摘要：北京纳源丰科技发展有限公司由清华大学航天学院及清华大学建筑节能研究中心科研团队共同创立，是致力于信息机房环境系统节能设计以及配套设备研发的高新技术企业。

　　一、 技术名称

　　热管背板冷却技术

　　二、 适用范围

　　新建中高功率密度数据中心

　　三、 技术提供方

　　1、企业名称：北京纳源丰科技发展有限公司

　　2、企业logo：

　　3、企业简介：北京纳源丰科技发展有限公司由清华大学航天学院及清华大学建筑节能研究中心科研团队共同创立，是致力于信息机房环境系统节能设计以及配套设备研发的高新技术企业。

　　专注于数据中心、信息机房设备环境控制，数据中心基础设施管理监控系统平台，掌握领先的制冷系统核心技术，拥有多项专利，是兼备高端服务集成能力及自主研发产品科技创新企业，为客户提供绿色数据中心整体解决方案及配套产品。业务涵盖新建数据中心和老旧机房节能改造整体深化设计、节能咨询与培训、假负载租赁和测试、能源审计、节能规划、CFD仿真评估，运行维护等。

　　四、 技术原理

　　1、现有技术存在的问题：

　　数据中心能耗与日俱增，空调系统能耗约占数据中心能耗的40%，能耗巨大。而且传统空调系统存在气流组织紊乱，局部过热;机房空调运行紊乱，加湿/除湿同时进行;对自然冷源节能措施应用少，系统能耗大等问题。

　　2、本技术原理

　　热管背板技术是利用工质相变(气/液态转变)实现热量快速传递的一项传热技术。具体是采用“自然冷源”，或“自然冷源+强制制冷”的方式，通过小温差驱动热管系统内部循环工质的气液形成自适应的动态相变循环，把信息机房内IT设备的热量带到室外，实现室内外无动力、自适应平衡的冷量传输。热管背板冷却技术使信息机房实现柜级精确按需供冷、低能耗供冷。

　　其工作原理为：

　　(1) 热管的蒸发段与热源(机房热空气)接触;

　　(2) 热管液态工质在蒸发段吸热蒸发，成为气态;

　　(3) 气态工质沿着热管的蒸汽管快速流动至冷凝段;

　　(4) 热管的冷凝段与冷源接触;

　　(5) 气态工质在冷凝段放出热量，冷凝为液态;

　　(6) 液态工质在重力的作用下沿着液体管回流至蒸发段;

　　(7) 以上流程循环往复，实现热量快速传递。

热管背板换热原理

热管背板冷却系统原理图

　　3、创新之处

　　(1) 通过全封闭连接管路中的工质自然循环进行热传递，不直接引入室外空气，保证机房室内空气的洁净度。

　　(2) 室内末端循环工质为不燃、无毒、无腐蚀、常压下为气态的制冷剂，通过小温差驱动换热芯体中介质达到动态的气液相变热力平衡，实现数据中心内设备的节能冷却，且保证无水进入机房，杜绝水浸机房的安全隐患，安全可靠。

　　(3) 室内设备全显热换热，无冷凝水产生，杜绝常规精密空调除湿、加湿同时进行这种不合理的费能现象。

　　(4) 采用分布式自适应按需冷却，根据机房实际需求，实现机柜级按需供冷的个性化温、湿度调控。

　　(5) 热管背板设备与数据中心的机柜，占地空间小，空间利用率高。

　　(6) 有效解决机房气流组织混乱的问题，消除局部热点。

　　(7) 用抗震结构设计，容灾能力强。

　　4、应用效果

　　与精密空调制冷设备相比，热管背板设备的额定功率只有精密空调室内送风末端能耗的1/5(通常风冷精密空调室内送风末端能效比约为12，而热管背板的制冷效率EER可达到60以上，采用热管背板，数据机房空调系统末端PUE因子可小于0.02，且无水进入机房，并实现模块化、标准化建设。

　　五、 主要节能减排指标

　　热管背板冷却技术应用于数据中心空调制冷，可以优化数据中心的气流组织(消除机房局部热点)，同时有效降低数据中心空调制冷的能耗，提高数据中心的空间利用率(提高装机率)。

　　典型数据机房能耗测算

　　机房模块面积560m2(含空调区)，跨度29m，进深19.3m。

　　1、方案比较

　　采用分布式热管背板冷却方案的数据中心，相同面积下，与冷冻水精密空调方案相比，可增加机柜安装数约29%.

