数据机房分离式热管系统应用分析

管一鸣，臧国健，佟 振

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033)

目前，分离式热管在国内数据机房已经得到了应用，常见的系统形式为机柜级热管系统，即热管蒸发器安装在各个机柜的后背板上，通常是多个蒸发器并联的形式，室外侧共用一个或几个冷凝器。分离式热管在数据中心空调系统中的应用逐渐成熟，钱晓栋、金听祥[1-2]等研究发现，分离式热管空调系统具有较高的能效比和较大的节能潜力；金鑫等[3]研究了分离式热管型机房空调的性能，发现该系统能有效控制发热机柜出口出风温度，保证机房设备运行稳定。刘欢等[4]以某数据机房为模型进行CFD模拟，获得了分离式热管机房内部的温度场分布。罗铭等[5]通过实验对热管背板系统散热性能进行了研究。ZHANG Hainan等[6]针对数据机房提出了一种分离式热管与机械制冷的复合系统，当室内温度设定为27 ℃时，年节能率为5.4% ～ 47.3%。

调研发现，目前在数据机房应用较多的机柜级热管系统，运行情况不甚理想。机柜级热管系统可以直接跟机房进行换热，制冷终端采用与机柜一体化设计，能在不占用机房空间的情况下解决制冷能力不足和未来服务器扩容受限的问题。但管内工质的过热过冷现象非常普遍，这样不仅会引起热管系统局部过热，还限制了系统能效的进一步提高。由于实际应用中，各机柜的发热量难以保证完全相同，有时候甚至差异较大，如果热管系统无法通过流量的自调节满足各蒸发器的负荷需求，某些蒸发器就可能因流量不足而出现管内过热过冷的问题。对此，本文将对比分析机柜级热管和列间式热管系统的应用效果及适用性，并提出合理建议。

1 机柜级分离式热管系统

数据机房中应用较多的系统形式为图1所示的机柜级热管系统，每个热管的蒸发器对一个机柜进行冷却，热管蒸发器的数量与机柜的数量相同，因此，需要多个蒸发器并联连接，室外侧则共用一个或几个冷凝器。热管内的工质依靠重力作用循环流动，在蒸发器中吸热沸腾，在冷凝器中放热凝结。

图1 机柜级分离式热管系统

1.1 热管自调节性能

文献[7]利用如图2所示的双蒸发器并联的分离式热管实验系统，对热管的自调节性能进行了实验测试，结果表明，当2个蒸发器的加热负荷不均匀时，2个蒸发器之间的流量分配情况并不理想，虽然负荷较大的蒸发器流量略大于负荷较小的蒸发器，但热管系统无法实现流量的按需分配，当2个蒸发器的负荷比从1∶1变化到15∶1时，其流量比仅从1∶1变化到1.67∶1，可见，当热管系统各蒸发器之间负荷不均匀时，热管系统的自调节能力非常有限，其流量分配情况无法满足各蒸发器的需求，尤其当各蒸发器之间负荷差异较大时，负荷较大的蒸发器往往因流量不足而出现蒸发器出口过热的现象。

1.2 实测案例

北京市某数据机房采用了机柜级分离式热管系统，机房已投入运行接近1年时间，热管系统中采用R22作为工质。针对机房中某一排11个机柜进行了现场测试，11个机柜的蒸发器共同连接一台冷凝器，采用异程式连接方式，如图3所示，上升管从各蒸发器顶部接出，下降管接到各蒸发器底部。分别对冷凝器的进口、出口，及各台蒸发器的进口、出口工质温度进行了测试，同时，利用功率计测量了每台机柜的功率，以此作为各台机柜的发热功率。由于热管系统的管材为紫铜，导热系数较高，因此在进行管内工质温度测试时，直接将温度传感器贴于管壁进行测试，在良好的保温条件下，认为管内工质温度近似等于管壁温度。

图3 分离式热管系统连接示意

实测11个机柜的发热功率及热管蒸发器的进、出口温度如图4所示。11个机柜中有4个机柜未摆放任何电子设备，其发热功率为0，另外7个机柜的发热功率各不相同，其中最大功率2596 W，最小功率858 W。测得冷凝器的出口温度为12.3 ℃，而各蒸发器的进口温度最低13.0 ℃，最高15.6 ℃，各蒸发器的进口温度均高于冷凝器出口温度，且各蒸发器的进口温度之间存在最大2.6 ℃的差别。其原因主要有2个：①工质从冷凝器向蒸发器流动的过程中，由于管路较长，与周围环境存在热交换，产生了一定的温升；②在多蒸发器并联的分离式热管系统中，由于各蒸发器所在环路的阻抗不同，各蒸发器的负荷差别较大，其管内工质的流动传热情况非常复杂，一方面各蒸发器之间的流量分配较为复杂，另一方面管内工质在流动传热过程中可能出现局部回流的现象，因而使得各蒸发器进口温度出现较大差异。各蒸发器出口温度中，最低17.0 ℃，最高22.3 ℃，从图4中可以看出，各蒸发器的出口温度均高于进口温度，尤其对于负荷最大的8号机柜蒸发器，其进出口温差达到了9.3 ℃，说明热管的运行情况较不理想，其管内工质在流动传热过程中出现了较为明显的过热或过冷现象。总的来看，发热功率较大的机柜，其蒸发器的出口温度也较高，但对于发热功率较小的机柜，其运行情况也并不理想，蒸发器出口仍存在明显的过热，这可能是由于来自相邻机柜蒸发器出口的工质回流导致的。实测冷凝器的进口温度为17.6 ℃，冷凝器的进、出口温度之间也存在5.3 ℃的差异，也能反映出热管在运行过程中的过热过冷现象较为突出。

