科技成果-分布式熱管冷卻技術(shù)

科技成果——分布式熱管冷卻技術(shù)適用范圍通信行業(yè)可應(yīng)用于通信基站、通信機(jī)房、新建IDC數(shù)據(jù)中心、學(xué)校信息機(jī)房、政企信息機(jī)房等高發(fā)熱密度的信息機(jī)房的溫度控制系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)狀在北京，移動(dòng)、電信、聯(lián)通三家通信運(yùn)營商的數(shù)據(jù)中心約為30萬m2,全國共擁有約300萬m2左右；百度、阿里、騰訊以及其他一些政府、企業(yè)都有大量的數(shù)據(jù)中心需求和應(yīng)用；大量的提供數(shù)據(jù)服務(wù)的企業(yè)也擁有大量的數(shù)據(jù)中心；全國擁有超過100萬座通信基站。按照常規(guī)機(jī)房面積600m2,配置的IT設(shè)備功率為500kW來核算，全國數(shù)據(jù)中心年耗電量超過千億kWh量級(jí)，能耗巨大，CO2排放量超過3000萬tCO2/a，具有較大的節(jié)能潛力。成果簡介1、技術(shù)原理采用“自然冷源”，或“自然冷源+強(qiáng)制制冷”的方式，通過小溫差驅(qū)動(dòng)熱管系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)的氣液形成自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)相變循環(huán)，把信息機(jī)房內(nèi)熱量帶到室外的排熱，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無動(dòng)力、自適應(yīng)平衡的冷量傳輸。通過特定的設(shè)備設(shè)計(jì)形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)/行間級(jí)/通道級(jí)的精確供冷、低能耗供冷。熱管技術(shù)是利用工質(zhì)相變（氣/液態(tài)轉(zhuǎn)變）實(shí)現(xiàn)熱量快速傳遞的一項(xiàng)傳熱技術(shù)。熱管工作原理：（1）熱管的蒸發(fā)段與熱源（機(jī)房熱空氣）接觸；（2）熱管液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)，成為氣態(tài)；（3）氣態(tài)工質(zhì)沿著熱管的蒸汽管快速流動(dòng)至冷凝段；（4）熱管的冷凝段與冷源接觸；（5）氣態(tài)工質(zhì)在冷凝段放出熱量，冷凝為液態(tài)；液態(tài)工質(zhì)在重力的作用下沿著液體管回流至蒸發(fā)段；（6）以上流程循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)熱量快速傳遞。2、關(guān)鍵技術(shù)（1）通過全封閉連接管路中的工質(zhì)自然循環(huán)進(jìn)行熱傳遞，不直接引入室外空氣，保證機(jī)房室內(nèi)空氣的潔凈度。（2）室內(nèi)末端循環(huán)工質(zhì)為不燃、無毒、無腐蝕、常壓下為氣態(tài)的制冷劑，通過小溫差驅(qū)動(dòng)換熱芯體中介質(zhì)達(dá)到動(dòng)態(tài)的氣液相變熱力平衡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的節(jié)能冷卻，且保證無水進(jìn)入機(jī)房，杜絕水浸機(jī)房的安全隱患，安全可靠。（3）室內(nèi)設(shè)備全顯熱換熱，無冷凝水產(chǎn)生，杜絕常規(guī)精密空調(diào)除濕、加濕同時(shí)進(jìn)行這種不合理的費(fèi)能現(xiàn)象。（4）采用分布式自適應(yīng)按需冷卻，根據(jù)機(jī)房實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜級(jí)、行間級(jí)、通道級(jí)按需供冷的個(gè)性化溫、濕度調(diào)控。（5）設(shè)備與數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜、冷/熱通道緊密結(jié)合，占地空間小，空間利用率高。（6）有效解決機(jī)房氣流組織混亂的問題，消除局部熱點(diǎn)。（7）用抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容災(zāi)能力強(qiáng)。

