重力型水冷热管与机房专用空调联动控制

刘昊儒，张建风，曹国水，汤 浩，李 昶

（中国移动浙江公司，浙江 温州 325000）

0 引 言

随着各行各业网络化、信息化建设的不断推进，我国数据机房的数量和体量快速增长，其能耗和成本问题日益凸显。根据相关统计数据，数据中心的能耗占全社会总能耗的比例呈上升趋势[1]。2019年2月，工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局联合印发《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》，明确提出要建立健全绿色数据中心标准评价体系和能源资源监管体系，打造一批绿色数据中心先进典型，形成一批具有创新性的绿色技术产品、解决方案，培育一批专业第三方绿色服务机构。到2022年，数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型、超大型数据中心的电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）降到1.4以下。然而，目前国内已建成数据中心实际运行PUE大多为2.0～3.0，亟需加强相关从业人员的节能意识，提高数据中心能效水平[2]。在数据中心的能耗分布中，除IT设备外，空调系统是第一大耗能系统，约占数据中心总能耗的40%，因此空调系统的优化是数据中心节能的关键[3]。

当前空调系统常用的节能方式包括提升设备本身能效、利用自然冷源和减少输配能耗等，其中利用自然冷源是最有效的降耗手段[4]。利用自然冷源的手段多种多样，适用于不同的环境和场景，例如水系统中采用板式换热器、空气质量优的地区直接利用室外新风、水资源丰富地区采用间接蒸发冷却、干冷地区使用氟泵空调和热管技术等。热管技术因施工方便、与在网空调运行无冲突等特点，适用于存量机房的节能改造。

重力型水冷热管按循环介质的不同，可以分为冷媒侧和水侧两部分。冷媒侧包括蒸发器、室内风机、气管以及液管等，水侧主要包括冷却塔、冷却泵、水系统管路等，两者通过换热器完成热量传递。冷媒循环中，制冷剂在蒸发器内吸热变成气态制冷剂，经汽管上升进入冷凝器，并在冷凝器内放热成液态，然后通过液管下降回到蒸发器，完成一个热力循环。冷媒在汽态和液态的密度不同，在一定安装高度下即可在汽管和液管间形成一定的压差，满足热管的动力需求，实现室内外无额外动力、自适应平衡的冷量传输[5]。由于热管系统的运行需满足一定的室内外温差条件，当供水超过某一温度时，热管无法完全满足机房内的冷却需求，因此需要结合传统的机械制冷系统联合运行，二者联动水平的高低对于热管系统的综合节能率影响很大。

针对某传统数据机房进行改造，在原有定频机房专用空调的基础上加装重力型水冷热管和联动控制系统。根据冷却塔供水温度的不同，热管系统可提供全部或部分冷量，在一段时间试运行后对联动控制系统的节能性进行评估。

1 方案介绍

浙江移动某通信机楼共8层，每层层高为5 m。1楼为配电室，2～7楼为通信机房，8楼为水系统配套用房。机房制冷采用水冷直膨式机房专用空调，以壳管式换热器作为冷凝器实现换热功能，并在3楼和6楼配置了壳管用房。4楼机房共有16列机柜，现有主设备总功耗为635 kW，冷热通道未封闭，服务器实际出风温度为30～35 ℃，进风温度要求为23～37 ℃。机房配置13台制冷量为100 kW的定频机房专用空调，其中2台为备机，气流组织为地板下送风。

1.1 建设方案

冷媒在室内机被服务器出风加热汽化，通过气管上升流入冷凝器，冷凝器与已有冷却水循环系统换热，从而将热量从机房内带到室外。室内机以吊顶形式安装于4楼服务器上方，室外机壳管安装于6楼壳管房，内外机高差约9 m。水冷热管系统原理如图1所示。

图1 水冷热管系统原理

热管系统的制冷能力受多种因素影响，例如蒸发器和冷凝器的安装高差、室内外温差、蒸发器的换热面积以及进回风温度等。热管蒸发器和冷凝器配置越大，换热面积越足，自然冷源可用时间越长，但相应的投资也会增加。综合考虑热管系统的可用性与投资费用，结合服务器设计功率和安装空间，按照服务器功率与热管制冷量的标准设计比1∶1.5计算，配置90台10 kW吊顶式室内机，根据每列负载情况确定每个冷热通道的安装台数。在室内外10 ℃温差下，可以达到900 kW换热量。壳管房配置了12台80 kW冷凝器，满足热管系统散热要求。

