上海邮电设计咨询研究院有限公司 上海 200092
摘要：随着信息行业的飞速发展，数据中心建设数量明显增加，而现今通信设备单机架功耗越来越大，其耗电量、散热密度也也随之增加。数据机房内给设备降温的空调设备也越来越受到生产商和用户的广泛关注。基于此，本文主要对背板空调在数据中心机房中的应用进行分析探讨。
关键词：背板空调；数据中心机房；案例分析；
1、前言
随着科技信息技术水平的不断提高，信息数据业务得到了迅速的发展，不仅数据中心密度日益提高，而且，机房中集成度高、能耗大的数据单架设备也增加迅速，这导致数据中心机房的冷却与节能问题受到了极大的挑战。
2、运行原理
如图１所示，整个重力热管背板空调系统由多个重力热管背板、ＲＣＵ（制冷剂冷凝单元）、控制系统和相关管路系统组成，空调冷源通过室外的冷水机系统提供。
图１背板空调系统
背板空调系统主要包括：背板冷冻水和背板热管空调；背板冷冻水系统工作原理：背板冷冻水盘管直接吸收服务器排出的热量，热量被水系统带出被制冷主机冷却。背板热管系统工作原理：背板热管吸收服务器排出的热量，热管内循环工质受热由液态变成气态，由气体管路将热量带到ＲＣＵ中；冷源设备提供的冷水吸收ＲＣＵ内的热量，ＲＣＵ内循环工质受冷由气态变成液态，依靠重力沿液体管路回到热管，完成一个热力循环。背板空调制冷量范围：3kW～15kW，其优势是：制冷系统不占用机房空间，冷却效果好，无冷量散失，其缺点是：制冷量小，无冗余备份。
从原理分析可知，热管制冷剂的循环依靠外界工况状态和本身物理特性实现，无额外动力驱使，运行节能效果显著，但是同时带来了一些缺点，背板空调实际运行效果难以通过外力进行控制。
3、双冷源分布式热管背板冷却技术
双冷源热管背板空调系统包括热管换热系统与压缩机制冷系统两部分，其主要的设备包括换热器、室内压缩机、机柜热管背板、自然冷源冷凝器、室外压缩机冷凝器。双冷源热管背板空调系统具有热管自然冷源换热模式与传统空调主动制冷模式。
数据中心制冷系统设计中，自然冷源模式就是如果室外温度比室内温度低，同时，温差比设计的上限要高时，机组的制冷工作模式为自然冷源模式。采用自然冷源模式时开启室内外风机，停止运行压缩机。热管内制冷剂液体通过蒸发器内吸热蒸汽变成了气体，沿着气体连接管进入到热管冷凝器中又冷凝成为液体，然而沿着液体连接管想蒸发器返回，基于自然循环使得室内温度降低，从而降低了数据中心的能耗。
数据中心制冷系统设计中，主动制冷模式就是如果室内和室外温差比较小，当数据中心制冷需求不能通过自然冷源模式得到满足时，机组使用主动制冷模式。主动制冷模式通过中间板式换热器把系统分为两个部分，一个是热管系统，包括了板式换热器与热管背板等设备；一个是制冷系统包括了室外压缩机冷凝器、压缩机、膨胀阀、板式换热器等设备。通过板式换热器使得制冷系统与热管系统热量交换得到满足。数据中心设备自然冷源由热管系统提供，冷源板式换热器制冷系统实现了把热管系统的热量向室外排出。
双冷源热管背板冷却系统具有突出优势：①具备两种换热的方式。双冷源热管背板制冷系统包括热管循环换热与压缩制冷循环换热两种方式。热管换热循环和压缩制冷循环内制冷剂进行隔离，热交换只是基于中间换热器实现，使得两个循环对制冷剂共用造成的流量调节难与冷冻油降低热管循环效率等问题得到有效解决；②能够自由切换两种模式。基于数据中心室内外温度的差异对“热管循环模式”与“压缩机制冷循环模式”、“同时运行热管循环和压缩机制冷循环”进行自动选择，在切换时不存在阀门任何机械动作，基于各机柜发热量实现了背板风机自动调速，从而降低了能耗，延长使用寿命。能够同时允许自然冷源模式与主动制冷模式；③具有显著的节能效果。和传统机房空调系统而言，双冷源热管背板空调系统在长江以北地区，一台60kW能耗空调每年节省电超过7万度，节能效果显著。
