《热管制冷背板技术在机房大功率机柜中的应用研究》开题报告.docx

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《热管制冷背板技术在机房大功率机柜中的应用研究》开题报告

中国移动集团级重点研发项目（含联合项目）

开题报告

一、项目编号及名称：

热管制冷背板技术在机房大功率机柜中的应用研究

二、项目组：

三、课题背景和意义

201BOSS机房位于山西移动枢纽楼2层，面积约550

平方米，机房现有不同厂家的共7台机房专用空调，空调系统采用风管上送风、下回风的送风形式，各空调通过静压箱相互联通，以支风管将冷风送至机架过道上方。

现机房内空调冷量已经达到饱和甚至不足，全部空调均全负荷运行，没有冷量冗余，并且由于机房空间的限制，无法再增加新的传统机房专用空调，这样长期运行，机房存在非常严重的安全隐患。

经现场测定回风温度，IBM的P系列小型机出风温度明显高于其他机组，且超出或接近IBM厂家规定的温度，已达临界。

如果靠近IBM机柜的一台空调进行停机维护时，其对应的区域温度立即攀升，六台IBM机柜温度甚至高达43℃，整个机房温度也明显上升。

此时，必须在机房的此区域增加两台轴流风机进行强制空气循环制冷，否则，环境温度的升高将严重影响重要服务器的正常工作，局部过热时间过长，服务器甚至可能会出现宕机，这将会导致计费系统的严重事故。

本项目创造性地将SIS热管制冷背板系统技术应用到机房，结合自然冷源冷水机组组成一个高效、可靠、节能的制冷机组，采用SIS热管制冷背板系统，针对大功率机柜按需供冷，即可以有效地解决机房内大功率机柜造成的局部热点难题，又可充分地利用自然冷源进行节能。

由于热管蒸发器安装在机房背板上，不占用地面空间，节省了机房空间。

设备工作性能稳定，故障率低，维护量小，经济及社会效益明显，值得在全集团进行推广。

四、课题研究目标

本项目主要针对通信机房特别是IDC机房、数据机房和BOS计费机房因采用大功率机柜发热量大，从而造成机房局部过热难题进行研究，通过改善机房气流组织，解决局部热点问题；提高空调系统的利用效率，降低机房空调用电量，实现节能增效；探索机房高密度散热技术，为集团的高密度机房的空调系统设计提供参考。

五、课题研究内容（包括研究总体框架、难点及解决方案、主要技术方案和关键技术等）

5.1研究总体框架

1、本项目主要针对大功率机柜（单机柜5KW以上）发热量大，造成机房局部过热难题，研究采用可利用自然冷源的高效分布式制冷模块——SIS热管制冷背板系统，来解决机房内局部热点问题。

2、热管冷源方式的监测与研究，得出自然制冷模块与冷水机组切换的室外温度建议。

3、研究室内冷剂管路长短对热管制冷的影响，给出室内循环冷剂管路允许使用的长度建议值和室外中间换热器与室内设备高度最小建议值.

4、通过理论分析计算与改造前后机房空调实际耗电量的变化，对节电量进行统计，分析投资回收期。

5.2难点及解决方案

1.室外机安装位置：

由于室外机平台基本上已被机房专用空调室外机占满，而热管空调室外机的体积又比较大，只能安装在楼顶、地面或其它空闲位置。

2.热管中间换热器与制冷背板之间管路的连接：

由于机房内情况比较复杂，走铜管需要动火焊接，直接影响机房安全，所以采用高品质的专用软管来进行连接。

3.SIS制冷背板的制作及安装：

由于是按需制冷，而每台需降温的机柜形状又不同，所以制冷背板需要根据机柜的实际尺寸进行订制。

4.SIS制冷背板的安装：

SIS制冷背板根据制冷量不同重量在几十公斤，直接挂在机柜上可能不稳定，所以在制冷背板下面设计安装了两个可以上下调节的万向轮来做辅助支撑，有效地解决了重量支撑难题。

