基于分离式重力热管冷墙技术在数据中心的节能改造研究

基于分离式重力热管冷墙技术在数据中
心的节能改造研究
摘要：简要论述了分离式重力热管的节能原理，介绍了冷墙式重力热管的
产品特性，描述了墙式重力热管空调的运行模式，基于昆山某项目分析了墙式重
力热管方案的节能效果。

关键词：分离式重力热管，冷墙，运行模式，节能效果，节能率
1.
引言
众所周知，数据中心的能耗占整个社会的用电量越来越高，2021年占比达到3%以上。

此外，数据中心能耗具有显热占比大、能耗密度高、全年制冷且能耗相
对稳定等特点。

特别是数据机房，其服务器的耗功基本转化为机房冷负荷，因此
空调系统在整个数据中心的作用尤其重要，且空调系统的容量跟数据中心的耗电
量正相关。

根据国内数据中心的调研结果显示，国内2021年大型数据中心的整
体PUE水平在1.55[1]左右，其中空调系统的PUE占比因子（我们称之为CLF）达
到0.43。

可以这么说，数据中心的节能将很大程度决定于空调系统的节能。

因此，空调系统的节能技术将具有广大的发挥空间。

事实上，如今数据中心的空调节能
技术也多种多样，重力热管系统就是其中之一。

一般针对空调系统的节能可分为设备的节能和系统的节能。

设备的节能如采
用EC风机、压缩机变频器、磁悬浮压缩机等方式，是针对单个设备的能效而言；而系统节能，主要是从空调系统的全局出发，降低整个空调系统的能耗。

如采用
重力热管技术、间接蒸发冷技术、冷却塔免费供冷技术等，均是从空调系统出发，且多是通过如何降低机械制冷系统的压缩机使用时间、提高室外自然冷源的利用
时间来实现的。

重力热管技术就是利用分离式重力热管的特性，通过提高自然冷
源利用时长的系统节能方式。

1.
分离式重力热管的工作原理
分离式热管系统布置灵活，适用于冷热源距离较远的换热场合，系统布置灵活，应用空间广阔。

使用分离式热管技术，可以在维持原有机柜结构和整体布局不变的基础上，实现大幅度节能减排。

在室内外具备一定温差的驱动下，通过室内、外两个换热器以及管路连接，并将其抽成真空加注工质，工质在重力或动力驱动力下依靠相变传热进行制冷的系统的都可以称为分离式热管系统。

制冷系统与热管系统区别：热管系统是在正向足够温差以及重力或动力驱动下通过制冷剂在冷凝器与蒸发器内相变传热实现制冷，而制冷系统是在温差不足够或者是负向温差下利用压缩机驱动制冷剂在冷凝器与蒸发器内相变传热实现制冷，故而两者在传热机理上具有很大相似性，故而研究热管系统性能影响因素对于制冷系统理解具有很好的促进性。

图1所示为重力型分离式热管结构及工作原理，重力型分离式热管，简称重力热管，它是通过制冷工质的自然相变流动将热量从室内排到室外，通过压力差和重力回流作用在管道中实现气液循环，无需外部动力，运行能耗相比机械制冷系统大幅降低。

主要由蒸发器、冷凝器以及连接两段的气体上升管（气管）和液体下降管（液管）组成，制冷工质气体上升与冷凝液体回流分别设置了独立的流通管道，上升气体与回流液体同时流动，互不干扰。

液态工质在蒸发器吸收热源的热量后变成饱和或过热气态，压力升高，通过气体上升管到达冷凝器，气态工质在冷凝器放热后变成液态工质，在重力的作用下，液态工质沿着液体下降管回到蒸发器，如此循环，实现热量的连续传递[2]。

重力型分离式热管的冷凝器位置必须高于蒸发器，以保证冷凝液体能够借助重力顺利回流至蒸发器。

当重力型分离式热管稳定运行时，为了克服气体及液体在管路中的流动阻力，液体下降管与蒸发器液面之间会形成一定的液位差，这个液位差也是保证重力型分离式热管正常运行的蒸发器与冷凝器的最小高度差[3]。

重力型分离式热管传热性能好，能够在近似等温的条件下输送高密度热量，且传热距离远、启动温差小、布置灵活、结构简单紧凑、可靠性高，非常适用于数据中心这类对环境和安全性要求很高的场合。