3、工藝流程分布式熱管冷卻技術(shù)由在機(jī)房內(nèi)的SIS熱管冷卻末端、安裝室外的DCU、冷凍水系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。熱管排熱機(jī)1巨圖1分布式熱管冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行原理圖人）室內(nèi)部分設(shè)備：分布式熱管冷卻末端熱管背板列間熱管頂置式熱管圖2分布式熱管冷卻末端設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：高密度冷卻，單機(jī)柜散熱能力超過14kW。分布式冷卻，各機(jī)柜按需供冷，消除局部熱點(diǎn)。安全可靠，采用無毒、無腐蝕的氣態(tài)工質(zhì)，無液態(tài)物質(zhì)進(jìn)機(jī)房，避免因泄漏引發(fā)的安全隱患。監(jiān)控完善，監(jiān)控等級(jí)細(xì)化至單個(gè)機(jī)柜，更易于及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)房的運(yùn)行異常，提高機(jī)房的安防等級(jí)。容錯(cuò)能力強(qiáng)，某個(gè)機(jī)柜發(fā)生故障時(shí)，附近區(qū)域內(nèi)的機(jī)柜可提供充足的冷量，柜內(nèi)IT設(shè)備可正常運(yùn)行，機(jī)柜實(shí)現(xiàn)在線修復(fù)。能耗低，與常規(guī)風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)相比，年節(jié)電率〉70%節(jié)約用地，冷媒管路安裝于地板下方、機(jī)柜上方，不占用機(jī)房地面空間。B）DCU（熱管冷凝器）原理：DCU作為分布式熱管冷卻系統(tǒng)的冷凝端，負(fù)責(zé)將分布式熱管末端中制冷劑所攜帶的熱量傳遞至系統(tǒng)的冷源（冷水）中。DCU可根據(jù)分布式熱管末端的負(fù)載情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷量輸出，實(shí)現(xiàn)按需供冷。通過DCU使分布式熱管冷卻系統(tǒng)能夠把冷量充分的攜帶至最靠近機(jī)房內(nèi)熱源的地方，又能夠保證機(jī)房內(nèi)無水進(jìn)入，確保機(jī)房內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的安全性。DCU的冷源（冷水）可來自于冷卻塔、冷水機(jī)、或者是現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水。C）冷源部分冷源部分用于為DCU供冷，冷源可由各種形式的自然冷源模塊、冷卻塔（直接蒸發(fā)、間接蒸發(fā)、開式冷塔、閉式冷塔）、冷水機(jī)（風(fēng)冷機(jī)組、水冷機(jī)組）組成。在室外溫度較低的地區(qū)（全年室外濕球溫度低于16℃的時(shí)間較長的地區(qū)），可通過自然冷源模塊、冷卻塔將室外冷量引入機(jī)房，實(shí)現(xiàn)免費(fèi)制冷。同時(shí)，機(jī)房產(chǎn)生的熱量可以熱回收的形式免費(fèi)生產(chǎn)生活熱水、采暖用水等?？冢┳钥叵到y(tǒng)自控系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)熱管背板系統(tǒng)自動(dòng)控制以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的集成式的智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要功能有：動(dòng)力環(huán)境監(jiān)視：通過溫度探點(diǎn)和各水路溫度探點(diǎn)對(duì)整個(gè)機(jī)房溫度進(jìn)行全方位立體化的監(jiān)控，系統(tǒng)還包括對(duì)供電系統(tǒng)電能信息的監(jiān)控。綜合自動(dòng)化管理：通過對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，調(diào)節(jié)熱管排熱量，控制區(qū)域溫度防止局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)。系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能：通過對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，按需分配各區(qū)域的排熱量。數(shù)據(jù)及時(shí)共享：提供RS485MODBUS-RTU、OPC、ODBC等多種接口，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)同原有動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分享。自動(dòng)監(jiān)測自然冷源、熱回收等各項(xiàng)數(shù)據(jù)中心所用資源的使用效率。主要技術(shù)指標(biāo)1、分布熱管冷卻末端能效比三60；2、系統(tǒng)空調(diào)末端PUE因子W0.02；3、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸小，熱管背板冷卻末端厚度W200mm；4、末端的供水溫度不高于14℃；系統(tǒng)無單點(diǎn)故障；5、系統(tǒng)無水進(jìn)入機(jī)房，安全性高；模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。