5.3主要技术方案和关键技术

由于201机房中，小型机机柜发热量较大，排风温度过高，严重影响了邻近机柜的散热条件，目前为解决局部热点，采用的是在小型机机柜附近安装两台4KW风机，增加局部循环风量的方法。

此方法能够在一定程度上减轻了局部热点的现象，但是噪音大，造成机房气流组织混乱，又耗电。

经对现场情况分析，201机房的问题集中在如何解决多个10kW机柜高发热的问题上，常规的增加空调、远距离送风不能解决局部热点问题，加风机也是临时解决措施，需采用有针对性的高热密度制冷设备进行冷却。

针对这种情况，本次改造采用可利用自然冷源的高效分布式制冷模块——SIS热管制冷背板系统，将机房内14个小型机机柜的背部柜门改换成SIS热管制冷背板，来解决机房内14个小型机机柜的局部热点问题。

图1－SIS制冷背板工作示意图

图2－局部热点位置示意图，虚线框指示区域的1~14号机柜。

（一）室内部分

采用“SIS制冷背板”。

将小型机机柜的背门更换成“SIS制冷背板”，使机柜排出的热风经过背板降温后，再排放到机房环境中，在不占用地面空间的前提下，彻底解决局部热点问题。

图3－SIS热管制冷背板

“SIS制冷背板”内充装无毒、无腐蚀、不燃的气态制冷剂，安全等级高，发生泄漏时，不会对机房内的人员、设备产生危害。

“SIS制冷背板”采用柔性管路连接，安装完毕后，可像机柜原柜门一样自由开关，不影响机柜内设备维护工作。

（二）室外部分

室外部分采用“可利用自然冷源的冷水机组+热管中间换热器”。

冷水机组为整个系统的冷源，并将冷量通过“热管中间换热器”传递至制冷剂中，由制冷剂输送至“SIS制冷背板”，实现机房内无水进入，从而保证了该改造系统安装、施工时，不影响机房内设备的运行和人员的正常工作，系统运行时，也不会给机房带来安全隐患。

“可利用自然冷源的冷水机组”：

在气温炎热时段，采用高效制冷模式运行；在过渡季节、寒冷季节采用自然冷源模式运行，充分利用自然冷源降低制冷能耗，实现经济制冷，节能运行。

（三）智能监控系统

SIS热管智能监控系统能够监控整个SIS热管制冷背板系统各个部件的运行状态：

（1）风机、泵、冷机、制冷剂等状态的实时监控，发生故障时自动发出“告警”，能够及时发现故障点；

（2）智能调节设备的运行，保证全显热换热；

（3）智能协调高效主动制冷模块、自然冷源模块的运行状态，使两个模块运行无缝接合。

（四）改造方案

室内部分的蓝色管路为背板连接的柔性管路，中间无接口接驳，充分保证密封性能。

柔性管路分为两组，一组从天花板上走，另一组从地板上走。

柔性管中充装制冷剂。

根据机房及机柜的勘察情况，本项目选用“SIS热管制冷背板”型号为“SISCRD08”

