基于热虹吸技术的无泵制冷系统

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概要：

传统数据中心PUE通常在1.5–2.0之间，即便采用先进水冷或间接蒸发冷却，多数大型数据中心的 PUE 也仅能降至 1.2–1.4。KoolLogix公司的无泵热虹吸（Thermosiphon）被动冷却方案，代表了下一代高能效冷却技术的重要突破。本文将介绍GT-SUITE自定义一个蒸发器（热去除模块，HRM），并考虑重力影响。

简介

当前液冷数据中心的工程师主要采用3D CFD（计算流体动力学）进行部件层面的仿真，例如冷板、快接头、分配单元（CDU）或机柜内部流道的局部热流分析。然而，系统层面的多物理场、多尺度协同仿真仍非常稀缺。

但随着IT负载的急剧攀升——单机柜功率已突破100 kW，甚至迈向200–300 kW量级，以及国家对数据中心能效监管日益严格（如中国“东数西算”工程要求新建大型数据中心PUE ≤ 1.25，部分地区试点要求PUE ≤ 1.15），仅靠局部优化已难以满足整体能效与可靠性目标。

KoolLogix公司开发的热虹吸冷却方案是一种创新的下一代被动式制冷技术，专为数据中心等高密度计算环境设计。该系统基于制冷剂循环原理，利用热虹吸效应实现自然流动，完全无需泵或压缩机，显著降低了能耗与维护复杂性。系统由3个核心组件构成：热去除模块（HRM）、制冷剂冷凝单元（RCU）和KoolContainment 隔离舱。在 HRM 中，液态制冷剂吸收服务器产生的热量并蒸发，蒸汽通过管道上升至 RCU，在此处被冷却水（CHW）冷凝回液态后重力回流至 HRM，形成闭环循环。整个过程依靠温差驱动，实现高效、低功耗的按需局部冷却。

模型说明

下图为本文所用模型。制冷剂为R134a。该模型的关键是需要自定义换热器以考虑重力的影响。

2.1热去除模块（HRM, Heat Removal Module）

HRM 安装在服务器机柜顶部或热通道内，内部有蒸发器盘管，里面充满液态制冷剂（如 R134a 或环保型 A2L 制冷剂）。当服务器发热时，热空气上升进入 HRM → 液态制冷剂吸收热量 → 迅速蒸发成气体。对于风侧，目标冷风温度在35℃以下，25℃就开始报警。

2.2制冷剂冷凝单元（RCU, Refrigerant Condensing Unit）

HRM 产生的高温制冷剂蒸汽通过管道自然上升到 RCU（通常安装在机房屋顶、外墙或数据中心外部）。RCU 内部有换热器，用冷却水（CHW）或室外空气给热蒸汽降温 → 蒸汽冷凝回液态。液态制冷剂因重力自动流回 HRM，完成一个闭环。冷媒系统的压力希望控制在12bar以下，10bar就会报警。

2.3对重力的考虑

在HRM的冷媒侧需要考虑重力的影响，需要设置高度差，本例为2m。

结果展示

用户可以方便地用恒定值、前馈控制、反馈控制（如PID）等策略在给定IT负载（恒定或者变化）下来控制风机，以保证目标温度。本例为大家展示一个有趣的模块，SignalActiveDial。该模块允许用户在模型运行过程中在线实时调整风机和IT负载。如下图所示，用户可以实时拖动进度条来改变IT负载和风机信号。