用于數(shù)據(jù)中心的熱管式空調(diào)系統(tǒng)及其散熱方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機房散熱和熱管換熱技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于數(shù)據(jù)中心(或機房)的熱管式空調(diào)系統(tǒng)及高效散熱方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)據(jù)中心(又稱機房)現(xiàn)已成為國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要組成部分，是推進國家科技工業(yè)信息化和數(shù)字化的主要支柱。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模和集成度的發(fā)展，服務(wù)器中IT設(shè)備功率密度與日倶增，熱密度急劇增長，數(shù)據(jù)中心的散熱問題和能耗問題越來越受到關(guān)注。以100個插滿機架服務(wù)器的機柜為例，其總耗電可達50千瓦，加上散熱冷卻系統(tǒng)也需要等同于計算機硬件自身的耗電量，以每度工業(yè)用電0.64元計算，一年無故障運營這個機架服務(wù)器將花費大約55萬元電費。數(shù)據(jù)中心的電力消耗正以每年15%?20%的速度增長。
[0003]當(dāng)前，中國面臨著經(jīng)濟快速增長和環(huán)境資源承載能力的矛盾，節(jié)能和環(huán)保成為我國許多經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級的主題。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和發(fā)展也需要向更加節(jié)能、環(huán)保和綠色化運行的方向前進。數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的熱管理技術(shù)如空氣強制對流換熱、單相液冷等，由于換熱能力不足或是條件制約等原因，導(dǎo)致效果不理想和成本過高。熱管作為一種新型的熱管理技術(shù)，已經(jīng)在國民經(jīng)濟生活上尤其是電子信息領(lǐng)域有著其獨特而廣泛的應(yīng)用。熱管是一種通過相變傳熱、具有超導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過管內(nèi)工作介質(zhì)的相變所產(chǎn)生的潛熱來傳遞熱量，其等效導(dǎo)熱系數(shù)是一般金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)百倍甚至上千倍，被譽為熱的“超導(dǎo)體”。
[0004]發(fā)明專利(申請?zhí)?01110215178.4)公開了一種通信數(shù)據(jù)機房用熱管式換熱系統(tǒng)及其熱交換方法，該系統(tǒng)即為一臺熱管換熱器，殼體內(nèi)的熱管為重力式熱管及散熱翅片，能夠一定程度上降低機房能耗過高的問題，緩解空調(diào)設(shè)備能耗過高帶來的用電壓力。但是該專利公開內(nèi)容存在幾個不足之處:1)沒有涉及到避免機房內(nèi)的冷熱氣流摻混，因此其無法高效地解決機房散熱問題，機房的能耗降低程度不大；2)系統(tǒng)采用的是立式熱管換熱器，熱管豎直安裝在殼體內(nèi)，熱管的冷凝段位于加熱段的正上方，因此整個系統(tǒng)的高度較高，這對墻壁的鑿墻開洞和承重都有很高的要求，墻壁懸掛式安裝的約束性大，比較適合于地面立式安裝。實用新型專利(申請?zhí)?01320756559.8)公開了一種基站使用的熱管空調(diào)換熱裝置，該裝置是將熱管元件嵌入進機房空調(diào)裝置中，將熱管與空調(diào)耦合起來，減少空調(diào)壓縮機的開啟時間，從而降低能耗。