图1重力型分离式热管原理图
1.
水冷式冷墙型重力热管的系统方案及运行模式
重力型分离式热管一般由三个重要部件组成：蒸发器、冷凝器、系统气液管路。

根据末端应用场景的不同，蒸发器型式多样。

主要有柜式、吊顶式、墙式等型式。

墙式蒸发器一般安装于数据机房回风墙处，较适合应用于封闭冷通道或热通道的机房，如图1所示。

图1 热管冷却墙系统图
目前机房设计的回风温度越来越高，一般可达到32℃以上。

其主要目的就是提高供回水的温度，从而冷机的蒸发温度也可相应设置更高，有利于提升冷机的COP。

回风温度越高，也越有利于热管冷墙的利用。

机房回风先通过热管冷墙降温，再经过机械制冷系统的空调末端实现二次降温，达到机房送风温度要求。

重力热管的换热是冷媒在系统内通过相变，自发式地实现热量的传递。

重力热管系
统不存在压缩机等部件，因此只有在室内外存在温差的时候才能实现热量的传递。

即当室外温度比室内温度更低时，才有可能实现对机房的降温。

因此，室内机房
回风温度越高，那么室外空气的潜在自然冷的利用时间将更长，有利于减少机械
制冷系统的压缩机利用时长，从而使得整个空调系统的能效得到提升。

依据重力热管冷凝器的形式，可分为风冷式、间接蒸发冷式、水冷式几种。

水冷式的冷墙式重力热管方案，通常采用冷却塔+板式换热器+墙式蒸发器末端的
系统形式，与机械制冷系统联合为机房提供冷量。

该系统运行模式分为以下三种：
（1）自然冷却模式：当室外湿球温度t≤7℃（可调）时，冷却塔+板式换热
器+热管换热冷却墙组成的热管系统+传统水冷精密空调结合的方式工作，室外水
系统部分处于待机状态，该模式能效比最高。

（2）联合制冷模式：当室外湿球温度7＜t≤20℃（可调）时，但冷量却无
法满足机房需求时，室外冷冻水系统启动，负担部分冷量。

（3）机械制冷模式：当室外湿球温度t>20℃（可调）时，冷冻水系统+室内
末端单独运行，热管系统关闭。

1.
节能效益分析
某昆山大型数据中心，机房楼共5层，共32个模块间，IT总设计容量为16000kW。

该数据中心原空调系统采用水冷冷冻水形式，即开式冷却塔+离心式冷
水机组+水冷冷冻水末端的形式。

机房采用封闭冷通道的方式，设计回风温度为32℃。

原空调系统未采用如冷却塔免费供冷等节能方式，因此具备较大的节能空间。

本项目最终采用热管冷却墙的节能形式。

根据数据中心现状以及机房冬季需求冷负荷进行估算，热管换热系统将新增
加水冷却塔作为热管自然冷源的室外冷源部分。

冷却塔的摆放位置在综合了重力
热管的特性需求，以及现场勘测的具体情况。

初步设计需要配备冷量为16000kW热管换热冷却墙系统。

故选用4台单台流
量为800m³/h的开式冷却塔、4台流量为800m³/h，扬程25m的一次水泵，4台流
量为800m³/h，扬程30m的二次水泵、4台制冷量为4000kW的板式换热器（水-水）排布于楼顶平台，以及320台制冷量为60kw（192台换热量为90kW)的钎焊式板式换热器（水-氟）排布于空调机械室内(管廊间）。

冷却塔+板换的方式与原精密空调联合运行，最大限度利用自然冷源，减少精密空调的运行时间，降低机房制冷能耗。

冷却塔以及板式换热器均安装在6#楼楼顶。

表1 节能系统主要设备表
本次节能方案中采用的热管技术对现有气流组织形式不做任何改变，将空调
上方的回风口安装热管换热冷却墙，风阻增加24.2Pa。

根据机房冷冻水型精密空
调所配的EC风机性能曲线分析，风压增加Pa，要达到同等风量，电量大概由原
有的8.37kW上升到8.8kW左右，电量增幅为5%左右，增加的风阻对EC风机的风
量和风压几乎没有影响。

本项目位于江苏昆山地区。

除满足自然冷源单独供冷工况的运行小时数外，
其余工况均为自然冷源与机械冷源联合供冷，热管空调末端作为预冷承担部分负荷，室外湿球温度不同，承担的负荷比例也不同，对上表数据累加取平均值，并
考虑到实际环境温度与典型气象年数据的偏差，取0.9偏差系数，汇总数据如下：
表2 不同运行模式全年运行时间表
由于该数据中心未投入运行，根据机房负载以及两级热管节能系统的运行策略，在100%，80%，60%和50%负载下，分别计算得到热管系统节能量如下：
表3热管系统节能效益分析
经上述计算，在电费为0.8元/kWh 的情况下，该数据中心采用热管节能系统可实现空调系统年节电率30%以上；在100%，80%，60%和50%负载下，年节电费分别为815、704、592和566万元，具有较好的节能效果。

1.
结论
本文通过分析和讨论，得出以下结论：
1.
数据中心的节能迫在眉睫。

数据中心节能的重要方向之一就是空调系统的节能；
2.
重力热管技术是基于制冷剂工质在室内外温差的驱动下所产生的相变而进行的一种自发式的热传递过程。

它不需要压缩机等部件，是一种利用自然冷源的系统节能形式；
3.
在昆山等夏热冬冷地区，采用重力热管冷墙技术具有较好的节能效果，具有较高的数据中心节能改造价值。

参考文献
1.
《2021年中国数据中心市场报告》；数据中心工作组
2.
王飞，王君，史作君，等.热管复合型机房空调研究与试验制冷与空调，2017
3.
王飞，液相热管型与气相热管型机房空调系统分析[J]. 制冷与空调，2018。