泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組及其節(jié)能效果實驗研究

王 絢 馬國遠(yuǎn) 周 峰

(北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124)

泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組及其節(jié)能效果實驗研究

王 絢 馬國遠(yuǎn) 周 峰

(北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124)

當(dāng)氣溫較低時，泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組較之傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調(diào)能耗更低，EER更高，在數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗方面具有很大的應(yīng)用潛力。但粗糙的控制策略不僅阻礙了冷卻機(jī)組性能的提高，還嚴(yán)重影響了室內(nèi)溫控精度，對其實際應(yīng)用極為不利。為了使其更好的應(yīng)用于小型數(shù)據(jù)中心，本文研制了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，研究了其在某小型數(shù)據(jù)中心中實際應(yīng)用時的運行性能，擬合了換熱特性曲線，并進(jìn)行節(jié)能性分析。結(jié)果表明：當(dāng)室內(nèi)溫度設(shè)定為22 ℃、室外溫度低于10 ℃時，采用此機(jī)組對數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行散熱能夠滿足室內(nèi)負(fù)荷要求，與采用空調(diào)散熱相比節(jié)省電能至少26.77%，具有良好的節(jié)能效果。

空調(diào)；節(jié)能；數(shù)據(jù)中心；泵驅(qū)動；自然冷卻

隨著社會不斷發(fā)展，各行各業(yè)信息化速度不斷加快，數(shù)據(jù)中心和通信基站等設(shè)施數(shù)量不斷增長的同時，其能耗面臨巨大挑戰(zhàn)。有資料顯示，數(shù)據(jù)中心的耗能設(shè)備單元中，制冷系統(tǒng)的能耗占總耗能的40%左右，是數(shù)據(jù)中心的第二大耗能單元[1]。因此，降低制冷系統(tǒng)能耗成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的關(guān)鍵措施之一。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)設(shè)備全年運轉(zhuǎn)，熱負(fù)荷較高，為了保證機(jī)房內(nèi)的溫濕度符合要求，傳統(tǒng)的蒸氣壓縮空調(diào)需要全年運行并維持一個穩(wěn)定的恒溫恒濕環(huán)境，即使在寒冷的冬季，空調(diào)仍須維持較高的冷凝溫度。然而，對于我國大部分地區(qū)來說，全年大部分時間室外環(huán)境溫度低于數(shù)據(jù)中心的安全運行溫度。因此，在寒冷的季節(jié)，以直接或間接的自然冷卻方式為數(shù)據(jù)中心降溫，從而減少蒸氣壓縮空調(diào)的運行時間，就可以有效降低機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗[2]。

自然冷卻方式主要可以分為空氣側(cè)自然冷卻、水側(cè)自然冷卻和熱管自然冷卻[3]，按其對新風(fēng)的利用形式可以劃分為直接新風(fēng)冷卻和間接新風(fēng)冷卻[4]。其中，直接新風(fēng)冷卻存在溫濕度控制困難和送風(fēng)潔凈度無法保證等問題[5]，不適合用于機(jī)房降溫；而間接新風(fēng)冷卻中液體冷卻又在冬季防凍方面缺點明顯。相較之下熱管自然冷卻方式則不存在上述缺點，逐漸發(fā)展成最具潛力的數(shù)據(jù)機(jī)房自然冷卻方式。在數(shù)據(jù)中心熱管冷卻的相關(guān)研究中，呂繼祥等[6]理論分析了熱管復(fù)合制冷機(jī)組和另外兩種風(fēng)冷機(jī)組在數(shù)據(jù)機(jī)房中的使用效果，驗證了其作為數(shù)據(jù)中心空調(diào)的優(yōu)越性；張海南等[7]利用三介質(zhì)換熱器耦合制冷回路和熱管回路形成復(fù)合制冷機(jī)組，并進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)其節(jié)能效果顯著。但是在熱管冷卻方式應(yīng)用優(yōu)勢明顯的同時，常規(guī)的以毛細(xì)力或者重力為驅(qū)動力的熱管也存在啟動困難、啟動時間長、啟動條件苛刻等問題[8]，為提高其驅(qū)動力，部分研究人員提出了泵驅(qū)動回路熱管的概念，并進(jìn)行了相關(guān)研究。

