热管技术在数据中心制冷系统节能中的应用与前景

1963年，美国Los Alamos国家实验室的George

M. Grover发明了并且制造出了热管，基于热管的传导原理与相变介质的快速热传递性质，将发热物体的热量不需要动力迅速传递到热源外。我国自70年代开始开展了热管的性能研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究，用热管支撑换热器来回收废热，并将它应用于工业以节约能源。

近几年来制冷技术的研究和制造商将热管技术应用到数据中心的制冷系统中，热管具有独特的技术优势，在数据中心的制冷系统节能和节水方面收到良好的效果。

1、热管技术原理

典型的热管由管壳、吸液芯和工作介质组成。管壳为两端密封的圆柱管，管的内壁贴附同心圆筒式的金属丝网或其它多孔介质，即吸液芯。对热管的一端加热后，由于管内压力很低，工质吸收热量变为蒸汽，然后在压差作用下流向另一端，向外界释放热量后再凝结成液体，依靠吸液芯的毛细抽吸力流回加热段，再次受热气化，如此往复循环，就可以连续不断地将热量从一端传递到另一端。

图 热管示意图

将热管技术应用到数据中心的制冷系统，是利用室内、外温差通过热管将室内热量交换到室外，从而降低室内温度的系统设备。热管换热系统利用循环工质的气液相变来传递热量，通过特殊的管路联接，将蒸发段和冷凝段分离开来，室内机为该系统的吸热端，冷凝器为其放热端，室内机中的工质在机房内吸热蒸发变为气态，经过气管流入冷凝器，并在冷凝器内放热冷凝为液态，然后通过液管回到室内机继续吸热蒸发。热量传输是无源运行，无运动部件，零能耗且故障率极低。

图 热管循环示意图

热管在实现这一热量转移过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：

（1）热量从热源通过管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面；

（2）液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发；

（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

（4）蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结；

（5）热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；

（6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回到蒸发段。

由于热管是依靠自身内部工作液体的相变来实现传热的传热元件，所以其具有以下优点：

（1）超强的导热性能：热管依靠工作介质的汽、液相变传热，换热系数高，传热热阻很小，可传递热流密度较大。其导热系数比金、银、铜、铝等优良导热体高出了几个数量级。

（2）优良的等温性：由于热管内腔的蒸汽处于饱和状态，其粘度较低，在流动中产生的压降很小，所以热管的蒸发段与冷凝段之间的温差很小，近似等温。

（3）可变热流密度：可以通过独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积的方法调节蒸发段和冷凝段的热流密度，以解决其他传热方式难以解决的问题。

（4）热流传递方向可控：通过改变内部循环力的方式，可以实现热流单向传递、双向传递、抗重力传递等。

（5）环境适应性强：热管的形状可根据热源和冷源的条件灵活变化，其形状可制成电机的转轴、燃气轮机叶片、钻头、手术刀等；可应用于地面(重力场)，也可以应用于空间(无重力场)。

（6）热管属于被动传热：工质在热管内的流动循环完全依靠管内结构及工质自身的热力平衡实现，没有任何动力部件，属于无耗能传热，工作性能稳定，可靠性高。

从热管的工作原理可以看出，热管是基本无耗能的原件，通过实现热量的转移从而进行制冷。

2、热管技术在数据中心中的应用

目前热管技术在数据中心的产品有：单热管式精密空调、热管+机械制冷精密空调和重力热管型背板空调

1）单热管式制冷系统

单热管精密空调由热管、蒸发器、EC风机和室外机组成，在结构与水冷末端精密空调相似，但采用氟的冷媒，无制冷压缩机，室外机采用风冷或蒸发冷却。有效的提高制冷的能效。

图 单热管式制冷系统架构示意图

热管式机房精密空调适用于常年可以使用低温自然冷源的地区，不需要机械制冷，只有室内和室外风机的耗能，有效降低空调的耗能，提升制冷系统的节能效果。

2）热管+机械制制冷系统

在我国有很多的地区采用全热管技术的制冷空调还无法满足全年所有工况可以提供数据中心需要的制冷要求，因为在夏热冬暖的地区，室外温度限制了热管技术的使用，室外换热器换热效率下降或无法对气化的媒介进行降温，不能满足机房送风温度要求时，为此制冷的厂商在热管精密空调机中增加了机械制的装置，机械制冷作为热管制冷的补充，很好的解决了区域气候条件不足的缺陷。 

