用于数据中心的热管式空调系统及其散热方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机房散热和热管换热技术领域，涉及一种用于数据中心(或机房)的热管式空调系统及高效散热方法。
【背景技术】
[0002]数据中心(又称机房)现已成为国民经济发展中的重要组成部分，是推进国家科技工业信息化和数字化的主要支柱。随着数据中心规模和集成度的发展，服务器中IT设备功率密度与日倶增，热密度急剧增长，数据中心的散热问题和能耗问题越来越受到关注。以100个插满机架服务器的机柜为例，其总耗电可达50千瓦，加上散热冷却系统也需要等同于计算机硬件自身的耗电量，以每度工业用电0.64元计算，一年无故障运营这个机架服务器将花费大约55万元电费。数据中心的电力消耗正以每年15%?20%的速度增长。
[0003]当前，中国面临着经济快速增长和环境资源承载能力的矛盾，节能和环保成为我国许多经济支柱产业发展和升级的主题。数据中心的建设和发展也需要向更加节能、环保和绿色化运行的方向前进。数据中心传统的热管理技术如空气强制对流换热、单相液冷等，由于换热能力不足或是条件制约等原因，导致效果不理想和成本过高。热管作为一种新型的热管理技术，已经在国民经济生活上尤其是电子信息领域有着其独特而广泛的应用。热管是一种通过相变传热、具有超导热性能的传热元件，它通过管内工作介质的相变所产生的潜热来传递热量，其等效导热系数是一般金属材料导热系数的数百倍甚至上千倍，被誉为热的“超导体”。
[0004]发明专利(申请号201110215178.4)公开了一种通信数据机房用热管式换热系统及其热交换方法，该系统即为一台热管换热器，壳体内的热管为重力式热管及散热翅片，能够一定程度上降低机房能耗过高的问题，缓解空调设备能耗过高带来的用电压力。但是该专利公开内容存在几个不足之处:1)没有涉及到避免机房内的冷热气流掺混，因此其无法高效地解决机房散热问题，机房的能耗降低程度不大；2)系统采用的是立式热管换热器，热管竖直安装在壳体内，热管的冷凝段位于加热段的正上方，因此整个系统的高度较高，这对墙壁的凿墙开洞和承重都有很高的要求，墙壁悬挂式安装的约束性大，比较适合于地面立式安装。实用新型专利(申请号201320756559.8)公开了一种基站使用的热管空调换热装置，该装置是将热管元件嵌入进机房空调装置中，将热管与空调耦合起来，减少空调压缩机的开启时间，从而降低能耗。但该专利存在以下不足之处:1)热管与空调结合就需要对空调进行重新设计或拆装改动，系统实现和维护不方便；2)专利没有公布其使用的热管的详细情况，只给出了热管在空调装置中的一个位置示意图，操作可行性有待提高。文献《热管式机房空调性能实验研究》是将热管换热器置于机房外的地面上，同样没有涉及到避免机房内的冷热气流掺混的措施，文献《信息机房热管空调系统应用研究》采用的是分离式热管换热器，优点是能够远距离布置，缺点是其换热效率相比紧凑型热管换热器要小，文献《应用于通信基站的热管空调系统的试验研究》采用的热管换热器中，热管为重力式水热管，热管的工作介质为水，由于水的相变温度比较高，因此这种热管的传热能力是有限的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提出一种用于数据中心的热管式空调系统以及一种高效散热方法，克服现有技术中存在的不足，有效避免机房内冷热气流的相互掺混，通过将服务器排出的热气直接输送到一个独立的热管式空调系统，热管式空调降温后的气流返回机房空调，形成一个封闭的机房室内气流循环，提高机房的整体散热效率，降低机房运行能耗，从而降低机房的整体PUE指标，并且系统安装可行性高、安装和维护的成本较低。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于数据中心的热管式空调系统，通过空调、机柜通风单元和热管单元组成内循环子系统和外循环子系统，所述热管单元包括壳体和热管组，通过隔板将所述壳体分割为两个封闭空间，所述热管组以其热端和冷端分别位于壳体的两个封闭空间之中的方式配置于所述壳体中，由此，所述内循环子系统为:所述空调出风口经由管道与所述机柜通风单元入风口连通，所述机柜通风单元的出风口通过管道与所述热管单元的热端的封闭空间一侧的入风口连通，位于其相对一侧的出风口通过管道与所述空调的入风口相连，从而构成内循环子系统，所述外循环子系统为:所述热管单元的冷端密闭空间的一侧具有入风口，相对的一侧具有出风口，从而，所述热管单元的冷端密闭空间通过风机的作用与外部环境构成外部循环子系统。