劉杰等[9]提出了一種空間項目用機(jī)械泵CO2兩相流冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)采用泵驅(qū)動熱管回路，同時在蒸發(fā)段入口前添加了一臺預(yù)熱器來保證進(jìn)入蒸發(fā)器的液體為飽和狀態(tài)。該系統(tǒng)在蒸發(fā)段具有較高的等溫性和較穩(wěn)定的傳熱特性，控溫精度高，溫度穩(wěn)定性好。莫冬傳等[10]對以CO2為工質(zhì)的泵驅(qū)動兩相回路進(jìn)行了模擬仿真，開發(fā)了基于MATLAB/Simulink的兩相傳熱模塊，搭建了機(jī)械泵驅(qū)動的兩相回路的實時動態(tài)模型，并通過實驗校核了模型的可靠性。G.Yan等[11]設(shè)計了一種泵驅(qū)動兩相冷卻/蒸氣壓縮式復(fù)合系統(tǒng)，實驗分析了其制冷量和能效比(EER)，發(fā)現(xiàn)室外溫度-5 ℃是該系統(tǒng)的最佳模式切換溫度。但由于該系統(tǒng)在換熱器和管路選型方面以蒸氣壓縮模式為基礎(chǔ)，無法充分發(fā)揮泵驅(qū)動模式的冷卻效果，從而對系統(tǒng)整體性能造成了影響。張雙等[12-13]設(shè)計了一種以R22為工質(zhì)的數(shù)據(jù)中心自然冷卻用泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組，介紹了該機(jī)組的構(gòu)成和工作原理，針對研制的樣機(jī)搭建實驗系統(tǒng)并進(jìn)行了實驗研究。研究表明：當(dāng)室內(nèi)外溫差為10 ℃時，機(jī)組COP為3.75；當(dāng)室內(nèi)外溫差為25 ℃時，機(jī)組COP可達(dá)9.37，機(jī)組換熱量與室內(nèi)外溫差近似呈線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，馬國遠(yuǎn)等[14]對此機(jī)組用于某小型數(shù)據(jù)中心的運行性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)外溫差是影響機(jī)組換熱量的最主要因素，工質(zhì)泵能耗是影響機(jī)組EER的最主要因素；室內(nèi)外溫差10 ℃時該機(jī)組可滿足機(jī)房的散熱需求，且較之空調(diào)散熱能耗可節(jié)省至少36.57%。但由于該機(jī)組運轉(zhuǎn)頻率和功率為定值，換熱量隨室外溫度變化較大，與室內(nèi)熱負(fù)荷匹配較差，導(dǎo)致室外溫度較低時機(jī)組冷量過剩，而室外溫度較高時又存在冷量不足的可能性。對此，本文提出了一種機(jī)組運行功率可自動調(diào)節(jié)的泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組，并就其應(yīng)用于某小型數(shù)據(jù)中心的運行性能及節(jié)能效果進(jìn)行分析。

1 泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組及其控制系統(tǒng)

該泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組的系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由冷凝器、儲液罐、工質(zhì)泵、蒸發(fā)器以及其相互間的連接管道等組成，其中，冷凝器、儲液罐和工質(zhì)泵共同構(gòu)成了室外機(jī)，工質(zhì)泵為液泵，室內(nèi)機(jī)主要包含蒸發(fā)器，蒸發(fā)器和冷凝器各含2臺風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)為R22。運行時，工質(zhì)泵將儲液罐中的液體工質(zhì)輸送到蒸發(fā)器中并在蒸發(fā)器中吸熱部分汽化，然后氣液兩相工質(zhì)進(jìn)入冷凝器放出熱量變成飽和液態(tài)，隨后工質(zhì)再次回到儲液罐中，如此往復(fù)循環(huán)，汽化吸熱帶走室內(nèi)熱量并轉(zhuǎn)移到室外，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)房冷卻降溫。

1冷凝器；2儲液罐；3工質(zhì)泵；4蒸發(fā)器圖1 泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of the pump-driven two phase cooling unit

工質(zhì)泵的加入極大地改善了傳統(tǒng)分離式熱管驅(qū)動力不足的缺陷，克服了由于系統(tǒng)阻力所造成的回路熱管在空間上的應(yīng)用限制，擴(kuò)展了回路熱管的應(yīng)用范圍。同時，自然冷源的利用相比采用傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)大幅度降低了能耗，從而大大增加冷卻系統(tǒng)的EER，節(jié)能效果顯著。

但當(dāng)工質(zhì)泵和室內(nèi)外風(fēng)機(jī)全部定頻運行時，制冷劑流量和室內(nèi)外風(fēng)量始終不變，冷卻機(jī)組的換熱量隨室內(nèi)外溫差增大近乎呈直線上升，機(jī)組冷量大小幾乎完全由室內(nèi)外溫差所決定，這不僅阻礙了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高，還嚴(yán)重影響了室內(nèi)溫控精度。