图 热管+机械制冷系统

• 热管+机械制冷系统的全年运行模式分为三种：压缩机制冷模式、部分自然冷却模式、完全自然冷却模式。

• 当室外湿球温度t>T1℃（可调）时，压缩机工作，自然冷源不工作，系统运行模式为冷机制冷模式。

• 当室外湿球温度T1 ＜t≤ T2 ℃（可调）时，压缩机工作，自然冷源工作，系统运行模式为部分自然冷却模式。  

• 当室外湿球温度t≤ T2 ℃（可调）时，压缩机不工作，自然冷源工作，系统运行模式为完全自然冷却模式。

• 热管+机械制冷模式产品有区域机柜式和行间空调两种，以适应不同规模数据中心的需要。

3）重力热管背板

重力热管型背板空调是热管技术在数据中心另一种应用，安装在机柜后门，与机柜紧密结合，通过水冷冷凝器中工质的蒸发、冷凝循环直接冷却机柜排风，机柜外部形成冷环境。热管运行时工质回流依靠重力，无须其它动力。热管背板系统主要由外壳、风机、换热盘管、控制器、水冷冷凝器、热管工质、热管工质管道、水过滤器及群控系统等组件组成，应能实现机组最优性能和保证工艺设备等安全运行。重力热管型背板空调系统示意和气流组织。

图 重力热管型背板空调示意图和气流组织示意图

重力热管型背板空调适用于前进风后出风，标准服务器机柜，安装在机柜后门，与机柜紧密结合与机柜形成一体，更接近热源，机柜内部服务器空气流动分布均匀。重力热管型背板空调更有利于机柜吸收、散热制冷效果。目前重力热管型空调主要用于8KW~15KW中高密机柜的制冷。

重力热管型背板空调优势有：

• 冷媒管进机房，无水患。

• 不占机柜位，可增加机房出架率。

• 建筑也无需做预留，后期建设灵活。

• 风机备份：风机选用多个轴流EC风机，可通过控制单元实现调速功能，且风量放有1.2倍余量，风机接线口采用插拔结构。万一有某个风机出现故障，其余风机将自动提高转速，保证机柜正常运行所需风量，并报故障。维护人员有充分的时间替换风机。

• 背板内双盘管设计，安全可靠；

• 电源备份：为保证产品的可靠性，可使用双路电源供电，以防止有一路电源断电后，风机无法运行。

重力热管型背板空调需要关注一下的问题：

该技术目前还只是在某运营商已完成试点并规模推广，一般适用于前进风后出风的标准机柜形式，并且机柜内负载需垂直方向均匀分布，前期规划需要与使用方确认后期业务类型及服务器形式。

根据以往试点机房的建设价格，背板的投资约为普通冷冻水房间空调建设模式（地板下送风+冷通道封闭）的1.2倍。

制冷管路上、下均走线，或全部上走线，冷量分配模块需高于机柜1m就近安装，空调数量、管路多，工艺要求高。

机柜、热管背板、冷量分配模块供应商需紧密合作。

3、热管技术与传统空调方案对比

以1栋10000m2机楼为例，对风冷房间级空调、冷冻水房间级空调、热管+机械制冷精密空调、热管背板空调的建设成本、节能效果等进行分析对比：

热管技术是在传统压缩制冷空调基础上的演进而来，热管循环是无动力循环，具有更好的节能性。

热管背板除了结合冷冻水系统的应用外，现在行业内的厂家也研发出多联式风冷热管主机，该产品在数据中心使用，可以实现快速部署，因为复合了自然冷却模板和机械制冷模板，节能性更好。

总结：

热管技术充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，将机房内的热量迅速传递到室外；热管技术因为具有无漏水风险、安装方便、无动力循环、节能效果好等特点，未来会在数据中心空调建设中，扮演更重要的角色。

本文标题：热管技术在数据中心制冷系统节能中的应用与前景

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