技術(shù)水平1、技術(shù)鑒定及獲獎(jiǎng)情況通過國家教育部科技成果鑒定；入選北京市2013年節(jié)能低碳技術(shù)產(chǎn)品推薦目錄；獲北京市自主創(chuàng)新產(chǎn)品；獲得中國通信學(xué)會(huì)2011年科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)；申請(qǐng)并獲得數(shù)據(jù)中心新型空調(diào)末端專利13項(xiàng)。2、目前技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況分布式熱管技術(shù)經(jīng)過的長時(shí)間的應(yīng)用測試、運(yùn)行安全性評(píng)估，產(chǎn)品應(yīng)用規(guī)模涵蓋20個(gè)機(jī)柜的小型信息機(jī)房、3000個(gè)機(jī)柜的大型數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)在通信行業(yè)、政企事業(yè)用戶得到廣泛認(rèn)可。目前該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用比例較低，具有較大的推廣應(yīng)用前景。產(chǎn)品將朝著定制化（節(jié)能改造方向），產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化（新建數(shù)據(jù)中心、快速部署）兩個(gè)方向快速發(fā)展。典型案例典型案例1應(yīng)用單位：中國移動(dòng)通信集團(tuán)山西有限公司項(xiàng)目名稱：山西移動(dòng)計(jì)費(fèi)機(jī)房節(jié)能改造項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模：機(jī)房面積約550m2。IT設(shè)備輸入功率約為350kW。機(jī)房室內(nèi)設(shè)定溫度為23℃，8臺(tái)上送風(fēng)精密空調(diào)機(jī)房設(shè)備。為機(jī)房內(nèi)局部熱點(diǎn)較嚴(yán)重的機(jī)柜加裝SIS熱管背板，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜按需供冷。室外采用自然冷源模塊+冷機(jī)。主要設(shè)備：室內(nèi)14個(gè)SIS熱管背板及熱管工質(zhì)循環(huán)管路系統(tǒng)。室外SIS自然冷卻風(fēng)冷模塊、風(fēng)冷冷水機(jī)組（水系統(tǒng)）。項(xiàng)目實(shí)施投資104萬元，，年節(jié)電量為38.05萬kWh,約合122tce,房空調(diào)整體能耗降低24%,碳減排量為285tCO2,年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益38萬元，投資回收期約為2.7年。典型案例2應(yīng)用單位：中國電信股份有限公司項(xiàng)目名稱：中國電信股份有限公司南通分公司機(jī)房制冷改造項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模:安裝13臺(tái)智能冷卻終端，單機(jī)柜制冷能力為6kW/rack。主要技改內(nèi)容：機(jī)房共布置134臺(tái)機(jī)柜，其中13臺(tái)安裝智能冷卻終端，獨(dú)立為服務(wù)器提供制冷服務(wù)。主要設(shè)備：13臺(tái)智能冷卻終端，1臺(tái)冷量分配單元，1套智能控制系統(tǒng)，1臺(tái)冷卻塔，1臺(tái)水冷冷水機(jī)組。技改投資額44萬元，建設(shè)期為1個(gè)月。年節(jié)能量為105tce，碳減排量為227tCO2，年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益32萬元，投資回收期約為1.4年。典型案例3應(yīng)用單位：中國電信股份有限公司項(xiàng)目名稱：中國電信股份有限公司南京分公司機(jī)房制冷改造項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模：兩個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房原風(fēng)冷型機(jī)房精密空調(diào)制冷系統(tǒng)改造。主要技改內(nèi)容：安裝97套熱管背板式空調(diào)，單機(jī)架設(shè)計(jì)功耗3.2kW。主要設(shè)備：97臺(tái)微功耗散熱機(jī)柜，11臺(tái)臺(tái)殼管式換熱器，單臺(tái)換熱量270kW。技改投資額125.2萬元，建設(shè)期為1個(gè)月。年節(jié)能量為160tce，碳減排量為374tCO2,年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益49.8萬元，投資回收期約為2.5年。市場前景我國數(shù)據(jù)中心、通信行業(yè)快速發(fā)展，年投資經(jīng)費(fèi)超過千億元，市場容量巨大。以當(dāng)前數(shù)據(jù)中心、信息機(jī)房保有量500萬m2計(jì)算，常規(guī)機(jī)房面積600m2,IT設(shè)備功率為500kW,采用常規(guī)水冷型精密空調(diào)機(jī)房PUE