2 列间式分离式热管系统

列间式热管系统与机柜级热管系统的区别在于，列间式热管系统是将热管蒸发器布置在各个列间空调内，而不是各个机柜上，各列间空调内的蒸发器相互并联，共用一个或多个冷凝器。列间式热管系统在数据机房的布置方式如图5所示，由于列间空调的数量明显少于机柜的数量，因此在该系统下，热管系统中并联的蒸发器的个数大大减少了。由于几台列间空调共同承担整个热通道的负荷，因此，相比于机柜级热管系统，列间式热管系统中各蒸发器的换热面积更大，风量更大，承担的负荷也更大。

在数据机房内各个机柜发热量不均匀的情况下，为了分析每台列间空调所承担的负荷大小，采用Airpak软件建立了一个数据机房的三维数值模型，列间空调与机柜的布置方式以及各个机柜的发热量大小如图5所示。4排机柜按照冷、热通道排列，其中冷通道封闭，列间空调穿插布置于机柜之间。冷通道内温度较低的气流从各个机柜的进风侧进入机柜，带走机柜内产的热量后，温度较高的气流排至热通道，而列间空调则从热通道内吸入温度较高的气流，经冷却后将温度较低的气流送至冷通道。数据机房长12.4 m、宽9.4 m、高3.9 m，单台机柜及列间空调的尺寸均为长1.2 m、宽0.6 m、高2 m，机房内共有8台列间空调和28台机柜，各机柜中发热量最小的为1 kW，发热量最大的为5 kW，差异较为明显。机房内的初始温度设置为25 ℃，机房、机柜及冷通道的壁面均假设为绝热壁面，经过各个机柜的风量相同，均为0.24 m3/s。各个列间空调的风量相同，且机房内所有列间空调的总风量与所有机柜的总风量相等，据此得到每台列间空调的风量为0.83 m3/s。设定列间空调的送风温度为20 ℃。机柜和列间空调的进出风口均为整个立面。

图5 列间空调平面布置

经过模拟计算，得到该数据机房1.5 m高度的温度场分布如图6所示。由图6可以看出，发热量较大的机柜，其排风温度较高，虽然不同机柜的排风温度相差较大，但不同温度的气流在热通道中经过了一定程度的掺混，因而，实际各台列间空调进风温度之间的差别有所减小。图7给出了机房内8台列间空调所承担的负荷及进风温度，虽然不同机柜之间的发热量最大相差5倍，但经过热通道中的混合后，各台列间空调所承担的负荷最大仅相差1.5倍，可见，与采用机柜级热管系统相比，列间式热管系统可显著改善热管系统各蒸发器负荷的均匀性，从而在热管系统自调节能力有限的情况下，改善热管系统的整体运行状态，减少管内出现过热过冷的现象。

图6 数据机房1.5 m高度温度场分布

3 分析与讨论

在实际工程中，数据机房内的机柜数量较多，若采用机柜级热管系统，每个机柜上都需要一个独立的蒸发器，系统中并联的蒸发器个数也往往较多，当各个机柜的发热量差别较大时，热管系统的运行情况较不理想，管内很容易出现明显的过热过冷现象，从而造成热管系统的局部热点以及系统传热效率的降低。因此，从热管系统高效、稳定、安全运行的角度出发，应尽可能使相互并联的蒸发器之间负荷均匀，但在数据机房的实际应用中往往难以满足，因此，当数据机房内各个机柜的发热量差别较大时，应优先采用列间式热管系统作为分离式热管系统的应用形式，采用列间式热管系统，一方面，并联的蒸发器个数减少了，另一方面，由于不同机柜的排风在热通道中进行混合后再进入列间空调，因此，列间空调(即各蒸发器)的进风温度差别较小，从而使得热管系统中各并联蒸发器之间的负荷较为均匀，有效减少了因各蒸发器负荷差别较大而带来的流量分配不合理及过热过冷现象。

除此之外，机柜级热管系统与列间式热管系统还存在气流组织的差别，相比之下，机柜级热管的蒸发器更靠近热源，冷、热气流不易出现掺混，气流组织更优。而对于列间式热管系统，要想达到接近机柜级热管系统的气流组织，就需要严格做好冷通道的封闭，且机柜上不应存在连通冷、热通道的空隙，机柜上如有未摆放设备的空位，应加装盲板。

4 结论

本文结合实验结论、工程实测及模拟仿真，研究了分离式热管应用于北京某数据机房的系统形式，针对机柜级热管系统和列间式热管系统，分析了两者的应用效果及适用性。通过研究发现，对于数据机房中所采用的多蒸发器并联的热管形式，由于热管系统对于管内流量分配的自调节能力有限，当各蒸发器之间负荷差别较大时，热管系统的运行情况较不理想，蒸发器进出口温差最大达到了9.3 ℃，负荷较大的蒸发器出口容易出现局部过热。因此，当各个机柜的发热量差别较大时，数据机房不宜采用机柜级热管系统，而应优先选择列间式热管系统。模拟结果显示，列间式热管系统可以显著改善各蒸发器负荷的均匀性，当不同机柜之间的发热量最大相差5倍时，经过热通道中的混合后，各台列间空调所承担的负荷最大仅相差1.5倍，且相比机柜级热管系统，其蒸发器数量减少，更有利于改善热管系统的运行状态，减少局部热点，提高换热效率。