因此，本文為前述泵驅(qū)動兩相冷卻系統(tǒng)配置了相應(yīng)的控制部件，各主要部件及型號如表1所示。本系統(tǒng)控制采用單輸入單輸出的控制策略，以溫度信號為輸入值，以電流信號為輸出值進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)以變頻調(diào)節(jié)為主，開停調(diào)節(jié)為輔，不但考慮了室外溫度對機(jī)組換熱量的影響，而且保證了室內(nèi)溫度的穩(wěn)定和精確。系統(tǒng)中共含有3臺溫度控制器，分別接收室內(nèi)外溫度傳感器傳送的溫度信號，每臺溫控器上可分別設(shè)置目標(biāo)溫度和報警溫度。其中，2臺溫控器接收室內(nèi)溫度，分別用于控制室內(nèi)風(fēng)機(jī)和工質(zhì)泵的變頻器，1臺溫控器接收室外溫度，用于控制室外風(fēng)機(jī)的開停。室內(nèi)溫度控制器對變頻器的控制主要通過目標(biāo)溫度，溫控器采用PID算法，根據(jù)實測溫度與目標(biāo)溫度的偏離量、偏離趨勢和偏離速度不同，輸出4～20 mA大小不等的電流。變頻器接收此電流信號后，輸出對應(yīng)大小的頻率，不過考慮到過高或過低的運轉(zhuǎn)頻率容易造成部件損毀，應(yīng)針對不同部件為變頻器設(shè)置不同的頻率區(qū)間。同時，室內(nèi)溫度控制器上設(shè)有室內(nèi)低溫報警點和室內(nèi)高溫報警點，當(dāng)室內(nèi)溫度低于機(jī)房最低允許溫度時，機(jī)組停止工質(zhì)泵和室外風(fēng)機(jī)，只保留室內(nèi)風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)；當(dāng)室內(nèi)溫度高于機(jī)房最高允許溫度時，機(jī)組報警并開啟機(jī)房原有空調(diào)進(jìn)行蒸氣壓縮制冷。室外溫度控制器對室外風(fēng)機(jī)開停的調(diào)節(jié)主要通過設(shè)定報警溫度，將溫控器報警點設(shè)置為下限報警，當(dāng)室外溫度低于室外低溫報警溫度時，報警點發(fā)出信號電流，室外風(fēng)機(jī)接觸器接收此電流信號后斷開，室外風(fēng)機(jī)斷電停機(jī)。觸摸屏的主要作用是顯示機(jī)組各部件運行狀況，并對出現(xiàn)異常的部件進(jìn)行報警。

表1 泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組主要控制部件

對機(jī)組中室內(nèi)風(fēng)機(jī)風(fēng)速、功率以及工質(zhì)泵功率隨頻率的變化進(jìn)行了實驗測定，其特性表如表2和表3所示。由表2可知，工質(zhì)泵的功率隨頻率增加而迅速增大，這對系統(tǒng)的EER有直接影響：制冷劑流量隨工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速增加而增大，當(dāng)制冷劑流量過小時，蒸發(fā)器會出現(xiàn)干涸甚至過熱，冷凝器出口制冷劑過冷度增大，蒸發(fā)器前半段顯熱換熱比例增加，相變換熱比例降低，對換熱不利；當(dāng)制冷劑流量過大時，系統(tǒng)內(nèi)部流動阻力大幅增加，換熱器內(nèi)部壓差增大，導(dǎo)致蒸發(fā)器入口制冷劑過冷度增大，顯熱換熱比例上升，同樣不利于換熱，使EER隨著工質(zhì)泵功率的增加而降低。實際運行時，考慮到工質(zhì)泵和風(fēng)機(jī)電機(jī)的工頻都是50 Hz，工質(zhì)泵的運行頻率區(qū)間設(shè)為30～50 Hz，室內(nèi)風(fēng)機(jī)的運行頻率也是30～50 Hz。

目標(biāo)溫度依數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)責(zé)人的要求設(shè)定為22 ℃，機(jī)房最低允許溫度為18 ℃，最高允許溫度為26 ℃，據(jù)前述控制系統(tǒng)的控制策略來進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外前文提到，機(jī)組換熱量在定頻運轉(zhuǎn)時與室內(nèi)外溫差近乎呈線性關(guān)系，由于室內(nèi)目標(biāo)溫度為22 ℃不變，故室外溫度與機(jī)組換熱量近乎線性相關(guān)。室內(nèi)溫度為22 ℃時，經(jīng)實驗驗證，12 ℃的啟動溫差能夠滿足室內(nèi)冷量的需求，故設(shè)定室外溫度低于10 ℃為機(jī)組啟動溫度，即室外溫度小于10 ℃時機(jī)組通電運行。機(jī)組運行時，室外風(fēng)機(jī)一臺常開，另一臺在室外溫度大于0 ℃時開啟，小于0 ℃時關(guān)閉，同時設(shè)有1 ℃的報警回差，以防室外溫度在報警溫度附近波動時造成室外風(fēng)機(jī)頻繁啟停。

