1. 引言
党的“十九大”报告明确将“互联网+”上升为国家战略，而数据中心是其保证。同时，其能效巨大，而空调系统占到数据中心的用电量的43%左右。针对该情况，国内外学者将热管技术引入。重力热管空调在数据机房及基站等场合有采用，但是他的应用场合受到限制，当夏季室外温度较高时，室内外温差小于6℃时，单独采用热管空调不能满足要求，此时，需要开启空调制冷系统。随着热密度的不断增高，热管空调经历了风冷热管机组、水冷热管机组、水冷多联热管机组等的发展历程 [1] [2] [3] [4] [5] 。水冷多联热管系统由热管蒸发器吸收IT服务器的热量，在中间换热器(CDU)，中与冷冻水进行换热，其中制冷剂通过重力回流到蒸发器末端，形成一个循环。见图1。本课题组对湖南某电信机房空调进行建模，
Figure 1. Backboard heat pipe system diagram of a telecommunications room
图1. 某电信机房背板热管系统图
并与传统机房精密空调进行对比，结果表明，其节能率达到26% [6] 。并且热管属于被动式节能技术，其节能效果受环境影响较大。而在实际的改造方案决策及方案评价时，缺少系统能效评价的简便计算方法。本文以长沙某电信机房热管改造方案为例，应用分情况讨论的数学方法，并借助CYCLEPAD (热力学循环软件名称)热力学分析软件对其节能效果进行了计算。计算结果可为该类热力系统的评价做参考。
2. 水冷多联热管系统的物理模型
当室内外温差大于6℃时热管系统开始运行。如图1。
2.1. 水冷多联热管系统的安装形式
1) 列间热管
列间热管制冷末端与机柜并排布置，列间热管采用前部出风，后部回风的方式。列间热管安装靠近热源，换热效率极高。一般结合冷通道封闭的形式，进一步减小冷量的损耗。如图2。
Figure 2. Installation diagram of inter column heat pipe
图2. 列间热管安装示意图
2) 背板热管
安装在机柜背后，服务器排出的热风与背板热管末端热交换后变成冷风排到室内环境。冷却距离短，冷量耗损小。如图3。
Figure 3. Installation diagram of backplate heat pipe
图3. 背板热管安装示意图
3) 下沉式热管
下沉式热管安装在静电地板下，不占用机房空间，如图4。
Figure 4. Installation diagram of sinking multi connected heat pipe
图4. 下沉式多联热管安装示意图
2.2. 水冷多联热管系统的特点
1) 安全可靠
该系统安全可靠，系统利用温差和工质自然相变传热，无水进机房；另一方面，水冷多联热管系统采用大风量、小焓差设计，通过提高送风温度，使送风温度在空气的露点温度以上，不会产生冷凝水。保障了IT设备运行的可靠性 [7] 。
2) 节能率高
在冬季及过渡季节，即全年超过一半时间可以利用自然冷却；冷水供回水温度提高，由传统空调供回水温度7/12℃上升到12/17℃，冷水机组的效率提高；末端贴近热源，系统节能率高达30%~90%；采用平行流换热器，比传统铜管铝翅片效率高30%以上 [8] 。如图5。
3) 经济性好
通过CFD辅助设计，对存在温度死区的位置进行个性化管理，局部控制该点处的环境，在保证整个机房内环境的均匀性、节省故障排查的工作量的同时降低了温控设备的整体运行费用。维护方便：本机组维护方便，每个风机有独立模块安装，维护方便。机组使用寿命10~12年。
其多项技术指标填补了国内空白，处于世界领先水平。产品在常德云大数据中心、湖南省电子政务外网机房、湖南东江湖大数据中心等进行了现场测试，综合能效比(COP)是传统空调设备的2~3倍 [9] 。
3. 工程概况
3.1. 空调冷负荷
机房发热量约为1300 kw，冷负荷总计约1680 KW。
3.2. 原机房精密空调配置
原机房采用17台100 kw的专用精密空调。设计工况为：冷凝温度30℃。
4. 采用热管末端 + CDU(冷量分配单元Cooling Deliver Unit) + 主机的改造方案
当室外温度低于10℃时，利用风冷自然冷却。室内外温差大于6℃而小于10℃时，采用混合制冷模式 [10] 。以长沙地区为例，月平均温度如下表1所示：
Table 1. Distribution of average outdoor meteorological temperature in IDC machine room
表1. IDC机房平均室外气象温度分布表
空调设2套系统，室内设计参数如表2所示。热管系统的运行模式见表3，热管空调改造设备参数表见表4。
Table 2. Interior design parameters
表2. 室内设计参数
Table 3. Operation mode of heat pipe system
表3. 热管系统运行模式
Table 4. Parameters of heat pipe air conditioning renovation equipment
表4. 热管空调改造设备参数表
5. 耗电量对比分析
1) 冬季
热管系统：室内外温差大于10℃时，即室外温度低于14℃时，采用自然冷却，只需提供热管风扇的功耗 [11] 。根据表1，其系统采用自然冷却模式占全年(8760小时)的运行的时间比为：1.9% + 26.2% + (27.1 × 0.4) = 39%。
风冷精密空调系统：取平均冷凝温度为7℃，输入功率为31.2 Kw。
Figure 5. Calculation of refrigeration efficiency of air cooled precision air conditioner (when the condensing temperature is 7˚C)
图5. 风冷精密空调制冷效率计算(冷凝温度为7℃时)
根据计算，其制冷效率为夏季的1.2。
风冷精密空调能耗：31.2 × 17 ÷ 1.2 = 442 kw。
2) 过渡季节
a) 室外温度为19℃~30℃的时间其占全年(8760小时)的运行的时间比为：
(33.3% + 27% × 0.1) = 36%。
该段时间内系统运行的模式采用混合冷却模式。
风冷精密空调的能耗：31.2 × 17 = 531.4 Kw
改造后热管 + CDU + 冷水主机的功耗：取水冷机组的COP为5.6。计算得水冷机组的能耗：
1680.25 ÷ 5.6 + 0.24 × 45 + 1.75 × 30 = 363.3 Kw
b) 室外温度为14℃~19℃时，采用部分自然冷却方式。其时间为：27.1% × 0.5 = 13.5%。
部分自然冷却方式节约的水冷主机开机的时间为13.5% × 0.5 = 6.7%。
3) 夏季
室外温度 > 30℃的时间为11.5%，按平均冷凝温度35℃计算 [12] ：
Figure 6. Refrigerating capacity calculation diagram of air-cooled precision air conditioner when the condensing temperature is 35˚C
图6. 冷凝温度为35℃时风冷精密空调的制冷量计算图
风冷精密空调的制冷效率为额定工况的0.7，计算过程见图6。
其功耗为：31.2 ÷ 0.7 × 17 = 757.7 kw
水冷模式取363.3 Kw。
该方案实施后全年综合节电：
(自然冷却模式 + 部分冷却模式 + 夏季工况) × 8760小时
=[442× 39% + 531.4× 6.7% + (757.7 − 363.3) × 11.5%] kw × 8760 h = 190万kw·h
从以上的计算可以看出，其计算过程简便。全年节电190万度，其节能效果显著。
6. 计算结果讨论与结论
1) 影响热管系统运行的参数较多，如室外气温、围护结构、热管发热情况等。运用经典热力学对系统性能的评价指标粗糙。
2) 结合热力学仿真软件CYCLEPAD，提出了一种分析与评价热管系统的快速简便的方法。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。