熱管背板空調在某數據機房的實際應用分析

洪馨

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海200092）

1 引言

數據中心作為全球協作的設備網絡信息服務平臺，處于快速發展中，集成度高、能耗大的數據單機柜設備大量增加。傳統數據中心制冷系統采用房間級、列間精密空調制冷，普遍存在氣流組織不均勻、機房內局部熱點、能耗大等問題，散熱問題已制約高熱流密度IT 設備的發展。熱管背板空調的出現很好地解決了機房高密度機柜散熱問題；同時，由于熱管背板空調位于機柜背部，減少輸送能耗，有利于冷源的供回水溫度的提高，延長自然冷卻的時間，對節能意義重大[1～3]。

以上海地區某數據機房為例，通過CFD 模擬技術，將熱管背板空調與列間空調的溫度場、氣流組織進行對比分析。實例說明，熱管背板空調在節能、安全可靠等方面的優勢。

2 背板空調分類及原理

背板空調根據使用的載冷劑不同，可以分為水冷背板與熱管背板。水冷背板的載冷劑為冷凍水，熱管背板的載冷劑為氟利昂。該項目根據機房工藝及運行安全的要求，采用熱管背板空調。熱管背板空調，管內為氣液兩相流，以潛熱的形式進行換熱。

液態的工質在熱管背板空調的蒸發器內蒸發吸熱變為氣態；氣態的工質在壓差作用下進入熱管冷凝器與冷凍水進行熱交換，放熱后凝結成液態，在重力的作用下回流至熱管背板空調的蒸發器，完成制冷循環，如此反復。

3 項目概況

該數據機房位于上海某高層建筑的5 層，冷源設備布置于建筑裙房屋面，熱管冷凝器布置于5 層空調機房。

根據數據機房的發展需求，該單機柜功耗為6kW，選用尺寸為1 200mm×600mm×2 200mm（深×寬×高）的標準機柜。

冷源采用自然冷卻風冷螺桿式冷水機組，冷凍水管道采用雙管路環狀布置，冷凍水供回水溫度為12℃/18℃。

4 模型建立

4.1 應用場景建立

擬對熱管背板空調和冷凍水型列間空調這2 種形式的空調末端進行對比分析的前提條件如下：（1）選取同一個數據機房作為研究對象；（2）布置的機架數量大致相等，單機架功耗相同，即機房內空調冷負荷近乎相等；（3）空調的冷源均采用帶自然冷卻風冷冷水機組。

熱管背板空調末端方式，在該數據機房內布置機柜90 架（見圖1）；列間空調末端方式，在數據機房內布置機柜96 架（見圖2）。

圖1 熱管背板空調機房 布置平面圖

圖2 列間級空調 機房平面圖

4.2 機房環境要求

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》的要求，設定冷通道或機柜進風區域的溫度為18～27℃，相對濕度為40%～55%。

5 模擬結果對比分析

5.1 熱管背板空調

機架布置采用“面對面、背對背”的方式，機架內的服務器上中下均勻布置；熱管背板空調與機柜一一對應并緊貼機柜背部，并保證密封良好；熱管背板空調采用自帶風機的形式，風機為上中下3 層均勻布置。熱管背板空調的制冷量與單機柜功耗一致為6kW，其出風溫度設定為23℃。

5.1.1 溫度場模擬

通過模擬計算，截取機房1.5m 高處的溫度分布，如圖3 所示，采用熱管背板空調，機房內的溫度分布均勻，穩定在約23℃，與初步設定的背板空調出風溫度基本一致，機房的環境溫度均滿足規范要求，整個機房不存在熱環境。

圖3 機房1.5m處溫度場分布圖

5.1.2 氣流組織模擬

截取機房1.5m 高處的氣流矢量分布，如圖4 所示，機房內的氣流分布均勻、有序，從圖4 中可以看出，服務器設備吹出的熱風直接被熱管背板空調冷卻，熱空氣無法滲透至房間內，整個機房處于冷環境中，冷風從機柜前門進入，進一步冷卻服務器設備，形成一個良好的氣流循環；選用自帶風機的熱管背板，能有效地避免熱風滲透的問題，同時使氣流在機柜內有序流通。

圖4 機房1.5m處氣流場分布圖

5.2 冷凍水型列間空調

機架布置采用“面對面、背對背”的方式并設置封閉冷通道，機架內的服務器上中下均勻布置；列間空調單臺制冷量為30kW，每個冷通道設置4 臺空調，運行方式為三用一備，氣流組織為前出風后回風。通過模擬計算及可對比性，同樣截取機房1.5m 高處的溫度及氣流矢量分布。