[0008]优选所述热管单元采用重力型热管组，配置方式为冷端高于热端，所述热管组的热管均以逆时针5-15度的倾斜角度平行配置，所述热管单元通过支撑架将所述壳体固定在机房侧墙壁的上部，固定好后，所述冷端密闭空间的出风口和入风口均位于机房外，从而使所述冷端密闭空间与机房外的环境形成外循环子系统，而所述热端密闭空间与机房内的所述空调和所述机柜通风单元形成内循环子系统。
[0009]优选所述热管单元采用重力型热管组，配置方式为冷端高于热端，所述热管组的热管均竖直地平行配置，所述热管单元通过所述壳体固定于机房的房顶上，所述热端的密闭空间的入风口和出风口通入机房内，与设置于机房内的所述空调和所述机柜通风单元形成内循环子系统，所述冷端的密闭空间直接与机房外的环境形成外部循环子系统。
[0010]优选所述机柜通风单元为在机柜的两侧分别配置有封闭冷柜和封闭热柜，所述机柜通风单元的入风口位于所述封闭冷柜的底部，所述机柜通风单元的出风口位于所述封闭热柜的顶部；与所述空调出风口连通的管道经由地底静压箱通道与所述机柜通风单元的入风口连通，与所述热端的密闭空间的出风口经由机房的吊顶与所述空调的入风口连通。
[0011]优选所述热管采用铝-氨热管或者铜-氟利昂热管或铝-甲醇热管。
[0012]优选所述机柜通风单元的出风口处安装有抽气风扇，所述热端密闭空间的出风口处安装有热端风机，所述冷端密闭空间的入风口处安装有冷端风机，所述抽气风扇和热端风机为定频风机，所述冷端风机为变频调速风机。
[0013]优选多个连接到服务器机柜的热端进风管道可以以并联的方式同时连接到热管式空调壳体的热端一侧的进风口。
[0014]本发明提供一种用于数据中心的高效散热方法，其利用权力要求1?7中任一项所述的用于数据中心的热管式空调系统，其特征在于，包括:
[0015]步骤一、设定机房空调压缩机启动的工作温度T0 ;
[0016]步骤二、设定热管式空调系统的冷端风机开启的启动阀值ΔΤ ;
[0017]步骤三、获取热端进风管道中的温度T1、机房外温度T2和热端出风管道中的温度T3 ；
[0018]步骤四、设定Τ4 = Τ1_Τ2，当T4彡Δ Τ时，控制程序开启冷端风机，热管启动工作，否则冷端风机不启动，热管不启动；
[0019]步骤五、当步骤四中的Τ4彡ΔΤ时，进一步设定Τ5 = Τ4- Δ Τ，控制程序根据温度Τ5的大小调节冷端风机的频率，从而调节冷端风机的转速，Τ5越大，转速可以越低，反之转速越尚;
[0020]步骤六、当Τ3多Τ0时，机房空调的压缩机启动，开始制冷过程，否则机房空调的压缩机不启动，仅空调风扇运转。
[0021]优选热管式空调系统和机房空调属于串联关系，并且热管式空调系统位于前面，因此服务器产生的热量大部分通过热管直接排放到机房外，少部分热量负荷由机房空调来承担。
[0022]优选热管式空调系统中的热管的传热具有单向性。当T4多ΔΤ时，热管能够自动启动，而无需额外的动力，热管启动后，热量自动从热管的蒸发段传向冷凝段；当T4 < Δ T时，热管不启动，外界大气中的热量无法逆向地从热管的冷凝段向蒸发段进行传递。
[0023]本发明为了避免机房内冷热气流的相互掺混，提高机房的整体散热效果，在机柜的前部连接一个封闭冷柜，机房空调制冷后的冷气流经过地底送风管路和地底静压箱通道后从地板开孔处流向封闭冷柜中，再流向机柜中的服务器。
[0024]本发明的热管式空调系统中的热管的传热具有单向性。当T4多ΔΤ时，热管能够自动启动，而无需额外的动力，热管启动后，热量自动从热管的蒸发段传向冷凝段；当T4< AT时