表2 工質(zhì)泵功率隨頻率變化表

表3 風(fēng)機(jī)功率及風(fēng)速隨頻率變化表

2 測試儀表及測試方法

2.1 儀表參數(shù)

使用的儀器主要參數(shù)列于表4中。

2.2 測試方法

泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組的現(xiàn)場測試照片如圖2所示。對機(jī)組的運行性能進(jìn)行測試時須直接測量的量為：室外環(huán)境溫度(共2個測點取平均值)、室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度(共8個測點取平均值)、室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度(共8個測點取平均值)、室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口尺寸、機(jī)組總功率、出風(fēng)口空氣流速。其中，室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口尺寸即室內(nèi)風(fēng)機(jī)尺寸為已知量，機(jī)組總功率由三相電參數(shù)采集模塊實時讀取，出風(fēng)口空氣流速由風(fēng)速儀實時采集，室外環(huán)境溫度和室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫度由熱電偶采集并送入數(shù)據(jù)采集器保存。在測點布置方面，由于室內(nèi)風(fēng)機(jī)是軸流式風(fēng)機(jī)，因此室內(nèi)機(jī)的正面和背面可分別視為出風(fēng)側(cè)和進(jìn)風(fēng)側(cè)，理想情況下，室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度等于室內(nèi)溫度，室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度就是室內(nèi)風(fēng)機(jī)出風(fēng)溫度。實際測量時，室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度的8個測點分別布置在2臺風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，每臺風(fēng)機(jī)上下左右呈90°選定4個點，每點布置一個；室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度的8個測點分別布置在室內(nèi)機(jī)背面與出風(fēng)溫度測點對應(yīng)的位置。須間接測量的量為：室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差、室內(nèi)機(jī)送風(fēng)風(fēng)量、機(jī)組換熱量和機(jī)組EER。

表4 使用的儀表主要參數(shù)

圖2 泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組現(xiàn)場測試圖Fig.2 Field test figure of the pump-driven two phase cooling unit

直接測量量測得后，可對間接測量量進(jìn)行如下計算，室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)平均溫差為：

(1)

式中：tii為室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)平均溫度，℃；toj為室內(nèi)機(jī)出風(fēng)平均溫度，℃。

2 臺室內(nèi)風(fēng)機(jī)總送風(fēng)風(fēng)量為：

M=2ρv(0.25πd2-l2)

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；v為空氣流速，m/s；d為室內(nèi)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口直徑，m；l為風(fēng)機(jī)中心正方形電機(jī)邊長，m。

計算機(jī)組換熱量時，由于本機(jī)組為全回風(fēng)機(jī)組，對室內(nèi)相對濕度影響很小，潛熱換熱可以忽略不計，故認(rèn)為室內(nèi)只進(jìn)行顯熱換熱。

機(jī)組單位時間顯熱換熱量為：

Q0=cMΔt

(3)

式中：c為室溫下的空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；Δt為蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)溫差，℃。

機(jī)組EER為：

(4)

式中：P為機(jī)組運行功率，kW，直接由三相電參數(shù)采集模塊采集并記錄。

3 機(jī)組的測試結(jié)果與討論

圖3所示為泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組運行時換熱量隨室外溫度的變化。從圖中可以看出，在變頻控制下，機(jī)組換熱量與室外溫度之間并沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這主要是因為室內(nèi)風(fēng)機(jī)和泵的變頻能力使機(jī)組換熱量對室內(nèi)熱負(fù)荷存在匹配和響應(yīng)的關(guān)系。這一點從圖4所示機(jī)組功率隨室外溫度的變化上可以更清楚地觀察到。

圖3 機(jī)組換熱量隨室外溫度的變化Fig.3 Variation of the heat exchange amount of the unit with outdoor temperature

圖4 機(jī)組功率隨室外溫度的變化Fig.4 Variation of the unit′s power with outdoor temperature

圖5 機(jī)組EER隨室外溫度的變化Fig.5 Variation of the unit′s EER with outdoor temperature

圖5所示為泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組運行時EER隨室外溫度的變化。機(jī)組EER隨室外溫度變化的擬合函數(shù)式如下：

y=0.001 3x2-1.187 8x+16.714

(5)