4、热管背板的应用效果
4.1北方某电信机房（风冷性）节能解决方案
（１）项目简介
北方某ＩＤＣ机房，机房机架总数为143个，单机架平均功耗为2kw，机房所需冷量约316kw，机房共设置8台制冷量50kw的风冷专用空调，7用1备，机房布局合理，无过热区域；改造前机房ＰＵＥ值为２．1。通过对143个机架安装背板，改造后ＰＵＥ值为1.65，机房通道均为冷通道。
（２）改造前后用电量数据对比
ｃ．结论
改造后空调日用电量比去年5月节省：2568.5－1430.3＝1138.2ｋＷｈ；日节电率：1138.2÷2568.5＝44.31％。
空调日用电量比去年6月节省：2634.1-1473.1=1161kWh；日节电率：1161kWh÷2634.1=44.07%。
4.2上海某机房改造背板空调解决局部过热问题
（１）项目简介
上海某机房共布置有8台制冷量大于40kW专用空调机和3台制冷量为50kw的专用空调机，送风方式采用下送风方式；由于该机房建设较早，架空地板高度仅400mm，且地板下方走有管线，造成设备功耗高的区域温度过高，常年高温报警，且功耗低的区域空调处于待机状态。由于在用机房，架空地板无法太高，且温度过热区域没有多余空间增加空调设备，故给机房231个机架进安装背板。
（2）对比方案
图2 2017年3月上海市天气变化趋势图
由图2可见：3月17日与3月20日最高最低气温均为9-14℃。
对比方案：由于背板空调安装完成后，需尽快拆除原有专用空调，无法整年测量对比，故选用3.17日该机房专用空调开启（背板关闭）的电量与3.24日该机房开启背板空调（关闭专用空调）进行对比。
（3）改造前后用电量数据对比
ａ．原有空调开启耗电量（见表１）
3月17日空调配电柜1#共用电：
W1=9394.77kWh-8656.95kWh=737.82kWh
3月17日空调配电柜2#共用电：
W1=13659.32kWh-12598.15kWh=1061.17kWh
3月17日空调共用电：
W3=737.82kWh+1061.17kWh=1798.99kWh
b．背板空调开启耗电量（见表2）
3月20日空调配电柜3#共用电：
W4=2318.86kWh-1652.35kWh=666.51kWh
3月20日空调配电柜4#共用电：
W5=3273.63kWh-2312.29kWh=960.34KWH
3月20日空调共用电：
W6=666.51kWh+960.34kWh=1626.85kWh
（4）结论
通过2日对比背板空调比下送风专用空调单日节电：W3-W6=1798.99kWh-1626.85kWh=172.14kWh，节电率：172.14kWh÷1798.99kWh=9.56%。可以看出本次改造后机房节电率并不是十分理想，这是因为受原始机房局部过热，空调设备大部分待机，造成的。而本次改造，彻底解决了机房局部过热现象，降低了安全隐患。
5、结语
传统机房专用恒温恒湿精密空调，包括风冷、水冷冷风空调和冷冻水空调，目前仍然是应用最为广泛的机房降温方式。采用传统机房空调存在着空调能耗高、局部热点等问题，已经难以满足机房高密度散热的需求。本文所探讨的的背板空调，直接针对机柜热源制冷，具有制冷能耗小、无凝露、制冷容量大、占地面积小和运行安静的优点，并且支持机房自由扩容和升级，可用于新一代高密度数据中心。
参考文献：
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论文作者:薛悦
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/26
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