热管逐点排热机房应用技术简介

定义：热管逐点排热机房应用技术是将机房零散的热源——设备的排热直接使用集热超导体和热二极管于一身的热管方式，逐点集中并直接传导到室外排放的一种新型技术。与目前广泛使用的机房空间降温集中供冷方式相比，工作状况存在着较大的不同：

定义：热管

热管（heat tube）:封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的热超导原件。

热管技术目前已经被广泛应用于宇航、军工、石油、化工、冶金、机械、电力、电子、煤炭、铁路、通讯、纺织、家电、IT产品等诸多领域。

热管的特点：

1：极高的导热性，超过所有已知的热导体；

2：结构简单、原理通俗、设备便于维护；

3：热密度可变、自适应换热环境；

4：可衍生出热二极管和热开关，易于控制；

5：无核心动力机构、构成简单、寿命长；

6：生产材料成本低廉、可靠性高。

结构（如下图）：一套封闭循环的管路，两端为换热部件，水平高度在下的部件为吸热蒸发端，水平高度在上的为放热冷凝端，管路内充注纯净的适量换热介质。

工作原理：初始状态时，下半部分为全部液态介质，上半部分为全部气态介质，下部换热器外部温度高于上半部换热器时，下半部内的液体便开始吸收外部热量，同时液体蒸发为气体上升，到达位于高处的室外换热器内放热冷凝，带走换热器内部气体的热量，气体放热降温变为液体向下流动，流到下部的室内换热器内部……如此循环完成从高温处向低温处传热的过程。如果上部的温度高于下半部温度，此循环不会产生，完全利用物质本身的汽液变化完成自动循环。若吸热点的温度常年高于室外排热点的温度，本循环将常年不间断工作排放热量。因为本方案采用逐点吸热方式，吸热点的温度将常年高于最高的室外温度，因此本方案可不受环境温度的影响，满足机房设备降温的需求。

我们工作及生活中经常会接触到热管及热管现象的原理，例如，在运算能力日益强大的计算机、服务器和笔记本中，CPU的散热多数是用热管取代了过去的金属导热体，以达到更优良的散热效果。同时，我们生存的环境就是一个巨大的热管，如生活中常见的雨雪现象（如上图）：地表的水遇热后吸热蒸发后变成水蒸气，水蒸气上升到高空，遇到冷空气后凝结成雨水，降落到地面，便是一个气体自行上升排热液体自动下降吸热的无动力自由行程。

机房散热特点和要求：

最初的程控交换设备电路板整部分均为独立的小热源，同时设备内部没有强制对流装置进行热传递工作，需要使用机房空调的大风量高风压进行强制对流换热，但进入新世纪后的近些年来，数据、网络、传输和无线通讯设备迅猛发展，占有率逐年上升，这些设备的发热特点有了很大的不同：

1：发热量急剧升高，机房设备需要内装换热风扇强制循环，用以对设备外排热。

2：电路板整部分为独立小热源的同时，电路板上的部分芯片（如：CPU）和部件（如电源）成为高热热源，高热热源部分绝对的主导了机房总发热量。

3：主要发热部位采用了独立散热器（多数高热CPU采用了热管式独立散热器），机房设备主机增加了强制对流风扇，以此方式有利于设备内部往设备外（机房内）的排热。

4：机房整体热量急剧提高，之前的程控交换机房最高配置为每平米机房配置制冷量300W-350W，而目前的IDC机房该数据显著提高，往往一个机柜（0.8平米）发热量能到到20KW以上。

机房空调的技术特点及设计原理：

1：集中送风方式控温：机房空调采用的是循环整个室内空气的方法进行室内温度控制，工作模式如下图：空调通过大功率的风机采集回收室内空气并检测温湿度后，进行室内环境需要的空气处理后送到空调外；通过大功率风机送出的经过处理的适宜空气送到机房设备内以后，吸收机房设备发出的热量，升温后的空气又在大功率风机的作用下排出设备内部，通过机房空间回到空调。如此周而复始的循环，完成空气处理。在整个循环中，大功率风机是不可或缺的，甚至于可以说是机房空调的灵魂。同时，由于空调冷风和设备排出的热风均送到机房空间内，两者非常容易相互混合导致效率降低。