但該專利存在以下不足之處:1)熱管與空調(diào)結(jié)合就需要對空調(diào)進行重新設(shè)計或拆裝改動，系統(tǒng)實現(xiàn)和維護不方便；2)專利沒有公布其使用的熱管的詳細情況，只給出了熱管在空調(diào)裝置中的一個位置示意圖，操作可行性有待提高。文獻《熱管式機房空調(diào)性能實驗研究》是將熱管換熱器置于機房外的地面上，同樣沒有涉及到避免機房內(nèi)的冷熱氣流摻混的措施，文獻《信息機房熱管空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用研究》采用的是分離式熱管換熱器，優(yōu)點是能夠遠距離布置，缺點是其換熱效率相比緊湊型熱管換熱器要小，文獻《應(yīng)用于通信基站的熱管空調(diào)系統(tǒng)的試驗研究》采用的熱管換熱器中，熱管為重力式水熱管，熱管的工作介質(zhì)為水，由于水的相變溫度比較高，因此這種熱管的傳熱能力是有限的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種用于數(shù)據(jù)中心的熱管式空調(diào)系統(tǒng)以及一種高效散熱方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，有效避免機房內(nèi)冷熱氣流的相互摻混，通過將服務(wù)器排出的熱氣直接輸送到一個獨立的熱管式空調(diào)系統(tǒng)，熱管式空調(diào)降溫后的氣流返回機房空調(diào)，形成一個封閉的機房室內(nèi)氣流循環(huán)，提高機房的整體散熱效率，降低機房運行能耗，從而降低機房的整體PUE指標(biāo)，并且系統(tǒng)安裝可行性高、安裝和維護的成本較低。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開一種用于數(shù)據(jù)中心的熱管式空調(diào)系統(tǒng)，通過空調(diào)、機柜通風(fēng)單元和熱管單元組成內(nèi)循環(huán)子系統(tǒng)和外循環(huán)子系統(tǒng)，所述熱管單元包括殼體和熱管組，通過隔板將所述殼體分割為兩個封閉空間，所述熱管組以其熱端和冷端分別位于殼體的兩個封閉空間之中的方式配置于所述殼體中，由此，所述內(nèi)循環(huán)子系統(tǒng)為:所述空調(diào)出風(fēng)口經(jīng)由管道與所述機柜通風(fēng)單元入風(fēng)口連通，所述機柜通風(fēng)單元的出風(fēng)口通過管道與所述熱管單元的熱端的封閉空間一側(cè)的入風(fēng)口連通，位于其相對一側(cè)的出風(fēng)口通過管道與所述空調(diào)的入風(fēng)口相連，從而構(gòu)成內(nèi)循環(huán)子系統(tǒng)，所述外循環(huán)子系統(tǒng)為:所述熱管單元的冷端密閉空間的一側(cè)具有入風(fēng)口，相對的一側(cè)具有出風(fēng)口，從而，所述熱管單元的冷端密閉空間通過風(fēng)機的作用與外部環(huán)境構(gòu)成外部循環(huán)子系統(tǒng)。
[0008]優(yōu)選所述熱管單元采用重力型熱管組，配置方式為冷端高于熱端，所述熱管組的熱管均以逆時針5-15度的傾斜角度平行配置，所述熱管單元通過支撐架將所述殼體固定在機房側(cè)墻壁的上部，固定好后，所述冷端密閉空間的出風(fēng)口和入風(fēng)口均位于機房外，從而使所述冷端密閉空間與機房外的環(huán)境形成外循環(huán)子系統(tǒng)，而所述熱端密閉空間與機房內(nèi)的所述空調(diào)和所述機柜通風(fēng)單元形成內(nèi)循環(huán)子系統(tǒng)。
[0009]優(yōu)選所述熱管單元采用重力型熱管組，配置方式為冷端高于熱端，所述熱管組的熱管均豎直地平行配置，所述熱管單元通過所述殼體固定于機房的房頂上，所述熱端的密閉空間的入風(fēng)口和出風(fēng)口通入機房內(nèi)，與設(shè)置于機房內(nèi)的所述空調(diào)和所述機柜通風(fēng)單元形成內(nèi)循環(huán)子系統(tǒng)，所述冷端的密閉空間直接與機房外的環(huán)境形成外部循環(huán)子系統(tǒng)。
