重力热管背板空调在数据中心机房的使用特性

摘 要：根据国务院印发“十三五”国家信息化规划，围绕贯彻落实信息通信技术发展，增强云计算和物联网原始创新能力，形成产业体系国际竞争能力；新方向新需求带来数据中心建设需求加剧，能源消耗加剧。结合IDC行业分析制冷系统特点，提出了一种关于新型重力热管背板空调系统使用方式，优化机房环境，降低制冷整体能耗。

关键词：重力热管背板空调；数据中心；节能

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0059-02

根据工信部关于数据中心建设指导文件，新建大型云计算数据中心电能使用效率（PUE）值不高于1.5，力争改造后的数据中心的PUE值下降到2.0以下；到2020年，形成具有国际竞争力的云计算和物联网产业体系，新建大型云计算数据中心PUE值不高于1.4；新型创新产品重力热管背板空调被应用于新建及改造的数据中心制冷系统中，可有效解决高热密度、局部热点问题；同时，重力热管背板空调具有独特的技术优劣势，合理的应用及配置重力热管背板空调可进一步优化机房环境，扩大重力热管背板空调技术优势，降低PUE值。

重力热管背板空调与服务器机柜对应安装，重点根据服务器机柜功率密度、系统形式进行应用分析。

1 应用分类

1.1 服务器机柜应用分类

现有运行的数据中心平均每机架容量普遍维持在5kw左右，根据中国数据中心工作组对我国IDC行业调查，此现状仍将持续一段时间；原因在于新建和现有数据中心的功率密度的改变，取决于位置，大小，工作量，业主的操作样式和经验，以及整体设计的考虑。

目前市场上主要应用的机架式服务器设备（1～2U设备）单台满载运行功率300～500w左右，对于标准19英寸42U机柜，基础设施管理者普遍控制上柜容量在50%以下，即单机架容量维持在4～6kw左右。行业内不同用户对应的设计机架容量如表1。

重力热管背板空调安装于服务器机柜背门，依靠重力循环换热，属于被动换热的一种，应对不同服务器机柜容量，重力热管背板空调换热能力与之匹配，重力热管背板空调单机换热量为0～15kw。

1.2 重力热管背板空调应用分类

结合目前行业内出现的重力热管背板空调系统，根据重力热管背板空调进液出汽的方式分为下进液上出汽重力热管背板空调系统，上进液上出汽重力热管背板空调系统；两种应用形式都是利用环保冷媒R134a在低压状态下蒸发、冷凝的相变换热作用，不同的在于液态冷媒输配方式不同。

2 重力热管背板空调应用分析

2.1 冷媒管道连接方式

如上述内容，两种重力热管背板空调系统主要区别在于液态冷媒的输配方式。上进液上出汽背板液态冷媒分配为U型管原理，此种方式对于背板数量较多时，远端与近端背板设备压损差值将影响冷媒分配，如图1示，A点与a点即存在压损，A点冷媒压力大于a点，在自由分配的作用下，远端背板的冷媒少；如存在机柜负载不均时，此系统方式将造成远端背板设备出风温度偏高，根据项目测试，近端与远端背板设备出风平均温度相差在5℃左右。

下进液上出汽背板液态冷媒分配为并联直线型，如图2示，在液冷冷媒重力流的状态下，单个背板设备的液位差有效弥补水平方向上A点与a点的压力差值影响，可以很好的进行冷媒分配，大大提升重力热管背板空调系统输送长度，机柜列长度可达15米。

由上可知，重力热管背板空调采用下进液上出汽方式时整体性能优于上进液上出汽方式。

2.2 负载不均影响

单套重力热管背板空调系统冷媒分配随设备数量增加变的不均匀，应用时应考虑系统设备配置数量，通过厂家测试显示，单套重力热管背板空调系统最佳配置2～10台背板空调，最大不超过20台。

同时，通过实验验证重力热管背板空调系统配置数量对负载均匀性的要求，表2所示为重力热管背板空调在每台机柜均匀负载分布时的测试记录，可知背板出风温度均满足规范设计。

设备厂家进行测试研究，针对单列6台背板设备的重力热管背板空调系统，对每个机柜进行负荷偏差度不同和分布规律的不均的测试。服务器分为上中下3组（10台服务器机柜为3+4+3），通过调节服务器的开关实现负载的不均匀分布，如表3所示。

機柜负载不均匀分布，机柜进风温度和背板出风温度都没有明显的温度分层，服务器均能正常的运行，并且可以发现场景1～4的服务器负载分布方案可行。可知，针对6台背板设备的系统，可以满足使用，如表4所示。

2.3 机柜摆放方向

传统数据中心机房服务器机柜摆放方式分为同向布置、反向布置（机柜面对面或背对背布置），对于不同的机柜布置方式，重力热管背板空调系统表现为不同的换热能力、可靠性。

根据GB50174中关于IDC机房设计参数要求，重力热管背板空调布置在机柜背部，背板出风侧设计温度为23℃，机柜进风侧设计温度为25℃，如图3所示，机柜设计为同向布置时，第一列机柜进风侧与第二列机柜出风侧（背板进风侧）为相同通道，形成混风区，机房内气流组织交叉，间接降低部分背板设备的换热量，容易形成局部热点；同时如存在第二列某背板设备失效，对第一列对应位置机柜形成二次加热，扩大影响，降低机房可靠性。

如IDC机房内机柜采用反向布置，图4示，气流组织相对合理，提高系统运行效率，系统节能性提高10%；同时，有效应对单背板设备失效，当某台背板设备失效时，周围背板设备可自动增大换热量，降低失效影响，提高系统可靠性。

3 需要关注的问题

3.1 防凝露与机柜回风温度控制逻辑

重力热管背板空调系统需设计防凝露控制逻辑，当机房内环境露点温度升高时，通过提高冷媒供液温度来防止换热盘管凝露；这样会降低背板换热量，需同时考虑换热量需求。

3.2 背板系统启动时环境要求

重力热管背板空调贴近机柜安装，系统为干工况运行。因此背板系统启动时需考虑机房环境状况，要求机房露点温度小于15℃，确保重力热管背板空调换热盘管无凝水。

4 结语

根据重力热管背板空调系统特点进行分析，应用重力热管背板空调系统时应优先考虑提升整体节能性、可靠性的系统方式，不可盲目配置；可知，当采用恰当的连接方式、以及合适的机房布置方式和配置，能使得重力热管背板空调系统使用特性与实际需求高效结合，服务于IDC机房建设。

参考文献

[1]陈延钧.高密度数据中心水冷解决方案[J].智能建筑与城市信息，2008，（7）：23-26.

[2]田浩，李震，刘晓华，等.信息机房热管空调系统应用研究[J].建筑科学，2010，（10）：141-145.