空调的制冷系统和送风系统是两个不可或缺的必要组成部分，以一台名义制冷量18KW（显冷量）的机房空调为例，其配备的压缩机耗电功率约为5KW左右，而为风机耗电功率则为2KW甚至更高。我们知道，机房的制冷量配置原则是至少满足最大热负荷时的降温需求，根据所有空调的控制逻辑，在室内温度达到设定值后，压缩机将会停机，但为了维持室内正常的风循环，风机将会不间断运行。所以，即使是该机房不存在任何制冷设备或制冷量备份，该空调的压缩机也一直会处在间歇运行的状态。据不完全统计，一个没有任何制冷量备份保温措施完好的普通机房，压缩机的全年占空比将在50%左右，而室内风机将不间断运行，以该18KW空调运行一万小时为例：

压缩机耗电：5KW*10000小时*50%=25000度电

风机耗电：2KW*10000小时*100%=20000度电

出现以下情况将进一步提高风机耗电量占比：

1：机房保温措施不完善，空调冷量配置较高。

2：存在备份空调或备份制冷量。

3：机房扩容增加制冷设备。

4：采用各种空调节能措施。

声明：我们无意褒贬降低压缩机占空比来获得节能量的形式，而且一直在大力提倡降低压缩机能耗、降低压缩机占空比，因为它是目前条件下能够降低空调耗电的唯一途径，目前所有的空调节能措施只能针对空调压缩机的耗电，无法针对风机降耗，因为目前条件下，只有保证了风循环达到要求，机房才能正常运行。

2：采用制冷方式进行热量转移：我们常见的机房专用空调均采用各种类型的制冷方式完成机房内外的热量交换，在室外温度高于室内温度时，无疑它将是保障机房温度的一种不可或缺的方式，但在全球绝大多数陆地区域常年平均温度均远低于机房要求温度（25℃）的，换种思路来分析，也就是说全球绝大多数陆地区域多数时间的环境温度低于机房要求的温度。在室外温度较低的情况下，如果仍然采用制冷的方式通过消耗电量的代价来将机房内的热量转移到机房外，而不能便利的切换到使用自然冷源降低机房温度实在是一种巨大的浪费。

3：大风量、大风压、小焓差：为了满足机房复杂的内部结构，必须将空调的送风风量和风力加大到足够到达每一台机房设备进风口，才能满足机房设备的降温要求。而小焓差主要为了保证空调吹出的冷风不至于在机房设备上产生结露现象，影响机房设备的运行安全。

4：能耗高、稳定性高于经济效益：因为机房设备的运行环境要求较高，一旦出现运行环境超标的情况下立即会产生各种运行故障，所以机房空调设计必须保证不间断的高度稳定性，才能满足机房设备的持续不断的要求。即便是市面上已经有了新的更高效的换热方式，也极为慎重，缓慢的在机房逐步推进。因此，在空调设计上，效率等诸多经济因素往往是退而求其次。

5：湿度智能控制：机房设备基本上是由各种电路板组成，运行对湿度有较高的要求，湿度过低容易出现静电、过高将导致电路板短路等各种故障，所以机房空调多数都配置有加除湿系统，只是在机房空调配置中往往湿度配置并不严谨。加湿量、除湿能力的配置不经计算是常见的事情，同时湿度控制时将消耗太多的无效功。特别是除湿工作时，制冷系统和电加热系统将同时开启，而制冷指令和加、除湿工作指令也经常发生冲突。

6：通过增加设备的方法进行增容扩展：机房设计最初是以当前情况下对于机房内部环境的要求进行空调配置的，同时空调设备也占据了机房最佳的送风风道，后期如若产生机房增容等情况需要增加制冷量时，只能用增加空调设备的方法进行增容，制冷量增加的同时也增加了相应的送风风机，增加的送风风机耗能对于原有机房送风水平来说多数属于无用功，但为了满足大风量、高风压和小焓差的要求，又无法降低该部分能耗，将大大增加机房内的无用能耗。

热管逐点换热技术特点及设计原理

传统的机房排热设备（空调、新风、热管、乙二醇等）都有一个特点，就是先将机房空间冷却，然后通过机房适宜的空气温度为机房设备降温，这种间接的方式我们将其统称为区域供冷（如下图）。

