何智光，李震，施峻，林燁敏，項敏

（1.清華大學 航天航空學院，北京 100084；2.河北清華發(fā)展研究院，廊坊 065000；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，麗水 323000）

數(shù)據(jù)機房是信息行業(yè)發(fā)展的重要支撐，是集中擺放大量服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等IT設(shè)備的特殊建筑，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息集中處理、存儲、傳輸、交換、管理的服務(wù)平臺。數(shù)據(jù)機房全年不間斷的運行模式使其年運行小時數(shù)為普通商業(yè)建筑的3倍，設(shè)備的密集擺放使其用能量大而集中，單位面積能耗可達普通辦公建筑的100倍［1］。數(shù)據(jù)機房不僅單體用能量巨大，而且數(shù)量眾多，包括運營商、銀行、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的大型服務(wù)器和交換機中心、政府和各企事業(yè)單位的信息中心。隨著以信息技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命的高速推進與發(fā)展，近年來全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)機房的數(shù)量和規(guī)模急劇增長，能源消耗也與日俱增，因此如何解決高發(fā)熱密度數(shù)據(jù)機房的散熱問題和機房節(jié)能已成為當前數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重要關(guān)注點。

目前，數(shù)據(jù)處理設(shè)備正向著小型化甚至微型化的方向發(fā)展，設(shè)備的密集度逐漸增加帶來設(shè)備的散熱密度也急劇增加，單機柜最大發(fā)熱量已超過10kW。傳統(tǒng)集中式送風冷卻系統(tǒng)由于存在冷熱氣流摻混等問題，已經(jīng)難以滿足如此高的散熱要求。而熱管空調(diào)技術(shù)為高發(fā)熱密度機房提供了一種有效的解決辦法，它不僅具有高效的傳熱性能，而且采用分離式的布置方式具有布置靈活、可實現(xiàn)遠距離傳熱以及縮短換熱環(huán)節(jié)等優(yōu)點。本文針對目前數(shù)據(jù)機房的發(fā)展現(xiàn)狀進行了調(diào)研，指出了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在高發(fā)熱密度機房的使用中存在的不足，并對熱管空調(diào)系統(tǒng)進行研究，給出了熱管空調(diào)系統(tǒng)在機房的具體使用方案，并實際改造某一北京機房進行測試。

1 數(shù)據(jù)機房發(fā)展現(xiàn)狀

近三十年來，信息量的迅猛增長對IT設(shè)備的性能提出越來越高的要求，伴隨著各種小型化甚至微型化的高性能數(shù)據(jù)處理設(shè)備（如刀片式服務(wù)器）的普及，機房IT設(shè)備的散熱密度急劇升高，目前高端單片CPU的滿負荷散熱密度高達75W/cm2。圖1［2］給出了近年來不同架構(gòu)尺寸的高端服務(wù)器單片CPU功耗和散熱密度的變化。從圖中可以看出，隨著CPU架構(gòu)的小型化，其散熱密度越來越高，尤其是采用多核心CPU的緊湊型服務(wù)器，其滿負荷發(fā)熱密度可以超過100W/cm2。

圖1 高端服務(wù)器單片CPU功率和散熱密度演變

圖2［3］將二十年來各類常用的機房IT設(shè)備在滿配置時的散熱密度用不同顏色條帶標注出來，條帶寬度表示該類IT設(shè)備在常見負載率內(nèi)的散熱密度變化范圍。從圖2中可以看出，在各類機房IT設(shè)備中，通信類散熱密度最高，在2004年以后其滿負荷運行時的峰值超過了80kW/m2。即便是散熱密度最低的磁帶是存儲設(shè)備，其滿配置時的平均值也達到了2kW/m2。按照信息機房常見機架布置密度和負載率估算，一般大型機房在正常運行時單位建筑面積發(fā)熱量大約在500～2000W左右，即散熱密度為500～2000W/m2，并且是全年不間斷散熱。因此信息機房的散熱密度和散熱量都遠高于有一定作息規(guī)律的普通辦公建筑（～100W/m2）和大型公共建筑（～200W/m2）。