[0010]優(yōu)選所述機柜通風(fēng)單元為在機柜的兩側(cè)分別配置有封閉冷柜和封閉熱柜，所述機柜通風(fēng)單元的入風(fēng)口位于所述封閉冷柜的底部，所述機柜通風(fēng)單元的出風(fēng)口位于所述封閉熱柜的頂部；與所述空調(diào)出風(fēng)口連通的管道經(jīng)由地底靜壓箱通道與所述機柜通風(fēng)單元的入風(fēng)口連通，與所述熱端的密閉空間的出風(fēng)口經(jīng)由機房的吊頂與所述空調(diào)的入風(fēng)口連通。
[0011]優(yōu)選所述熱管采用鋁-氨熱管或者銅-氟利昂熱管或鋁-甲醇熱管。
[0012]優(yōu)選所述機柜通風(fēng)單元的出風(fēng)口處安裝有抽氣風(fēng)扇，所述熱端密閉空間的出風(fēng)口處安裝有熱端風(fēng)機，所述冷端密閉空間的入風(fēng)口處安裝有冷端風(fēng)機，所述抽氣風(fēng)扇和熱端風(fēng)機為定頻風(fēng)機，所述冷端風(fēng)機為變頻調(diào)速風(fēng)機。
[0013]優(yōu)選多個連接到服務(wù)器機柜的熱端進風(fēng)管道可以以并聯(lián)的方式同時連接到熱管式空調(diào)殼體的熱端一側(cè)的進風(fēng)口。
[0014]本發(fā)明提供一種用于數(shù)據(jù)中心的高效散熱方法，其利用權(quán)力要求1?7中任一項所述的用于數(shù)據(jù)中心的熱管式空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0015]步驟一、設(shè)定機房空調(diào)壓縮機啟動的工作溫度T0 ;
[0016]步驟二、設(shè)定熱管式空調(diào)系統(tǒng)的冷端風(fēng)機開啟的啟動閥值ΔΤ ;
[0017]步驟三、獲取熱端進風(fēng)管道中的溫度T1、機房外溫度T2和熱端出風(fēng)管道中的溫度T3 ；
[0018]步驟四、設(shè)定Τ4 = Τ1_Τ2，當(dāng)T4彡Δ Τ時，控制程序開啟冷端風(fēng)機，熱管啟動工作，否則冷端風(fēng)機不啟動，熱管不啟動；
[0019]步驟五、當(dāng)步驟四中的Τ4彡ΔΤ時，進一步設(shè)定Τ5 = Τ4- Δ Τ，控制程序根據(jù)溫度Τ5的大小調(diào)節(jié)冷端風(fēng)機的頻率，從而調(diào)節(jié)冷端風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，Τ5越大，轉(zhuǎn)速可以越低，反之轉(zhuǎn)速越尚;
[0020]步驟六、當(dāng)Τ3多Τ0時，機房空調(diào)的壓縮機啟動，開始制冷過程，否則機房空調(diào)的壓縮機不啟動，僅空調(diào)風(fēng)扇運轉(zhuǎn)。
[0021]優(yōu)選熱管式空調(diào)系統(tǒng)和機房空調(diào)屬于串聯(lián)關(guān)系，并且熱管式空調(diào)系統(tǒng)位于前面，因此服務(wù)器產(chǎn)生的熱量大部分通過熱管直接排放到機房外，少部分熱量負荷由機房空調(diào)來承擔(dān)。
[0022]優(yōu)選熱管式空調(diào)系統(tǒng)中的熱管的傳熱具有單向性。當(dāng)T4多ΔΤ時，熱管能夠自動啟動，而無需額外的動力，熱管啟動后，熱量自動從熱管的蒸發(fā)段傳向冷凝段；當(dāng)T4 < Δ T時，熱管不啟動，外界大氣中的熱量無法逆向地從熱管的冷凝段向蒸發(fā)段進行傳遞。
[0023]本發(fā)明為了避免機房內(nèi)冷熱氣流的相互摻混，提高機房的整體散熱效果，在機柜的前部連接一個封閉冷柜，機房空調(diào)制冷后的冷氣流經(jīng)過地底送風(fēng)管路和地底靜壓箱通道后從地板開孔處流向封閉冷柜中，再流向機柜中的服務(wù)器。
[0024]本發(fā)明的熱管式空調(diào)系統(tǒng)中的熱管的傳熱具有單向性。當(dāng)T4多ΔΤ時，熱管能夠自動啟動，而無需額外的動力，熱管啟動后，熱量自動從熱管的蒸發(fā)段傳向冷凝段；當(dāng)T4< AT時