型背板空調(diào)

1）單熱管式制冷系統(tǒng)

單熱管精密空調(diào)由熱管、蒸發(fā)器、EC風(fēng)機和室外機組成，在結(jié)構(gòu)與水冷末端精密空調(diào)相似，但采用氟的冷媒，無制冷壓縮機，室外機采用風(fēng)冷或蒸發(fā)冷卻。有效的提高制冷的能效。

圖 單熱管式制冷系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

熱管式機房精密空調(diào)適用于常年可以使用低溫自然冷源的地區(qū)，不需要機械制冷，只有室內(nèi)和室外風(fēng)機的耗能，有效降低空調(diào)的耗能，提升制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果。

2）熱管+機械制制冷系統(tǒng)

在我國有很多的地區(qū)采用全熱管技術(shù)的制冷空調(diào)還無法滿足全年所有工況可以提供數(shù)據(jù)中心需要的制冷要求，因為在夏熱冬暖的地區(qū)，室外溫度限制了熱管技術(shù)的使用，室外換熱器換熱效率下降或無法對氣化的媒介進行降溫，不能滿足機房送風(fēng)溫度要求時，為此制冷的廠商在熱管精密空調(diào)機中增加了機械制的裝置，機械制冷作為熱管制冷的補充，很好的解決了區(qū)域氣候條件不足的缺陷。 

圖 熱管+機械制冷系統(tǒng)

• 熱管+機械制冷系統(tǒng)的全年運行模式分為三種：壓縮機制冷模式、部分自然冷卻模式、完全自然冷卻模式。

• 當室外濕球溫度t>T1℃（可調(diào)）時，壓縮機工作，自然冷源不工作，系統(tǒng)運行模式為冷機制冷模式。

• 當室外濕球溫度T1 ＜t≤ T2 ℃（可調(diào)）時，壓縮機工作，自然冷源工作，系統(tǒng)運行模式為部分自然冷卻模式。  

• 當室外濕球溫度t≤ T2 ℃（可調(diào)）時，壓縮機不工作，自然冷源工作，系統(tǒng)運行模式為完全自然冷卻模式。

• 熱管+機械制冷模式產(chǎn)品有區(qū)域機柜式和行間空調(diào)兩種，以適應(yīng)不同規(guī)模數(shù)據(jù)中心的需要。

3）重力熱管背板

重力熱管型背板空調(diào)是熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心另一種應(yīng)用，安裝在機柜后門，與機柜緊密結(jié)合，通過水冷冷凝器中工質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝循環(huán)直接冷卻機柜排風(fēng)，機柜外部形成冷環(huán)境。熱管運行時工質(zhì)回流依靠重力，無須其它動力。熱管背板系統(tǒng)主要由外殼、風(fēng)機、換熱盤管、控制器、水冷冷凝器、熱管工質(zhì)、熱管工質(zhì)管道、水過濾器及群控系統(tǒng)等組件組成，應(yīng)能實現(xiàn)機組最優(yōu)性能和保證工藝設(shè)備等安全運行。重力熱管型背板空調(diào)系統(tǒng)示意和氣流組織。

圖 重力熱管型背板空調(diào)示意圖和氣流組織示意圖

重力熱管型背板空調(diào)適用于前進風(fēng)后出風(fēng)，標準服務(wù)器機柜，安裝在機柜后門，與機柜緊密結(jié)合與機柜形成一體，更接近熱源，機柜內(nèi)部服務(wù)器空氣流動分布均勻。重力熱管型背板空調(diào)更有利于機柜吸收、散熱制冷效果。目前重力熱管型空調(diào)主要用于8KW~15KW中高密機柜的制冷。

重力熱管型背板空調(diào)優(yōu)勢有：

• 冷媒管進機房，無水患。

• 不占機柜位，可增加機房出架率。

• 建筑也無需做預(yù)留，后期建設(shè)靈活。

• 風(fēng)機備份：風(fēng)機選用多個軸流EC風(fēng)機，可通過控制單元實現(xiàn)調(diào)速功能，且風(fēng)量放有1.2倍余量，風(fēng)機接線口采用插拔結(jié)構(gòu)。萬一有某個風(fēng)機出現(xiàn)故障，其余風(fēng)機將自動提高轉(zhuǎn)速，保證機柜正常運行所需風(fēng)量，并報故障。維護人員有充分的時間替換風(fēng)機。

• 背板內(nèi)雙盤管設(shè)計，安全可靠；

• 電源備份：為保證產(chǎn)品的可靠性，可使用雙路電源供電，以防止有一路電源斷電后，風(fēng)機無法運行。

重力熱管型背板空調(diào)需要關(guān)注一下的問題：

該技術(shù)目前還只是在某運營商已完成試點并規(guī)模推廣，一般適用于前進風(fēng)后出風(fēng)的標準機柜形式，并且機柜內(nèi)負載需垂直方向均勻分布，前期規(guī)劃需要與使用方確認后期業(yè)務(wù)類型及服務(wù)器形式。

根據(jù)以往試點機房的建設(shè)價格，背板的投資約為普通冷凍水房間空調(diào)建設(shè)模式（地板下送風(fēng)+冷通道封閉）的1.2倍。

制冷管路上、下均走線，或全部上走線，冷量分配模塊需高于機柜1m就近安裝，空調(diào)數(shù)量、管路多，工藝要求高。

機柜、熱管背板、冷量分配模塊供應(yīng)商需緊密合作。

3、熱管技術(shù)與傳統(tǒng)空調(diào)方案對比

以1棟10000m2機樓為例，對風(fēng)冷房間級空調(diào)、冷凍水房間級空調(diào)、熱管+機械制冷精密空調(diào)、熱管背板空調(diào)的建設(shè)成本、節(jié)能效果等進行分析對比：

熱管技術(shù)是在傳統(tǒng)壓縮制冷空調(diào)基礎(chǔ)上的演進而來，熱管循環(huán)是無動力循環(huán)，具有更好的節(jié)能性。

熱管背板除了結(jié)合冷凍水系統(tǒng)的應(yīng)用外，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的廠家也研發(fā)出多聯(lián)式風(fēng)冷熱管主機，該產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心使用，可以實現(xiàn)快速部署，因為復(fù)合了自然冷卻模板和機械制冷模板，節(jié)能性更好。

總結(jié)：

熱管技術(shù)充分利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，將機房內(nèi)的熱量迅速傳遞到室外；熱管技術(shù)因為具有無漏水風(fēng)險、安裝方便、無動力循環(huán)、節(jié)能效果好等特點，未來會在數(shù)據(jù)中心空調(diào)建設(shè)中，扮演更重要的角色。

本文標題：熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用與前景

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