全新的方式（如下图）是直接吸收设备排出的热量，使机房设备排放的热量降到最低，机房温度将不会因为机房设备的大量排热而升高，将大幅度解决机房现存的诸多问题：

1：正温差大，易于换热，同时其能耗也将轻易降低。

所有的导热、换热设备均有一个共性，即吸热点与排热点温差越大，导热、换热的效率越高，机房设备是整个机房的热源所在，设备出风温度往往高于50℃甚至更高，设备内的部分芯片温度甚至可达100℃以上。这种温差下，消除高温热点可以比降低空间温度更容易、效率更高、投入更低。

2：机房设备循环出风温度更接近机房设备循环进风温度，对气流要求小，可大幅度裁减机房风量和风压。试想，如果机房设备的工作排热在最初阶段（未能影响周边温度环境之前）就已被传导到了室外，排出的空气温度也接近设备需求温度的话，那么大风量高风压对机房来说，便失去了主要存在的意义。

3：降温设备不占用机房面积。

为了满足降低机房空间温度的要求，机房区域供冷设备必须将其所需的各类部件用合理的方式集成在一起，才能成为空调，由于机房专用空调的特殊目的，目前最精巧的设计也只能做到包括维护工位每平米占地（室内）20KW显冷量的目标。而使用逐点换热的方式由于不需要风机，同时每一个换热终端都可以非常小巧，可以集成到机柜角落、顶端、柜门夹缝、设备内部等位置，连接管线可以在机柜顶部和底部的线架上敷设。实际使用中，不需要单独为换热设备单独预留使用面积，也不需要为连接管线特意预留过多的机房空间。

4：现有的技术水平可以轻易的满足设备机柜达到极高的吸热量，更可轻易扩容。

5：机房设备扩容不受空间环境限制。

现阶段我们可以将空区域供冷方式和热管逐点换热方式比喻为汽车和火车运输，货物均为机房热量，两者可以为共生和互补状态。

当然，这种方法虽然大有潜力可挖，也还需要进一步加以完善，在进一步摸索中逐渐将其完善，就目前我们所掌握的技术，可以按照以下步骤逐一推进。

步骤一：机柜背门散热系统介绍和分析

目前，机柜背门其功能仅仅是作为机柜的一个安全部件，而且一般背门内均为中空状态，我们可以利用这个空间布置2排吸热管道以及20平米换热片，在一般应用的情况下，该部位可以带走约3-8KW的热量，除高热的IDC数据设备外，普通机柜的发热量均不高于这个发热量。如果一个机房拥有这样的机柜100个左右，也就是说该机房相当于在机柜背门上安装了相当于300KW以上制冷量的空调，如果将这些换热设备计算成5台60KW机房专用空调（单台空调风机功率5kw、压缩机功率18KW），那么每年这批空调将至少消耗60万度电，而通过机柜背门改为热管方式传导到室外的排热，仅需消耗极低的电量，耗电量的差距是相当巨大的。据匡算，市场开拓初期100个机柜的背门更换为热管导热的投资约为80万左右，安装5台60KW空调投资也不低于80万。另外，在满足节能要求的同时，它也能有效解决部分机房冷热不均的问题。

我们知道，机房中的热量来自于机房设备的排热，目前机房设备绝大多数均采用前进冷风、后排热量的方式，那么在一个机房中，除建筑能耗外，基本上所有的热量均来自于机房设备的后部排风，而机房设备又绝大多数均放置在机房机柜内，所以机房设备产生的热量基本上会全部通过各自的后部机柜门，而且此地的温度应为机房的温度最高点。

现有的机柜背门均为单层钢板轧制而成的多孔镂空结构，机柜的热风便由镂空的孔中排往机房环境中，我们可以在该空间内安置一定数量的导热片和热管吸热端，将通过该处的热气流吸热降温，请见机柜后门的改造图：

1：一个机柜柜门约有750mm宽，柜门内空置位置，初次可以利用厚度约为40mm，那么在该空间安置的吸热蒸发端翅片单片尺寸可以达到600mm*40mm，单片面积约0.05m²，高度2米的机柜门可以安放翅片的位置为1.8米，以每隔2.5mm一张翅片的间距计算，则可以安放翅片约720片，共计吸热面积约为35 m²，蒸发器翅片每平米换热量为50W* m²*K,假设管内液体温度为10℃，流经的空气温度为50℃，那么整个机柜背门最大可以达到的换热量为：

