1引言

隨著科技的進步,電子信息系統(tǒng)機房IT設(shè)備高度集成化,其能源效率偏差以及機房散熱量日漸趨高的現(xiàn)象開始受到了業(yè)界強烈關(guān)注?據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計,我國高端服務(wù)器集中的通信行業(yè)耗電在2007年就已達到200億kW·h以上,信息產(chǎn)業(yè)儼然已經(jīng)成為一個高能耗行業(yè)?

數(shù)據(jù)中心作為功能空間,包含數(shù)據(jù)服務(wù)器?計算設(shè)備?空調(diào)系統(tǒng)和電力設(shè)備在運行期間會消耗大量能源?特別是空調(diào)系統(tǒng),占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%?根據(jù)最新的能源統(tǒng)計數(shù)據(jù),目前全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗總量已經(jīng)占據(jù)了全球電力使用量的3%?因此,降低數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)的能耗,改變當前的高耗能模式,已經(jīng)成為當前數(shù)據(jù)中心運營商迫切需要解決的問題?

2數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)熱管技術(shù)介紹

2.1熱管結(jié)構(gòu)

常用的熱管由三部分組成:主體為一根封閉的金屬管(包括管壁和端蓋),內(nèi)部空腔內(nèi)有少量工作介質(zhì)(工作液)和毛細結(jié)構(gòu)(管芯);根據(jù)是否具有毛細結(jié)構(gòu)的熱管,可將熱管分為重力輔助熱管和毛細熱管?根據(jù)所需的工作溫度,可以為熱管選擇不同類型的工作流體,例如水?丙酮?甲醇或制冷劑等?

2.2熱管工作原理

當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化,蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體,液體在沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段?如此循環(huán),使熱量從一端傳遞到另一端?

在這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中,具體包含了以下6個相互關(guān)聯(lián)的過程:熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到蒸發(fā)段內(nèi)的液-氣分界面;液體在蒸發(fā)段的液-氣分界面上蒸發(fā);蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段;蒸汽在冷凝段內(nèi)的液-氣分界面上凝結(jié);熱量從冷凝段內(nèi)的液-氣分界面通過吸液芯?液體和管壁傳給冷源;在吸液芯內(nèi)由于毛細力(或重力)作用使得冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段?

3熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前,國內(nèi)外在熱管技術(shù)方面研究相對成熟,使得熱管在電力電子設(shè)備冷卻和太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)中已經(jīng)得到較好應(yīng)用?在數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備散熱冷卻方面,熱管冷卻技術(shù)的研發(fā)情況如下?

金鑫等人介紹了分離式熱管型機房空調(diào),并對其進行了實驗研究?在室外環(huán)境平均溫度為20℃時,分離式熱管和普通空調(diào)一起提供機房所需的冷量,此時分離式熱管型空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的COP可達4.66~13.9,其耗電量僅為原始機房空調(diào)系統(tǒng)耗電量的37.6%,節(jié)電率達62.4%,節(jié)省了大量能量?冬季時,機房所需的冷量僅靠分離式熱管提供,其節(jié)能效果更佳顯著?

田浩等人提出了一種基于環(huán)路熱管技術(shù)的?應(yīng)用于高顯熱密度環(huán)境排熱的分布式冷卻方案,該方案將多級環(huán)路熱管整合在機柜內(nèi)部,將芯片熱量在機柜內(nèi)部就地排走?而且由于整個排熱過程在機柜內(nèi)部完成,這從根本上杜絕了傳統(tǒng)的靜壓箱送風(fēng)室內(nèi)回風(fēng)模式產(chǎn)生的諸多氣流組織問題?他們改造了北京某信息機房空調(diào),經(jīng)過前后數(shù)據(jù)對比,新排熱系統(tǒng)的效率是原系統(tǒng)的3~4倍,能耗降低了41%?

周峰等人研制了利用自然冷源的熱管換熱器,將其用于IDC機房的散熱,并對北京地區(qū)冬季工況下,熱管換熱器和空調(diào)各自的散熱特性和能耗負荷進行了試驗研究?IDC機房使用熱管換熱器后,模擬研究全年節(jié)能約47%,試驗表明室內(nèi)溫度不超過22℃,室內(nèi)外溫差不超過20℃,無需開啟空調(diào)器,能耗僅為空調(diào)能耗的41%,通過技術(shù)改進可以控制在1/3左右,則全年將節(jié)能40%,既能夠滿足散熱需求,又能夠有效降低空調(diào)能耗?