图4－SIS热管制冷背板改造示意图

室外部分为“热管中间换热器”和“自然冷源冷水机组”，其中“自然冷源冷水机组”中使用防冻水，在气温-25℃~50℃均能正常运行。

热管中间换热器安装在机房西墙上，自然冷源冷水机组安装在一层接待大厅的楼顶上。

（五）方案的主设备配置清单

设备名称

方案简介：

A．消除局部热点

B．“风冷”自然冷源

自然冷源模块

风冷自然冷源模块

高效主动制冷模块

制冷量：

120kW×1台

SIS热管制冷背板

8kW×14个

热管中间换热器

40kW×3个

智能监控系统

1套

总制冷量

112kW

表1改造方案主设备配置清单

（六）节能效果测算

1、原空调系统用电量分析：

空调系统各项用电量计算如下：

A．风机功耗

室内风机功耗=总制冷量/12=41.7kW

为缓解机房局部热点现象，机房内安装了两台4kW的落地风机，功耗=4kW×2=8kW

原机房空调系统室内风机总功耗=41.7kW+8kW=49.7kW

B．制冷功耗

制冷功耗=空调冷负荷/COP=309.7kW/3=103.2kW

C．加湿功耗

加湿功耗=机房空调冷负荷×10%×100%=178.9kW×10%×100%=17.9kW

2、安装“SIS热管制冷背板”后，机房空调系统的用电量分析：

D．SIS热管背板系统”室外部分功耗

制冷时段：

6540小时，功耗35kW

自然冷源时段：

2220小时，功耗3.3kW

室外部分用电量=制冷时段用电量+自然冷源时段用电量

=35kW×6540小时+3.3kW×2220小时=23.6万度/年

改造后:

机房空调年平均功耗=空调室内风机功耗×空转率+制冷功耗+加湿功耗

=353.8kW/12×（1-178.9kW/353.8kW）+59.6kW+17.9kW

=92.1kW

机房空调年用电量=机房空调平均功耗×8760小时=92.1×8760=80.7万度/年

“SIS热管背板系统”年用电量=室外部分用电量+室内部分用电量=24.8万度/年

改造后201机房空调系统总用电量=机房空调系统用电+SIS热管制冷背板系统用电=80.7万度/年+24.8万度/年=105.5万度/年

对比改造前机房空调系统用电量，则：

改造后的理论节能效果=改造前用电量–改造后用电量

=138.5万度/年–105.5万度/年=33万度/年

理论节电率＝33/138.5×100%＝23.8%

机房平均电价按0.8元/度计算：

投资回收期=100万元/26.4万元=3.79年

3、实际节能效果要通过对制冷背板运行前后机房空调耗电量进行统计分析才能得出

六、专利检索情况

SIS制冷背板技术通过国家专利局实用新型专利审核，名称为[一种机柜节能散热背板系统]，专利号ZL201020594405.X,，专利权人北京纳源丰科技发展有限公司。

七、已有的研究工作积累和取得的研究成果

针对机房局部过热难题，我公司在前几年采用“冷通道全封闭变风量精确送风方案”进行治理，在静压箱和风管间加装一台1500立方/H的轴流风机，通过静压箱将冷风送到铝合金风管，风管安装在静压箱的正下方，通过风机和风管的牵引下让不同流量的冷风直接送到高发热机柜柜后门，并在安装了一个全封闭隔热的门背罩，形成了一个全封闭的制冷通道，在后门上加装了两个720立方/H轴流风机，来增大冷却风量。

轴流风机功率的大小由设备的散热量来确定，可做到不同设备用不同冷风量来精确送风降温，解决了机房局部高温的难题。

403机房软交换设备的进风温度由28度降到24度，设备出风温度由39.4度降到35.6度，效果明显。

但是精确送风只能解决5KW以下的机柜发热，5KW以上的机柜还需采用其它方法来解决。

八、本课题的创新点和专利点

一、创新点：

1）采用SIS热管制冷背板技术并并应用在机房，在省内是首创，在国内也处于领先地位。

2）由于热管蒸发器安装在机房背板上，在不占用地面空间和机房空间的情况下,针对大功率机柜按需供冷，可有效地解决局部热点。

3）安全等级高：

由于是制冷剂输送至“SIS制冷背板”，实现机房内无水进入，消除了水患。

4）能效比高节能效果明显：

热管技术被动换热无需压缩机，内外温差为5℃即可高效工作，由于不使用压缩机,并且采用自然冷却技术,自然冷源利用率高，系统的输入功率为同等制冷量空调的五分之一，能效比高达10以上（常规空调能效比为2.5左右）。

