数据中心柜级微通道热管冷却节能技术

本书紧密围绕数据中心高效制冷技术，深入结合自然冷源利用，基于数据中心发展现状、建筑特性与政策环境，提出定制化技术策略。重点从微通道热管背板系统理论与数值仿真、柜级系统实验研究、复合空调系统仿真建模与实验验证、以及基于机器算法的运行参数优化四个维度进行系统阐述。在理论建模、实验设计与智能优化算法应用方面填补了机柜级热管理与复合空调耦合优化研究的多项空白。书中方法和结论可为从事数据中心热管理系统的设计、运行管理、性能测试与维护的技术人员提供全面、可操作的技术指导。

随着全球数字化进程的加速与大数据时代的全面到来，数据中心作为信息处理、存储与传输的核心基础设施，正成为支撑国家数字经济与社会运行的重要载体。近年来，数据中心规模迅速扩张，持续带动能耗攀升，并使其逐渐成为全社会能源消耗和碳排放增长的关键领域之一。据统计，全球数据中心耗能占全社会能源消耗总量的4.5%，预计到2030年这一比例将上升至8%。目前我国数据中心的平均电源使用效率（PUE）为1.5左右，距离绿色数据中心建设的能效目标尚有显著差距。
本书编写团队针对数据中心用能现状、能效水平及终端用能特征进行了广泛调研，当前多数工程案例的空调冷却系统能耗仅次于IT设备，占比高达40%左右。如何在保障服务器计算性能与运行安全的前提下，切实提高自然冷源利用率、降低冷却系统能耗，已成为当前数据中心绿色化转型的核心技术命题。2024年7月，国家发展改革委、工业和信息化部、国家能源局、国家数据局联合印发的《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》明确指出，积极推动数据中心绿色低碳发展，加快节能降碳改造和用能设备更新，大力推广应用节能技术设备，因地制宜推动液冷、蒸发冷却、热管、氟泵等高效制冷散热技术，有效提高自然冷源利用率。
随着智能算力与高性能计算需求的快速增长，数据中心IT设备的功率密度显著提升，机柜负荷呈持续增长趋势。据统计，2017年至2020年，全球数据中心机柜的平均功率从5.1kW增长至8.4kW，部分高性能机柜甚至超过30kW。在此背景下，传统的房间级冷却系统已难以满足高密度散热需求，其能效与局部热管理能力逐渐成为系统应用瓶颈。为应对这一挑战，数据中心冷却架构正加速从房间级向行级、机柜级乃至芯片级方向演进，通过缩短换热路径与降低冷却能耗来实现高效散热。在多种技术路径中，机柜级冷却因兼具结构紧凑、散热效率高与经济性优等特点，被普遍认为是当前提升数据中心整体能效的关键技术。其中，柜级微通道热管背板冷却系统以两相传热机理为基础，结合微尺度强化换热结构，可在高热流密度条件下实现高效冷却，不仅可以有效抑制局部过热、保障设备运行稳定，还可实现系统整体节能。
为宣传科研成果、加强行业交流，决定组织出版绿色低碳数据中心相关书籍。本书在梳理数据中心发展现状、冷却节能技术演进与未来趋势的基础上，重点探讨了机柜级高效冷却技术、微通道热管换热器设计与数值模拟、背板系统实验验证与冷却性能优化、氟泵/蒸汽压缩复合冷却系统的性能分析与运行寻优。同时，引入计算流体动力学、数值模拟与智能优化算法等前沿方法，为非线性复杂系统的设计优化、运行管理与故障容错提供理论依据和实践参考。
本书适用于数据中心机柜级热管背板冷却系统的设计、建设与运维管理，可为从事数据中心冷却系统的相关管理、咨询、设计、施工等技术人员提供重要参考和指导。

第1章 概述
第2章 数据中心柜级高效冷却技术
第3章 柜级微通道热管换热器性能分析
第4章 柜级微通道热管背板冷却系统性能优化
第5章 氟泵/蒸气压缩复合节能冷却系统性能分析
第6章 氟泵/蒸气压缩复合节能冷却系统运行寻优
第7章 数据中心房间级热管理性能优化与故障容错分析