　　2、空调系统配电需求

　　注：本次案例分析中：空调系统配电需求均按照IT设备负载1080kW计算，即机房布置机架216架。

项目		冷冻水精密空调（kW）	分布式热管背板（kW）
空调末端风机配电		100kW冷冻水精密空调末端×16台（14用2备）。 冷冻水精密空调风机配电为6.5kW×14台=91kW	热管背板×216个 热管背板配电为0.1kW×216个=21.6kW
加湿配电		冷冻水精密空调采用电极加湿，每台加湿功率为9kW （加湿量13kg/h） 加湿配电为9kW×14台=126kW	加湿除湿一体机1.3kW（8kg/h） 加湿除湿一体机配置6台 加湿除湿配电=1.3kW×6台=7.8kW
冷机配电		采用常规冷水机组，冷机能效比（COP）5.5，选用1400kW冷量的冷机，则 冷机配电为1400kW÷5.5=255kW	采用高温冷水机组，冷机能效比（COP）7.5，选用1400kW冷量的冷机，则 冷机配电为1400kW÷7.5=187kW
合计		472	216
折合单机柜空调配电		2.2	1.0
折合单机柜空调配电投资 （配电基础设施按0.6万元/kW计算，含变压器、电缆、高低压配电、UPS、柴油发电机等）		1.32万元	0.6万元
可安装机柜数量		167	216
室内空调末端		120	453.6
		12台冷冻水空调，投资：12台×10万元=120万元	热管背板216个，投资：216个背板×2.1万元/台=453.6万元
室外冷水系统	冷水机组	单位冷量两者相同
	水泵	单位冷量两者相同
	冷却塔	单位冷量两者相同
	管路	单位冷量两者相同
机房室 内装修	架空地板	44.8	0
		冷冻水精密空调方案，需要架空地板 投资：800元/平米。 0.08×560=44.8万元。	热管背板冷却方案，不需要在机柜外设置送风通道，不需要设置架空地板。
	地面防水	机房面积575平米，投资：100元/平米。 0.01x560=5.6万元	热管背板冷却方案，无水进入机房，也不产生水，不需要做地面防水。
合计		167.4万元	453.6万元
单机柜空调初投资A		1.02万元/机柜	2.1万元/机柜
单机柜空调配电初投资B		1.32万元/机柜	0.6万/机柜
单机柜空调综合初投资（A+B）		2.34万元/机柜	2.7万元/机柜

　　采用分布式热管背板冷却方案的数据中心，单机柜空调系统的配电量需求比冷冻水精密空调方案少1.2kW/机柜，配电投资降低0.72万元/机柜。

　　3、投资分析

　　采用分布式热管背板冷却方案的数据中心，单机柜空调设备综合初投资比冷冻水精密空调方案高0.36万元/机柜。

　　4、运行能耗比

用电项目	冷冻水精密空调	分布式热管背板
单机柜功率	5kW	5kW
机柜数量	167	216
末端用电	冷冻水精密空调末端用电： 6.5kW×10台×8760h =56.94万kWh/年。	热管背板末端用电： 216个×0.07kW×8760h =13万kWh/年。
冷机用电	常规冷机能效比5.5 冷机用电： 1000kW/5.5*8760h =159.3万kWh/年	高温冷水机组能效比7.5 冷机用电： 1100kW/7.5*8760h =128.5万kWh/年
合计	216.24万kWh/年	141.5万kWh/年
折合单机柜空调运行能耗	1.29万kWh/年	0.65万kWh/年

　　采用分布式热管背板冷却方案的数据中心，与冷冻水精密空调方案相比，每年单机柜节约用电量=1.29-0.65=0.64万kWh/年。

　　5、投资回收期

　　投资回收期=(单机柜热管背板综合初投资-单机柜冷冻水精密空调综合初投资)/(单机柜冷冻水精密空调运行能耗-单机柜热管背板运行能耗)

　　=(2.7-2.34)/(1.29-0.65)

　　=0.56年

　　与冷冻水精密空调方案相比，数据中心采用分布式热管背板方案的投资回收期约为0.56年。

　　六、 应用实例

　　1、技术应用方式

　　热管背板由外壳、风机、热管换热盘管、控制器、管道、制冷工质软连接管等组成。SIS热管排热背板与专用的通信机柜紧密结合，安装在机柜后门，冷却机柜;。如下图为背板安装示意图。

　　2、具体应用实例

　　项目介绍：中国移动呼和浩特数据中心

　　建设规模：IT机柜超过3000个

　　空调技术：热管背板

　　单机柜IT设备设计功率：≥5kW

　　节能效果：约7000kWh/(机柜.年)

　　热管背板PUE因子<0.022

中国移动呼和浩特数据中心

　　七、 技术应用现状和推广前景

　　应用现状:热管背板适用于不同散热密度的机房或数据中心。可以解决数据机房气流组织紊乱、局部热点等问题，同时可以减少数据中心的能耗。纳源丰公司自主研发的热管背板，目前已在北京、上海、广东、四川、内蒙等20个省/市的数据中心机房得到应用，应用规模达超过10000套。

　　纳源丰热管背板通过了教育部科技成果鉴定，并获得“国家重点新产品”、“中国数据中心优秀节能项目奖”、“数据中心优秀产品奖”等多荣誉。

　　通信机房发热量大，需要全年制冷。随着高密度机房的出现，机房的散热问题尤为突出。单机柜功率过大，很容易出现局部过热现象，严重的造成服务器宕机。受传统机房的规划及制冷方式的制约，空调系统增容困难。因此， SIS热管排热背板应用于数据中心机房，功耗小，与传统的压缩机制冷方式相比，可大大降低机房的能耗，不存在局部热点，气流组织均匀，可通过更换制冷量大的SIS热管排热背板进行增容，具有良好的推广价值,应用规模将超过5万套/年。

　　八、 国家重点新产品证书

　　责任编辑：DJ编辑