1.2 运行方案

为了加强热管系统的节能性，配置相应的监控系统，通过一系列采集数据控制各执行元件。其中，采集参数主要包括供水温度、冷通道温度、液管温度以及蒸发器进出风温差，执行元件包括室内风机、水阀、膨胀阀以及空调远程开关等。室内风机和壳管冷凝器具有冷量调节功能，室内风机可以根据送回风温差调节转速，实现温度场均匀和节能。同时室内机装有膨胀阀，根据蒸发器过热度进行冷量调节。壳管配有水阀，根据液管温度开大或关小，实现最大化生成冷量的同时防止室内机结露。

为了实现热管与专用空调的联动控制，保证运行期间的安全性和节能性，热管系统结合专用空调进行分区控制。在机房内共分为12个区，每个区有室内机和与其配套的机房专用空调。当分区内的温湿度探头检查出该区域内的环境温湿度升高或者降低，通过自动控制联动开启或关闭负责该区域内的精密空调，确保机房内不会过热或者过冷，提高了系统的可靠性。

热管和空调联动控制系统根据冷却水供水温度和分区温度的不同，共有3种工作状态。一是当冷却塔提供的供水温度低于16 ℃时，热管系统独立运行，若此时室内冷通道温度满足要求，则机房专用空调处于停机状态；二是当冷却塔提供的供水温度高于16 ℃且低于20 ℃时，热管系统提供部分冷量，此时热管系统和机房专用空调联合运行；三是当冷却塔提供的供水温度高于20 ℃时，热管系统无法循环，系统停止，机房专用空调单独运行。

2 效果分析

热管系统的供水温度受室外湿球温度和冷却塔逼近度两个参数影响，其中逼近度是冷却塔固有参数，与冷却塔的结构和维护情况有关。根据浙江省杭州市气象参数，热管系统理论运行数据如表1所示。

表1 热管系统理论运行数据

为了验证热管系统的节能效果，自2022年1月1日起持续监测了5个月机房的PUE情况，平均每周PUE情况如表2所示。

表2 平均每周PUE情况

通过为期5个月的持续监测，采用热管系统独立运行时，机房平均PUE为1.22。相较于机房专用空调独立运行的工况，PUE可降低0.3，日均节电量可达到4 460 kW·h左右。以电费0.75元/（kW·h）计算，日用电费可节省约3 345元。

采用热管和空调系统联动运行时，热管系统提供的制冷量随着室外环境温度变化而变化。以运营情况相近的2楼机房为对照组，对比监测周期内4楼和2楼的PUE变化情况，结果如图2所示。

图2 热管室内机布置平面图

由图2可知，未采用热管系统的2楼机房，监测周期内PUE数值稳定，平均值为1.52；4楼机房的PUE值随着环境温度变化而变化，热管系统工作时PUE值比2楼机房低，平均PUE为1.34。专用空调独立工作时，两个机房PUE值相近。

通过分析，采用热管系统节能效果较好。根据热管系统运行机理，氟系统运行动力来源于服务器热量本身，其能耗部件仅为风机，省去压缩机能耗。机房空调布置在机房两侧，其风机输送距离较长，单台空调风机功率约为4 kW，总功率为52 kW。热管室内机布置在服务器上部，属于就近制冷，风机输配能耗低，单台室内机对应风机功率为0.2 kW，总功率为18 kW，相对于机房空调下降65%。热管系统运行时，压缩机停止，以专用空调性能系数为3进行计算，冷却塔散热量下降33%，其功耗可大幅下降，进而降低整个制冷系统能耗。除此之外，通过热管系统可以有效降低冷却塔用水量，进而达到节水的效果。

3 结 论

在某数据机房建造重力型水冷热管系统，随着室外环境不同，热管系统可独立工作或提供部分冷量，并通过分区控制精准化实现热管系统和机房专用空调联动控制。通过实际测试，该系统为数据中心节能减排提供了有效的方式。在“双碳”战略背景下，热管系统可以在不影响业务运行的前提下完成安装工作，是一种降低存量机房能耗的有效方法，值得借鉴。