35 m²*（50℃-10℃）K*50W=70KW

以上数据为理想状态的最佳值，在实际应用中将会有诸多因素大幅度的影响换热量，比如：

a：出风温度和液体实际温度的影响：

热管换热受环境因素影响较大，特别是室外环境温度，将直接影响热管内的液体温度和蒸发温度，换热后的温度将始终不可能高于室外环境的湿球温度，在室外温度升高的过程中，换热量更将严重衰减。

b：机房设备的出风投影面积（如上图）：

我们的机柜背门采用了满敷翅片的方式为机柜出风换热，为标准设备预留约200mm*600mm的出风投影区域，该区域有翅片80片，合换热面积3 m²，由于机柜的结构不同以及设备出风状态多样，出风投影面可能不到预留区域的20%。

c：翅片间隙的热量损失：

由于设备出风风速风压均有限，在满足气流风压的前提下，必须拉宽翅片的间隙，使气流能够顺利的通过翅片进行换热，将有部分热空气不能通过翅片热交换而排出，如此将损失一部分换热率。

我们的结论是，在一般情况下，普通机房的机柜每块机柜背门的总换热率大约在3-8KW左右。但如果本柜门使用到高热设备上，同时该设备采用大风口大投影面设计（如上图中的设备），该机房柜门将大幅度提高换热功率。

2：机柜门的下部安放供液汇管（如下图），进液口用丝接形式的软管汇接至机柜顶部的分支液管，无论工作或是待机状态所有管道内均处于满液状态，从原理上来说，热管充注的介质可以是任何物质，为了使软连接更可靠、更耐用，我们计划采用系统内换热压力极低的微压介质，正常运行时，系统压力将保持在3bar以内，即使是极端的高温天气，系统内压力也不高于4bar,而软连接的耐压能力则选用8bar以上的高压软管，可以保证系统稳定以及频繁的后门开合，同理，软管和丝扣紧密连接才可以放心的使用。

3：机柜门的顶部安装集气汇管（如下图），排液口使用气液分离装置，当换热器内不发生热交换时，换热器内为满液状态，拦液球处于顶端堵住防液排气口，液体无法向上流动影响后部其他部位的热交换工作。一旦换热器内发生热交换，换热器液体发生沸腾，气体上升到达排气口处，液面将下降，拦液球随之下降，排气口打开，气体顺利的通过排气口顺连接管排出到室外换热器。

4：机柜顶上部平行敷设供液汇管和回气汇管，各自的端口分别连接机柜后门的软连接管，端头汇集到连接于室外换热器的总供液管和总回气管，回气管到室外完成散热液化后由总供液管循环到室内，完成整个室内外换热循环。

步骤二：热管机柜系统介绍和分析

我们日常接触到的很多设备均采用了热管直排的方式将电子产品的热量排放到设备外部，比如：笔记本电脑、机房常见的服务器、家用和商用台式电脑等……！

步骤一中的热管背门能达到的散热效果是有限的，它的排热量受室外环境以及机柜内设备出风温度的影响较大，同时它针对的还仅仅是设备出风，进一步的做法是针对机房真正的原始热点作出作用，但这一步骤就需要机房设备提供方的配合了。

设备内的散热措施很多也采用了热管散热的方式，但属于一体式结构，对机箱内排热，然后通过机箱中的强制排风扇送出机箱，排放到机房环境中，我们希望设备提供方能够更换设备内高热芯片的散热措施，在高热芯片上安装热管吸热终端，将设备所有高热芯片的吸热终端并联后接口预留到设备外部，与机柜内预留的气、液管道连接并联到室外换热器，可以直接让高热芯片与机房外界的空气换热。由于热管的特性，吸热端可以将散热接触面的温度更接近管内液体的沸点（本数据可达到室外散热处的环境温度），因而在现有条件下，可以让机房设备的芯片工作温度大大低于之前芯片的工作温度，进一步提高机房设备的可靠性。同时，因为减少了设备的排温部件、降低了设备的故障点、减少了设备的能耗、更容易使用性能更强劲的芯片，所以我们预计，设备提供方也是非常愿意做出这种配合的。具体做法如图：

在正常排热的情况下，芯片需要的的正常表面温度将远高于极端高温时的室外环境温度，所以这种节能方法可以说完全不受环境因素影响，无论在任何自然条件下都可以满足要求。同时由于机房设备的主要热源集中起来直接排放到了室外，机房设备的实际散热将会大幅度的降低，能达到更少排热量的要求，再加上第一步中机柜背门吸热的双重效果，将大大减轻设备对于机房的热量排放，进一步降低室内机房空调实际作用。

