数据中心热管空调系统仿真研究

刘云花1，刘杰宏3，陈飞虎2，3，邢利3，廖曙光3，龚光彩1

红河职业技术学院云南省蒙自市 661000

摘要

降低数据中心冷却系统能耗，已成为节能减排的迫切要求。热管自然冷却是降低这一能耗的有效方法之一。根据数据中心负荷的特点，利用热力学模拟软件建立了数据中心热管系统的仿真模型，以湖南常德某机房（111°39′E，29°00N）72台背板热管空调为对象，进行了全年能耗计算，与机房使用传统的空调系统进行了对比分析，结果表明，采用背板热管用电量节省了26%。并根据全国主要城市的使用时间计算了使用热管空调系统的节能率。为热管技术是在机房推广与能耗分析提供参考。

关键词

机房；热力学模拟软件；热管空调；系统仿真；；全年能耗

正文

引言

随着信息化的飞速发展，数据中心的规模不断扩大。在带来变革的同时也产生了日益严重的能源问题。2000—2005年，全世界数据中心能耗翻了一倍; 2005—2010年，数据中心能耗增长趋势受经济危机影响有所减缓，但仍然增长了56%，2010 年已占全球能耗总量的1. 3% ^[^]。美国数据中心能耗更是由2000年占总能耗的 0. 12%增长到 2010 年的约 2%^[^]。中国数据中心能耗由2018年占总能耗的1.5%增长到 2019 年的约 2.35%^[3]。数据中心的节能方式主要可分为热管与机械制冷集成、自然冷却方式。热管与机械制冷集成方面，王铁军等研发了一种适用于数据中心等电子设备全天候环境控制的新型高效制冷机组HKF-60FH，其集成蒸气压缩制冷系统、分离式热管系统于一体，具有压缩制冷、复合制冷和热管制冷三种工作模式^[4]。王子彪等通过改造原有空调系统以充分利用全年室外空气冷源，利用单向二极管式热管构建热管/蒸汽压缩复合空调系统，以固化十二醇硬脂酸为蓄冷材料增设蓄冷系统^[5]。自然冷却技术方面，吕继祥等基于数据中心空调系统的选型和节能设计,以风冷直膨式机组、风冷双冷源冷水机组和热管复合式制冷机组为研究对象，建立了三种类型空调系统的能效计算模型。提出一种新型机械制冷/回路热管一体式机房空调系统。利用三介质换热器将机械制冷回路和回路热管耦合起来，实现了二者的同时或单独工作，避免了现有系统依赖电磁阀切换带来的可靠性隐患。

1. 热管空调系统的物理模型

2水冷多联热管空调系统的数学模型

2.1 压缩机的火用分析

QQ图片20230621150110.png

2.2 冷凝器的火用分析

冷凝热图片12.png 等于从X状态到状态点 4'的焓降。

图片13.png （8）

2.4 热管末端的火用分析

热管末端实际上是一个换热器，可以采用蒸发器的模型。近年来多用的是平行流换热器代替原来的铜管铝翅片换热器。

在热管换热器中循环制冷剂对室内回风吸热转化为气态，进入CDU。空气温度降低。

3.仿真模型的搭建　

QQ图片20230621150221.png

冷水主机 + CDU + 背板热管末端模式包括四个子循环。第一个循环是制冷循环：S5-CLR1-S6-THR1-S7-HX3-S8-CMP1。在这个循环中，制冷剂通过（HX3）将冷水（S10）供给CDU（HX2）；第二个循环是冷水循环：SOURCE2-S9-HX3-S10-HX2-S11-SINK2。自来水（SOURCE1）在蒸发器（HX3）中放热，温度降低，在CDU换热器（HX2）中吸收热管工质的热量；第三个循环是室内热管工质的循环：S1-HX2-S2-HX1。热管工质在CDU换热器（HX2）中放热，温度降低，在背板热管换热器（HX1）中吸收服务器散发的热量。第四个循环是室内空气循环：SOURCE1-S3-HX1-S4-SINK1。室内高温的空气（S3），在背板热管换热器（HX1）中放热，温度降低（S4）。

3.2 水冷主机模式下系统运行参数设置及计算结果输出

3.2.1水冷主机模式下系统运行参数设置

4.结论

1. 本文介绍了背板热管换热技术，并与传统精密空调进行了对比，指出背板热管系统运行的高效性和节能性。

2. 运用CYCLEPAD仿真软件对背板热管系统进行了模拟，模拟了冷水主机+CDU+背板热管模式及自然风冷模式。

3. 冬季自然冷却的过程越长，则热管系统节能的效果越明显。该技术可以推广应用到中国大部分地区，特别是应用在北方地区更有优势。

4. 本文只是在不考虑能量品质的情况下进行建模，如果考虑能量级别，则需选定参考能量基准，这些工作将在以后进行讨论。

参考文献

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