孫鐵柱 毛 彬

?

一種數據機房散熱方式節(jié)能解決方案

孫鐵柱1毛 彬2

（1.西安工程大學 西安 710048；2.西安品匯環(huán)保設備有限公司 西安 710048）

目前機房服務器內部的熱量是直接排到機房內，然后再由機房空調承擔這些熱量轉變的冷負荷，存在熱量排放不合理和能源浪費問題。針對該問題提出了一種機房冷卻節(jié)能解決方案，即空調制冷+導熱排風，利用新型自泄壓熱管散熱器，將機房服務器其內部熱量及時導出，然后再由排風系統(tǒng)直接將熱量排出室外，而不是排到室內，從而降低室內空調的冷負荷，減少機房空調的能耗，達到節(jié)能減排的效果。

自泄壓熱管；換熱器；節(jié)能；排風系統(tǒng)

0 引言

隨著通信業(yè)的高速發(fā)展，網絡核心設備、動力系統(tǒng)、機房設備等能耗占社會總能耗比重越來越大。數據中心的空調負荷特性決定了其能耗水平與常規(guī)建筑不同。美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的一項測試表明，一般商業(yè)建筑能耗為50-110W/m2，而數據中心的能耗為120-940W/m2，數據中心空調能耗占整體功耗約40%，是降低能源消耗的關鍵，具有很大的節(jié)能潛力[1-3]。

根據2015年3月23日工信部聯(lián)合國能源局、國家機關事務管理局發(fā)布的《國家綠色數據中心試點工作方案》（工信部聯(lián)節(jié)[2015]82號），指出我國數據中心發(fā)展迅猛，總量已超過40萬個，年耗電量超過全社會用電量的1.5%，其中大多數數據中心的平均電能使用率（PUE＝數據中心總能耗／IT設備能耗）仍普遍大于2.2，而目前美國數據中心平均PUE值已達1.9，先進數據中心PUE已達到1.2，我國數據中心能效水平與國際先進水平相比有較大差距[4-9]。

對企業(yè)而言，數據中心電費已成為很大一筆開支，大幅侵蝕企業(yè)的經營利潤。如中國聯(lián)通2012年營業(yè)收入407億美元，利潤僅為12億美元，但其電費開支卻高達17億美元。

節(jié)能減排成為重要的行業(yè)責任和機房建設的未來趨勢。本文主要針對數據機房的以下兩個問題提出了一種節(jié)能解決方案。

（1）機柜散熱一直是數據中心重視的問題，如果設備過熱會給設備造成無法彌補的損害，造成數據中心數據丟失無法恢復等嚴重問題，有的機房服務器內的熱量不能及時散出，導致服務器工作效率不高，甚至不能正常工作。

（2）機房內的散熱設備主要是服務器，而機房服務器所產生的熱量先散到房間，然后再由機房空調將熱量消除，這樣將會增加機房空調的冷負荷，增加空調耗電量。而且如果機房空調不能及時排出熱量，機房溫度會越來越高。如果能將服務器內CPU等部件產生的熱量不排在機房內，而直接排到室外，將會大大降低機房空調冷負荷，從而降低空調的耗電量。不僅節(jié)約電費，而且符合國家節(jié)能減排政策。

因此，本文提出了一種機房冷卻節(jié)能解決方案，是在機房空調冷量不變的前提下，增加導熱排風系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心是新型自泄壓熱管散熱器，通過該散熱器將服務器內部CPU、顯卡的熱量導出，然后再由排風系統(tǒng)直接將熱量排出室外，而不是排到室內，從而降低室內空調的冷負荷，減少機房空調的能耗，達到節(jié)能減排的效果。

1 服務器用自泄壓熱管換熱器工作原理

服務器用自泄壓熱管換熱器采用自泄壓熱管技術（“一種自泄壓熱管”專利號：201520347677.2），運用自泄壓熱管的自泄壓散熱原理，結合翅片和風扇的散熱手段，保證了熱管始終處在高速導熱工作狀態(tài)，該技術已經取得國家知識產權局實用新型專利和外觀設計專利證書（專利號：ZL201620661501.9，ZL201630289098.7）。如圖1所示，上部分為自泄壓熱管，下部分是普通熱管，普通熱管起吸收熱量和傳輸熱量的功能，普通熱管的冷凝端①與自泄壓熱管的蒸發(fā)端③相連接，自泄壓熱管吸收普通熱管的熱量并通過翅片散熱，由于自泄壓熱管的蒸發(fā)端與普通熱管冷凝端接觸并進行熱量傳遞，兩者的溫度接近（該溫度不高與自泄壓熱管內工質的相變溫度），普通熱管的蒸發(fā)端與發(fā)熱點溫度一致，因此，普通熱管的蒸發(fā)端與冷凝端的溫度不一致，普通熱管內部不會出現過熱飽和現象，所以普通熱管始終處在高速熱量傳遞狀態(tài)，自泄壓熱管將吸收的熱量通過翅片，在風扇的作用下加速熱量散發(fā)。

圖1 服務器用自泄壓熱管換熱器結構簡圖

如圖2所示服務器用自泄壓熱管換熱器，冷凝端可分為多個自泄壓熱管（4～10根）組成，自泄壓熱管組的蒸發(fā)端可根據需要設置多個與服務器內部散熱部件相連接吸熱，冷凝端與蒸發(fā)端采用小直徑紫銅管連接。紫銅管能彎曲，長度可根據CPU、顯卡的具體位置需要確定，能夠滿足各類機箱的電腦、服務器使用。