步骤三：综合解决方案介绍和分析

如果说第一步是作为一种市场的试探，同时也能让市场接受这种新型散热方式，那么有了第一步之后，第二步可以说是革命性的，因为它真正的低投入高回报，在第一步基础上增加的第二步是低成本（甚至于是负成本）的功能添加，而能产生的效果将是巨大的，难以于现有市场想象的。但这两者叠加仍然不能取代现有的机房空调，原因有三：

一：虽然作为目前最先进的热超导技术，热管有着无可比拟的效率优势，但其毕竟只是一种传热设备，其自身不具备制冷能力，受环境影响较大，设计合理的室外散热机构，能达到的温度为室外散热环境湿球温度的+3℃，在室外环境的湿球温度高于20℃时，无法单独依靠本系统将机房室内环境温度维持在一个适宜的水平。

二：即使是在室外环境温度较低、室内所有吸热终端均能达到很好的效果的前提下，仍然需要合理的的机房空间循环风来进行辅助换热，以达到最佳的设备回风温度，因为机房设备内部不仅有着高发热量的芯片，更多的还有一些低发热量的元器件，他们仍然是机房的热源所在，虽然其热量偏小，但也需要为其降温。

三：热管散热量虽然是随两端温差进行自适应的，但也需要更好的控制逻辑对其换热情况进行控制，目前的两套系统（或叠加）均无法完成精确控制，同时也无法完成湿度控制，只能是作为节能措施，而且换热量的设计不能大于原有空调系统的换热量，才能依托空调原有控制系统对室内温湿度环境进行精确控制。

我们设计的第三步为逐步减轻空调作用的方案，也是能够满足机房要求的最佳方案。

1：步骤二的芯片分体散热系统作为一个独立的系统，剥离第一步设备排风换热系统，因为芯片散热本身的热量和温度都较高，其工作温度要求也不高（一般都不低于50℃），哪怕是最恶劣的高温环境，其散热水平也足可以满足芯片要求的工作温度。所以这个系统可以做成低干预或全自然散热的系统进行低能源消耗的系统，同时越简单的系统其可靠性越高。

2：机柜后门（设备出风口）散热系统也作为一个独立的系统，同时需要在机柜后门管路上预留接口以备少量要求工作温度更低的芯片散热连接用，室外散热部分仍然保留原有的散热设备，在该散热设备之后，添加一套（或多套）制冷设备，该制冷设备仅在环境温度高于设定值后依据控制器的指令按需开启，为机柜后门换热系统提供冷源。

3：机房内仍然需要安装部分制冷、加湿、除湿设备，但并非需要原先设计的高风压空调设备，仅需达到商用空调的适宜水平便可。而制冷量仅需满足正常建筑空间需求，按照目前的水平，加入两种热管设备之后，其制冷量不需要超过每平米200W即可满足空间要求（现在在用的机房空调一般最低水平都在至少每平米350W以上，而高热机房每平米10KW以上的情况极多）。而且这套制冷系统仅仅是作为室外制冷系统的备份设备，正常时该制冷系统不需要运行即可满足要求。

4：机柜内部仍然采用原有设计不变， 中间部位加入封闭隔断以防设备进出风机柜内的对流。机柜前门设计为密闭模式（可采用无孔钢板、玻璃等材料），前柜门无需进风，机柜进风口设计于顶端（或底端）前部的位置连接送风风道，所有的机柜进风口风道汇集到机房主风机处。独立的主风机附带空气过滤，，其风量风压可自适应调节，满足机房设备的风循环要求。

按照以上方案实施后，即使现有的最高要求的IDC机房，其空调能耗将巨额降低，据估算，用于机房降温的年耗电量将降低到原有水平的10%以下。

案例：仍以例举的机房为例，如果全部改为本方案实施，将会出现以下变化：

1：机房层高仅需保存上部机房主体部分，下部架空的送风静压层可取消，成为一间1000平米的可用建筑空间。

2：排热系统年耗电量将会降到500万度以下甚至更低（根据环境不同将有不同表现）。

3：人员进入机房将如同进入普通机房，无任何不适的感觉。

本文作者介绍：李俊辉，引自互联网。