二、专利点：

1）热管制冷背板高温自动弹开的结构设计。

2）管路接口制冷剂泄漏监测方法。

九、外部合作伙伴委托方案

本项目由我公司与北京纳源丰科技发展有限公司合作开发，我公司购买纳源丰公司产品与技术，共同制定机房改造方案，不涉及核心技术和知识产权。

十、预期研究产出

10.1研究成果：

热管制冷背板技术在机房大功率机柜中的应用研究报告

10.2标准成果：

热管制冷背板安装调试规范。

10.3专利成果：

1、热管制冷背板高温自动弹开的结构设计。

2、管路接口制冷剂泄漏监测方法。

10.4试验成果：

1、热管制冷背板运行前后机柜进出风温度对比测试报告。

2、热管制冷背板运行前后空调节能效果测试报告。

十一、课题研究分工

无。

十二、项目研究计划进度

阶段一：

时间：

2012年1月1日至1月22日

工作内容：

项目启动，主要包括以下工作

建立项目组织结构，确定改造方案，明确分工；

阶段二：

时间：

2012年2月15日前结束。

工作内容：

合同签订。

通过该项工作，明确合作双方职、权、利的关系，确定系统整体工作时间。

阶段三：

时间：

2012年3月20日前。

工作内容：

方案实施。

阶段四：

时间：

2012年4月30日前。

工作内容：

设备测试及完善。

阶段五：

时间：

2012年5月30日前。

工作内容：

改造方案验收、总结。

十三、项目关键技术决策点及完成时间计划

项目关键决策点

决策点简要描述

研究完成时间计划

方案确定

制定切实可行的改造方案

2012.1.22

方案实施

安全可靠地完成改造方案

2012.3.20

设备测试及完善

对已完成的改造方案进行测试及完善

2012.4.30

改造方案验收

完成改造方案的验收工作

2012.5.30

十四、项目企业绩效贡献情况预测

项目对企业绩效贡献的量化路径图

项目特征指标（PAV）

指标名称

项目应用前指标现状值：

PAVc

项目应用1年后指标预期值：

PAVe1

此项目带来的指标变动量：

ΔPAV

企业特征指标—网络及生产类（EAV-PS）

指标名称

项目应用前指标现状值（EAVc）

项目应用1年后指标预期值（EAVe）

此项目应用带来的指标变动量（ΔEAV）

空调耗电量

146.4万度电（201机房）

113.2万度电（201机房）

33.4万度电（201机房）

企业绩效指标（EPV）

指标名称

项目应用前指标现状值：

EAVc

项目应用1年后指标预期值：

EAVe

此项目应用带来的指标变动量：

ΔEAV

营运收入

营运支出

资本开支

注：

1）填写各项指标数值时，请在数值后一并填写指标数值的度量单位（如RMB万元、万人、%等）和指标数值对应的应用范围（如XX地市、X省全省、31省全网等）。

2）项目特征指标是本项目应用后产生的主要可量化成效，最多不超过3个。

如《传输灾难性设备故障抢修系统》项目应用的可量化直接成效表现为“缩短故障处理时间”，此即项目特征指标。

其EAVc为××小时，其EAVe为××分钟，其ΔEAV=EAVe–EAVc。

3）企业特征指标是本项目应用后对企业生产（产品及服务）和经营（市场及财务）带来的可量化成效，分为“网络及生产类（EAV-PS）”和“市场及财务类（EAV-MF）”，指标清单请见本模板附件1。

如《传输灾难性设备故障抢修系统》通过缩短故障定位时间，使“客户网络类投诉解决及时率”从×小时降低到×小时，使设备故障抢修时间缩短，由原来需要投入×人耗时×小时降低为×人耗时×小时，全省每年节省人工成本××万元。

其中“客户网络类投诉解决及时率”为EAV-PS指标，“人工成本”就属于EAV-MF指标。

4）以上指标中，项目特征指标的名称及数值皆为必填项；企业特征指标的名称为必填项，数值为选填项。

企业绩效指标为选填项。

建议项目经理尽量填全以更好地体现本项目对企业的贡献。