圖2 服務器用自泄壓熱管換熱器成品三維圖

2 服務器熱量排放方案

本方案不僅可解決熱量從服務器中散不出的問題，而且將熱量直接排出室外降低機房空調的能耗而節(jié)能。主要分兩步實施，首先將熱量從服務器內部導出，然后再將每個服務器的熱量通過排風管道排到室外。

2.1 將熱量從服務器內部導出

在服務器中安裝自泄壓熱管換熱器，將自泄壓熱管換熱器的蒸發(fā)端與服務器內部CPU、顯卡等散熱部件連接，將熱量及時導到冷凝端散熱，如圖3所示。冷凝端集中安裝在機柜一側或者頂部，便于連接管道。

圖3 自泄壓熱管散熱器從服務器內導熱示意圖

2.2 將熱量直接從服務器排到室外

如圖4所示，將服務器內部的熱量導到服務器一側或頂部，然后由風管直接與每個服務器的散熱端連接將熱量直接排到室外，可大大減少空調負荷，減少耗電量，節(jié)約運行成本。

根據機房的特點和所處位置，可以采用不同的排風管布置形式。如圖4所示，通過排風管與每個服務器的散熱端通過軟管連接，將每個服務器的熱量抽走，然后從房頂集中排走或者分別排到室外。

圖4 機房排風系統(tǒng)示意圖

2.3 方案的優(yōu)點

（1）利用新型自泄壓熱管散熱器可以將服務器內部熱量及時導出，不至于熱量排不出致使服務器溫度過高而停機。目前服務器采用的散熱方式，散熱效率低下，而此自泄壓熱管散熱器導熱率至少提高10%。

（2）將服務器產生的熱量部分或者全部直接排到室外，不再排在機房內，可以降低空調的冷負荷，降低能耗。目前機房服務器對機房空調的依賴很強，如果機房內溫度控制的稍高，服務器內部溫度就會增高，熱量不能及時排出。而本方案是直接將服務器的熱量排到室外，一不增加機房內空調負荷，二不容易使熱量積聚在機房內。

（3）機房擴容不需要再增加空調負荷，同容量機房改造可降低空調能耗。本方案是將服務器內部熱量直接排到室外，將大大降低空調的冷負荷，機房擴容不需要增加空調設備，同容量機房按照方案改造后可以減少空調的耗電量。

（4）機房改造成本低，施工周期短。

3 結束語

本文為機房散熱方式提出了一種節(jié)能散熱方案，在現有的空調系統(tǒng)基礎上增加一套導熱排風系統(tǒng)，利用新型自泄壓熱管散熱器，將該散熱器應用到機房服務器將內部熱量導出，然后再由排風系統(tǒng)直接將熱量排出室外，而不是排到室內，從而降低室內空調的冷負荷，減少機房空調的能耗，達到節(jié)能減排的效果。

[1] 陳勝朋,梁立平,陳紅,等.機房空調節(jié)能技術探討[J].制冷與空調,2013,27(5):458-461.

[2] 吳國珊,楊攀.通信機房專用空調機組的深度維護及節(jié)能分析[J].制冷與空調,2011,11(1):87-89.

[3] 王景剛,康利改,劉杰.廊坊IDC機房空調節(jié)能改造可行性分析[J].制冷與空調,2009,9(1):78-82.

[4] 王興興,黃翔,邱佳,等.不同間接蒸發(fā)冷卻器工程試驗分析及應用探討[J].制冷與空調,2015,15(7):92-97.

[5] 宋姣姣,黃翔,范坤,等.交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組應用于模擬機房的試驗研究[J].流體機械,2014,(4): 67-71.

[6] 宋姣姣,黃翔,范坤,等.交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組性能測試研究[J].發(fā)電與空調,2013,34(5):67-71.

[7] 宋姣姣,黃翔,范坤,等.管式間接蒸發(fā)冷卻技術在通信機房的適用性分析[J].潔凈與空調技術,2013,78(2):28-31.

[8] 李依軒,黃翔,王興興,褚俊杰,等.烏魯木齊某大廈蒸發(fā)冷卻通風空調設計[J].制冷與空調,2017,31(1):47-52.

[9] 李先庭,馬曉鈞,邵曉亮.我國通風領域面臨的挑戰(zhàn)與“十三五”期間應用重點開展的工作[J].制冷與空調,2016, 30(3):237-244.

One Total Solution of Energy Saving for Data Central Room Heat Dissipation

Sun Tiezhu1Mao Bin2

( 1.Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048; 2.Xi’an Quality Club Environmental Protection Equipment Co., Ltd, Xi’an, 710048 )

The heat coming from the server is directly into the room, and then the all heat is discharged by air conditioning, the heat emission way is not reasonable and the energy waste. So the energy saving solutions is proposed in this paper for data central room heat dissipation, that is air conditioning refrigeration - thermal exhaust. The heat is discharged from the server in time by new type automatic pressure release heat pipe radiator, and emitted directly outside by the exhaust system, rather than into the data central room, thus reducing indoor air conditioning cooling load, reduce the room of air conditioning energy consumption, to achieve the effect of energy conservation and emissions reduction.

automatic pressure release heat pipe; heat exchanger; energy saving; exhaust system

1671-6612（2018）01-068-03

TU831.6

B

孫鐵柱（1986-），男，在職博士，講師，E-mail：suntiezhu66@163.com

2017-05-08