引言
随着信息化的飞速发展，数据中心的规模不断扩大。在带来变革的同时也产生了日益严重的能源问题。2000—2005年，全世界数据中心能耗翻了一倍; 2005—2010年，数据中心能耗增长趋势受经济危机影响有所减缓，但仍然增长了56%，2010 年已占全球能耗总量的1. 3% [1]。美国数据中心能耗更是由2000年占总能耗的 0. 12%增长到 2010 年的约 2%[2]。中国数据中心能耗由2018年占总能耗的1.5%增长到 2019 年的约 2.35%[3]。数据中心的节能方式主要可分为热管与机械制冷集成、自然冷却方式。热管与机械制冷集成方面，王铁军等研发了一种适用于数据中心等电子设备全天候环境控制的新型高效制冷机组HKF-60FH，其集成蒸气压缩制冷系统、分离式热管系统于一体，具有压缩制冷、复合制冷和热管制冷三种工作模式[4]。王子彪等通过改造原有空调系统以充分利用全年室外空气冷源，利用单向二极管式热管构建热管/蒸汽压缩复合空调系统，以固化十二醇硬脂酸为蓄冷材料增设蓄冷系统[5]。自然冷却技术方面，吕继祥等基于数据中心空调系统的选型和节能设计,以风冷直膨式机组、风冷双冷源冷水机组和热管复合式制冷机组为研究对象，建立了三种类型空调系统的能效计算模型。提出一种新型机械制冷/回路热管一体式机房空调系统。利用三介质换热器将机械制冷回路和回路热管耦合起来，实现了二者的同时或单独工作，避免了现有系统依赖电磁阀切换带来的可靠性隐患。
1. 热管空调系统的物理模型
夏季室外干球温度为35.4，设计空调室内温度为24，湿度50%。夏天水冷模式时，进出口水温分别为12/17，冬天，当室外温度低于10时，利用风冷自然冷却。热管系列在室内外温凡大于6时，即可充分发挥其制冷效果。此时机房空调处于关闭状态，室内热量完全由热管传递到室外。
1.1 制冷主机 + +背板热管模式
当室内外温差小于6时，制冷主机开启，通过供应的冷水与热管工质在 中进行换热，带走机房散发的热量，并通过冷凝器将热量排放到室外环境中。
1.2 自然风冷模式
当室内外温差大于6时，制冷主机关闭，通过蒸发风扇将室内散发的热量排放到室外。
2水冷多联热管空调系统的数学模型
2.1 压缩机的火用分析
质量流量为mref的制冷制冷剂进入压缩机的状态为1，排出时为2，由于压缩机压缩过程的不可逆性，产生了过程的熵增和火用 损失，其火用 平衡方程为：
（1）
压缩机输入的火用 量即有用功为：
（2）
不可逆压缩过程的熵增为：
（3）
则压缩机压缩过程的火用 损失为：
（4）
理想可逆压缩时，压缩机耗功为：
（5）
压缩机实际压缩终点状态2点参数可由下式来确定：
（6）
所以：
（7）
式中ŋis.c表示压缩机的等熵压缩效率，本机组采用离心式压缩机，其等熵压缩效率与活塞式压缩机相比提高约10%左右，这里取0.85。
2.2 冷凝器的火用分析
冷凝热Qcond等于从X状态到状态点 4'的焓降。
（8）
2.4 热管末端的火用 分析
热管末端实际上是一个换热器，可以采用蒸发器的模型。近年来多用的是平行流换热器代替原来的铜管铝翅片换热器。
在热管换热器中循环制冷剂对室内回风吸热转化为气态，进入CDU。空气温度降低。
3.仿真模型的搭建
3.1冷水主机+CDU+背板热管末端模式的CYCLEPAD仿真模型
冷水主机 + CDU + 背板热管末端模式包括四个子循环。第一个循环是制冷循环：S5-CLR1-S6-THR1-S7-HX3-S8-CMP1。在这个循环中，制冷剂通过（HX3）将冷水（S10）供给CDU（HX2）；第二个循环是冷水循环：SOURCE2-S9-HX3-S10-HX2-S11-SINK2。自来水（SOURCE1）在蒸发器（HX3）中放热，温度降低，在CDU换热器（HX2）中吸收热管工质的热量；第三个循环是室内热管工质的循环：S1-HX2-S2-HX1。热管工质在CDU换热器（HX2）中放热，温度降低，在背板热管换热器（HX1）中吸收服务器散发的热量。第四个循环是室内空气循环：SOURCE1-S3-HX1-S4-SINK1。室内高温的空气（S3），在背板热管换热器（HX1）中放热，温度降低（S4）。
3.2 水冷主机模式下系统运行参数设置及计算结果输出
3.2.1水冷主机模式下系统运行参数设置
冷水主机（CMP1）的蒸发温度为12（S8），供给CDU(HX2)的供水（S10）温度为12，回水(S9)的温度为17，背板热管换热器（HX1）的换热量Q为3kW，设制冷主机蒸发器（HX3） 的蒸发温度（S7）为12。热管回液（S2）温度为17。
3.2.2水冷主机模式下系统运行参数设置及计算结果输出
制冷主机（COMP1）的输入功率为0.783kW，制冷剂的流量S7(m-dot)为0.018kg/s。冷水（S9）的流量为0.1413kg/s。
3.3自然风冷模式CYCLEPAD仿真模型的搭建
自然风冷模式中存在着3个子循环。第一个循环是制冷剂循环：S1-HX2-S2-HX1。在这个循环中，制冷剂在背板热管换热器（HX1）中吸收机房的热量，通过CDU换热器（HX2）将机房的热量带走。第二个循环是机房内空气循环：SOURCE1-S3-HX1-S4-SINK1。机房内的热空气S3通过热管换热器（HX1）将热量释放给热管工质。第三个循环是风冷循环：SOURCE2-S5-HX2-S6-SINK2。制冷剂的热量通过风冷模式将热量排放到室外。
室内蒸发段（HX1）: 热管中液态的工质（S2）吸收机房的热量（S3），机房的温度降低（S4），热管的工质吸热成气态（S1）；
风冷换热过程：冷风（S5）在风冷换热器中（HX2）吸热，温度上升（S6），热管中的工质放出热量，冷凝成液态（S2）。
4.结论
1. 本文介绍了背板热管换热技术，并与传统精密空调进行了对比，指出背板热管系统运行的高效性和节能性。
2. 运用CYCLEPAD仿真软件对背板热管系统进行了模拟，模拟了冷水主机+CDU+背板热管模式及自然风冷模式。
3. 冬季自然冷却的过程越长，则热管系统节能的效果越明显。该技术可以推广应用到中国大部分地区，特别是应用在北方地区更有优势。
4. 本文只是在不考虑能量品质的情况下进行建模，如果考虑能量级别，则需选定参考能量基准，这些工作将在以后进行讨论。
参考文献
[1] 陈飞虎，龚光彩. 热电厂锅炉系统热力完善程度分析[J]. 湖南大学学报，2009，36（12）：109-113
[2] 王瑞，龚光彩，陈飞虎，等. 建筑能量循环模式的热力学分析[J]. 暖通空调，2009，39（5）：71-75
[3] 点亮绿色云端：中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究[M]. 国际环保组织绿色和平与华北电力大学，2020年
[4] 王铁军，赵丽，吕继祥，等 热管复合式制冷机组的研发与应用[J]. 制冷学报，2016年04期
[5] 王子彪，熊伟，刘艺唯. 热管-蓄冷空调系统在数据中心的节能应用方案研究[J]. 制冷与空调，2015年09