圖2 常用機房IT設(shè)備散熱密度演變

由此可見，信息設(shè)備正逐步向著密集化發(fā)展，服務(wù)器散熱密度急劇增長，數(shù)據(jù)機房正逐步成為高發(fā)熱密度建筑。隨著發(fā)熱密度的增加，機房熱源不均勻程度將進一步增加，局部熱點現(xiàn)象將更加普遍，為了保證IT設(shè)備運行環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性，對機房空調(diào)系統(tǒng)提出了更高層次的要求。在高發(fā)熱密度的情況下，機房空調(diào)系統(tǒng)必須具備更優(yōu)的制冷能力并盡可能減弱或消除局部熱點現(xiàn)象。此外，隨著制冷量的增加，機房空調(diào)系統(tǒng)能耗將進一步增加，如何解決節(jié)能問題也是高發(fā)熱密度機房空調(diào)系統(tǒng)的研究重點。

2 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)

當前廣泛使用的數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)主要為集中式送風冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用較好的為下送風形式，該空調(diào)系統(tǒng)通過機械制冷的冷媒冷卻機房回風的熱空氣至送風狀態(tài)，空調(diào)送風由地板靜壓箱經(jīng)架空地板送風口將冷量輸送到各個機柜入口對服務(wù)器進行冷卻，經(jīng)過換熱，熱空氣回流至空調(diào)箱完成空氣循環(huán)。

采用集中式下送風冷卻方式不可避免地會造成機房內(nèi)部冷熱氣流摻混，如圖3所示?？照{(diào)送風的冷空氣可能沒有進入機柜換熱，而直接回到空調(diào)箱造成冷氣短路；機柜排風的熱空氣可能回流至機柜入口，與機柜進風的冷空氣進行摻混，造成熱風回流。其中冷氣短路造成冷量的浪費，而熱風回流會引起機柜進風溫度不同程度的上升，影響服務(wù)器換熱效果。其次由于冷熱摻混和機房本身的熱源不均勻性容易形成局部熱點。為了滿足每個機柜送風達到換熱要求的溫度，則必須降低整體的送風溫度或者增加送風量，從而進一步增加冷機和風機的能耗。

圖3 集中式下送風冷卻系統(tǒng)示意圖

隨著數(shù)據(jù)機房散熱密度的提高，集中式送風冷卻系統(tǒng)發(fā)展了冷熱通道隔離的方法以抑制冷熱氣流的摻混，降低機柜進風溫度，提高冷量利用效率。當單機柜發(fā)熱功率進一步增加，集中式送風冷卻系統(tǒng)只能通過加大送風量實現(xiàn)機房溫度的控制，然而加大風量所帶來的風機能耗增加成為集中式送風冷卻系統(tǒng)在高發(fā)熱密度機房應(yīng)用的限制。

3 熱管空調(diào)系統(tǒng)

熱管是一種成熟、可靠、高效的傳熱元件。根據(jù)熱管的結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和分離式兩類，其中分離式熱管具有整體式熱管的高導熱性能，同時還可實現(xiàn)遠距離傳熱，具有裝置適應(yīng)性和密封性好、安裝靈活，蒸發(fā)端和冷凝端的換熱面積可調(diào)整等諸多優(yōu)點［4］。

數(shù)據(jù)機房熱管空調(diào)系統(tǒng)是基于分離式熱管的數(shù)據(jù)機房自然冷源利用設(shè)備［5］。如圖4所示。該系統(tǒng)由室內(nèi)蒸發(fā)端、室外冷凝端、上升管和下降管組成。其工作原理是通過強制對流換熱，機房回風將熱量傳遞給蒸發(fā)端，管內(nèi)液體冷媒吸熱后蒸發(fā)成蒸汽，在壓差作用下通過上升管進入室外冷凝端，在冷凝端將熱量釋放到室外環(huán)境，蒸汽冷凝成液體在中立作用下回流至室內(nèi)蒸發(fā)端實現(xiàn)循環(huán)。該空調(diào)系統(tǒng)在室外環(huán)境溫度較低的時候可通過室內(nèi)外溫差實現(xiàn)循環(huán)排熱，實現(xiàn)機房制冷。在室外溫度較高時，可通過將冷凝端與冷機結(jié)合，通過冷機制造溫差實現(xiàn)機房排熱，若將冷機更換為可利用自然冷源的制冷設(shè)備，則可實現(xiàn)全年對機房進行散熱。