5.2.1 溫度場模擬

如圖5 所示，冷通道內處于冷環境狀態下，其溫度分布均勻，溫度近似為列間空調的出風溫度23℃，而機房環境（冷通道以外部分）溫度明顯高于冷通道內部，溫度為32～38℃，如圖6 所示，從機柜底部到頂部溫度逐步升高，即冷風冷卻服務器后溫度升高，直接排至機房內，形成了熱環境，其中機柜背面上部的溫度約為38℃。

圖5 機房1.5m處溫度場分布圖

圖6 機柜剖面溫度場分布圖

5.2.2 氣流組織模擬

如圖7 所示，列間空調送風至冷通道內，冷通道內的氣流存在相互干擾；機柜背部熱氣流集中回流至列間空調背部，該處熱氣流相對集中，導致與列間空調相對較近的機柜背部溫度也較高。

圖7 機房1.5m處氣流場分布圖

5.3 模擬分析結論

通過以上2 種空調末端方式的溫度場、氣流組織分布情況分析得出以下結論：

1）在同樣的出風溫度條件下，熱管背板空調位于機柜背部，直接冷卻服務器吹出的熱氣流，避免熱氣流進入機房環境，整個機房內溫度近似于空調出風溫度，溫度場分布均勻，而列間空調末端方式存在冷熱通道，機柜背部溫度較高，背板空調的溫度場分布情況優于列間空調。

2）熱管背板空調的氣流組織比較均勻，不存在氣流間的相互干擾，其送回風氣流方向較為一致，而列間空調在冷通道內的冷氣流存在相互間的干擾，機柜背部的熱氣流因集中回至列間空調，存在局部熱量集中的情況。

6 背板空調工程應用分析

6.1 運行節能

6.1.1 末端輸送能耗

熱管背板空調靠近發熱源制冷，降低風阻，降低風機的能耗。該數據機房空調建設項目，單臺熱管背板空調風扇總功率為160W，則90 臺熱管背板總消耗功率為14.4kW。

采用冷凍水型列間空調時，單臺空調風機功率約為1.6kW；根據機房平面及空調布置，正常運行的列間空調為21臺（不含備用），風機總消耗功率為33.6kW。

對比2 種空調形式，熱管背板空調相對于列間空調可節約末端風機功耗，年節約電量168 192kW·h。

6.1.2 冷源側節能性

熱管背板空調末端，其機房內環境溫度近似為空調出風溫度，在規范要求及服務器的允許范圍內，可以適當提供末端的出風溫度，冷源側冷凍水的供回水溫度可以相應提高，冷水機組的效率明顯提高，達到更好的節能效果，同時，可延長自然冷源的利用時間。

6.2 運行安全

運行安全應注意以下2 方面：（1）機房管路布置。熱管背板空調，其機房內僅布置冷媒管道，與冷凍水型列間空調相比，不存在水管進入機房的運行風險。（2）冗余。熱管背板空調可以實現雙盤管備份，在某一盤管出現故障時，不影響其制冷能力，實現在線更換，對機房內的溫度場，氣流組織不產生影響；同時，在正常運行時，雙盤管可作為制冷量的冗余。而列間空調故障時，因其空調的布置，其溫度場、氣流組織將受到影響，因此，在安全運行方面，背板空調有明顯的優勢。

6.3 機房布置

采用熱管背板空調，空調緊貼熱源，實現近端制冷，整個機房內的環境溫度一致，近似為熱管背板的出風溫度，機房內的機架成列布置，可選擇面對面或順序布置，無冷熱通道隔離的需求。采用列間空調，為避免冷熱風混流影響機柜進風溫度，需進行冷熱通道隔離，設置封閉冷通道[4，5]。

因此，采用熱管背板空調，可減少冷通道封閉的投資，對機柜的布置方式沒有嚴格要求。

7 結語

通過CFD 模擬分析及工程應用的分析，熱管背板空調作為高功耗機柜制冷末端，其溫度場、氣流組織分布均勻，不存在氣流間的相互干擾；機房內環境溫度近似背板空調的出風溫度，也有利于冷源側供回水溫度的提高，延長自然冷源利用時間，減少末端輸送能耗，無熱氣流的溢出，同時也為運維人員提供了良好的工作環境[6]。熱管背板空調的雙盤管備份，機房內僅布置冷媒管道，運行安全、可靠性更高。