馬國遠等人對某小型數(shù)據(jù)中心散熱用泵驅(qū)動回路熱管換熱機組的運行性能進行研究,擬合出其換熱特性曲線,并通過擬合曲線對其進行節(jié)能性分析,其分析結(jié)果表明,在過渡季節(jié)及冬季,當室外溫度低于15℃時,采用氟泵系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心機房進行散熱能滿足室內(nèi)負荷要求并具有良好的節(jié)能效果,與之前的采用空調(diào)散熱相比節(jié)省電能至少達到36.57%?

凌麗研究了數(shù)據(jù)機房用微通道分離式熱管換熱特性及其節(jié)能潛力,并建立了一個利用湖水源的水冷多聯(lián)分離式熱管系統(tǒng)?對該系統(tǒng)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率進行對比分析,由于該系統(tǒng)利用湖水源免費冷卻,全年72%的時間可以完全利用湖水源對數(shù)據(jù)機房進行免費冷卻,28%的時間可以利用湖水源對數(shù)據(jù)機房進行部分免費冷卻,其節(jié)能率可高達64.82%?

李奇賀等人介紹了熱管式機房空調(diào)機組的工作原理和技術(shù)特征,并做了性能實驗?在室內(nèi)外溫差達到5℃以上時,機組即可投入運行,承擔部分或者全部機房制冷負荷,能效比高;當室內(nèi)外溫差為5~24℃時,機組能效比達3.63~10.64,換熱溫度效率達65.6%~44.0%?冬季可以代替蒸氣壓縮式機房空調(diào)制冷,節(jié)能效果顯著?劉歡[8]對分離式熱管散熱系統(tǒng)在數(shù)據(jù)機房的應(yīng)用進行了實驗分析?在室內(nèi)外溫差為26.5℃時,制冷量為8kW,實際COP達到9.7,理論COP可達17.6,與相同工況下的傳統(tǒng)空調(diào)相比,其節(jié)能率能達到39.20%?分離式熱管系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果,可有效適用于數(shù)據(jù)中心?通信基站等高熱密度建筑的散熱?

4結(jié)語

現(xiàn)有熱管技術(shù)可以幫助數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗,具有很多的優(yōu)勢,但是仍存在以下問題:現(xiàn)有的圓形熱管與IT設(shè)備外表面的結(jié)合是一個難題;熱管冷凝端釋放的熱量仍排入數(shù)據(jù)中心內(nèi)部空間,數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷負荷并沒有減少,還是需要靠空調(diào)散熱冷卻,起不到節(jié)能減排的作用?部分熱管需要外加動力進行驅(qū)動?

針對以上問題,提出一種基于數(shù)據(jù)中心冷卻及余熱回收的微通道平板環(huán)路熱管系統(tǒng),該系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點:平板熱管可與IT設(shè)備外表面的緊密貼合,有利于加強傳熱效果;蒸發(fā)端與冷凝端通過蒸汽輸送管道和液體回流管道連接成微通道平板環(huán)路熱管系統(tǒng),可將冷凝端放置在數(shù)據(jù)中心外,從而降低數(shù)據(jù)中心內(nèi)部空間的冷負荷;還可將冷凝端的熱量作為生活熱水的熱源,回收數(shù)據(jù)中心服務(wù)器散發(fā)的熱量,達到節(jié)能減排的目的;整個系統(tǒng)利用重力以及微通道毛細結(jié)構(gòu)提供的毛細力進行傳熱循環(huán),無需任何外力驅(qū)動?

開發(fā)基于數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)的?適用于高熱密度電子及大功率高頻開關(guān)電源設(shè)備的微通道平板環(huán)路熱管,平板熱管與IT設(shè)備緊密貼合,IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱的形式直接將熱量傳遞給熱管,熱管通過內(nèi)部工作流體將熱量傳遞到冷凝端進行散熱,機架無需預(yù)留對流散熱空間;將有效地增大機架的使用空間,可適當增加機架內(nèi)IT設(shè)備的數(shù)量,提升機架密度,降低數(shù)據(jù)中心建造成本;還可提高設(shè)備運行效率和安全性,實現(xiàn)設(shè)備高效散熱及余熱回收再利用,為數(shù)據(jù)中心建筑節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展提供支撐,具有重要的應(yīng)用價值和顯著的節(jié)能效益?

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