圖4 數(shù)據(jù)機房熱管空調(diào)系統(tǒng)示意圖

采用分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)機房散熱需求靈活安裝室內(nèi)蒸發(fā)端，將蒸發(fā)端安裝在機房冷通道或直接安裝在機柜柜門上，可實現(xiàn)就近排熱，縮短機房換熱環(huán)節(jié)，減少冷熱氣流摻混。并可根據(jù)不同區(qū)域的熱源分布不同，調(diào)節(jié)蒸發(fā)端的送風量，實現(xiàn)冷量按需分配，消除局部熱點。此外，采用分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)機房進行溫度控制可取消架空地板和靜壓箱的設(shè)定，減少機房初期投資。

4 熱管空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

對北京市某機房進行熱管空調(diào)系統(tǒng)改造，該機房平面圖如圖5所示，本次改造測試針對服務(wù)器機房1號室、2號室、3號室共計77個機柜，占地面積215m2（包括對應(yīng)空調(diào)間）。機房原制冷系統(tǒng)主要由空調(diào)間的4臺精密空調(diào)和安裝在3號室的2臺精密空調(diào)完成。此次改造測試選擇定制熱管空調(diào)系統(tǒng)，在空調(diào)間放置一臺熱管空調(diào)的蒸發(fā)端，在3號室的兩臺精密空調(diào)間放置2臺熱管空調(diào)的蒸發(fā)端。配置熱管的額定總制冷量為55kW。改造布置圖如圖5所示。

圖5 測試機房平面圖

在2月10日至13日，分別就兩種測試工況（熱管空調(diào)開、熱管空調(diào)關(guān)）進行機房的用電量測試，分析其節(jié)能效果，并根據(jù)北京市氣象參數(shù)，推測機房改造后全年運行的節(jié)電量。具體工況測試時間和工況說明如表1所示。

表1 測試工況說明

測試期間數(shù)據(jù)機房始終處于要求的溫度范圍內(nèi)，未發(fā)生報警情況。測試數(shù)據(jù)如表2所示。IT設(shè)備電表變比為80，空調(diào)系統(tǒng)電表變比為60，其中空調(diào)系統(tǒng)電表測量的是空調(diào)和熱管的總用電量。測試結(jié)果表明，工況1下空調(diào)系統(tǒng)日均用電量為619.2度/天，其中精密空調(diào)546.2度/天，熱管空調(diào)73.0度/天；工況2下空調(diào)系統(tǒng)日均用電量1060.8度/天。因此熱管運行時相比于熱管關(guān)閉時空調(diào)系統(tǒng)日均節(jié)電量為441.6度/天，日均節(jié)電率41.6%。

表2 用電量測試數(shù)據(jù)表

當室外溫度不大于13℃時，熱管空調(diào)系統(tǒng)額定冷量輸出運行；當室外溫度處于13℃至18℃之間時，熱管空調(diào)系統(tǒng)部分冷量輸出運行。根據(jù)北京市典型氣象參數(shù)統(tǒng)計，室外溫度不大于13℃的全年小時數(shù)為4276小時；室外溫度不大于18℃的全年小時數(shù)為5414小時。則可預測全年節(jié)電率約為20.3%～25.8%。

5 結(jié)論

隨著數(shù)據(jù)機房的發(fā)展，其散熱密度和規(guī)模均不斷增加，如何高效節(jié)能地實現(xiàn)機房散熱已成為數(shù)據(jù)機房空調(diào)研究的重點。傳統(tǒng)集中式送風冷卻方式在面對高發(fā)熱密度機房時，只能以增加能耗為代價對機房進行溫度控制，同時難以避免氣流摻混，無法進行冷量按需分配，容易造成局部熱點，冷卻效果不佳。而熱管空調(diào)系統(tǒng)因其靈活的安裝特性和高效的傳熱性能可實現(xiàn)機房冷量按需分配，就近排熱，縮短傳熱距離，提高傳熱效率，減少換熱溫差。同時熱管空調(diào)系統(tǒng)對自然冷源的充分利用可產(chǎn)生巨大的節(jié)能效益。

通過對北京某數(shù)據(jù)機房進行實際改造測試，驗證了熱管空調(diào)系統(tǒng)在實際運行中的可行性，測試期間日均節(jié)電率41.6%，預測全年節(jié)電率可達20.3%～25.8%。具有良好的應(yīng)用前景。