通過-4～7 ℃的數(shù)據(jù)點擬合出EER隨著室外溫度的變化關(guān)系曲線(式(5))，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.971 9，曲線擬合程度較好，可以用于-5～10 ℃進(jìn)行近似計算。此函數(shù)式在下文按小時計算通過室外溫度擬合EER從而計算泵機(jī)組功率時用到。另外，-5 ℃以下的溫度區(qū)間內(nèi)，機(jī)組維持最低頻率運轉(zhuǎn)，機(jī)組功率維持在最低功率不變。

通過曲線可以算出：當(dāng)室外溫度為10 ℃時，機(jī)組的EER達(dá)到4.966，當(dāng)室外溫度達(dá)到0 ℃時，機(jī)組的EER高達(dá)16.714。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 機(jī)組運行情況

GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》指出信息機(jī)房內(nèi)的溫度和濕度分別可以劃分為3類，如表5所示[15]。根據(jù)前述控制邏輯，室外溫度小于10 ℃時開啟泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組。機(jī)房保溫良好，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱以及輻射造成的熱負(fù)荷。

表5 機(jī)房環(huán)境溫濕度要求

泵驅(qū)動機(jī)組運行時，機(jī)房內(nèi)原有空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，由工質(zhì)泵機(jī)組獨立供冷。

經(jīng)實際運行測試發(fā)現(xiàn)，泵驅(qū)動機(jī)組單獨運行時，整個測量期間內(nèi)機(jī)組未發(fā)生室內(nèi)低溫報警和室內(nèi)高溫報警，室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度的平均值為22.491 ℃，此值近似等于室內(nèi)溫度，因此室內(nèi)溫度能夠達(dá)到目標(biāo)溫度，溫控精度較高，制冷效果良好，且對于室外溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)，機(jī)組換熱量與室內(nèi)熱負(fù)荷匹配良好。同時，由于機(jī)房內(nèi)沒有特定的濕源，而機(jī)組不引入新風(fēng)，濕負(fù)荷主要來自于滲入機(jī)房的外部空氣以及偶爾進(jìn)入機(jī)房的工作人員，散濕量小，在濕度控制和空氣潔凈度方面都不會對機(jī)房產(chǎn)生額外的負(fù)面影響?？梢?，采用泵驅(qū)動機(jī)組對機(jī)房進(jìn)行散熱能滿足機(jī)房熱負(fù)荷需求。

4.2節(jié)能降耗情況

要計算節(jié)能量，首先需要計量機(jī)房原有空調(diào)耗電量。對機(jī)房原有空調(diào)進(jìn)行電量計量發(fā)現(xiàn)，原有空調(diào)的調(diào)節(jié)方式為開停調(diào)節(jié)，其滿載運行時平均功率為3.379 kW，壓縮機(jī)等部件停止時的平均功率為1.010 kW，空調(diào)功率與室外溫度之間沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，故通過測量平均功率的方法來估算機(jī)房能耗量。在11月至次年7月期間，分別取3 d時間對機(jī)房原有空調(diào)進(jìn)行電量監(jiān)測，取其平均值作為原有空調(diào)當(dāng)月功率，各月空調(diào)平均功率匯總?cè)鐖D6所示。8月平均氣溫與7月相近，秋季平均氣溫與春季相近，故用相應(yīng)月份的平均功率代替8，9和10三個月各自的功率。由此可估算原有空調(diào)全年平均功率約為2.594 kW。

圖6 機(jī)房原有空調(diào)各月份平均功率Fig.6 Monthly average power of original air-conditioning unit of data center

通過《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》可得，北京地區(qū)各溫度區(qū)間的小時數(shù)如表6所示[16]。全年共8 760 h，其中有3 641 h小于10 ℃，集中出現(xiàn)在11月份至次年3月份之間，在此區(qū)間內(nèi)可以使用泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組進(jìn)行機(jī)房降溫，期間機(jī)房原有空調(diào)平均功率估算值為2.368 kW，可算得3 641 h共耗電8 621.89 kW·h。按機(jī)房原有空調(diào)全年平均功率2.594 kW計算可得，全年耗電22 723.44 kW·h。

表6 北京地區(qū)處于每個溫度區(qū)間的時間

為了計算每個溫度區(qū)間使用泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組降溫時的耗電量，本文取每個溫度區(qū)間的中間值為此區(qū)間溫度，將各中間值代入式(5)中可計算不同室外溫度下冷卻機(jī)組運行時的EER，另外從圖3可以看出，機(jī)組換熱量在8～10 kW之間波動，在此取其平均換熱量為機(jī)房熱負(fù)荷，約為9 kW，結(jié)合EER和機(jī)房熱負(fù)荷可以算出機(jī)組功率，從而求得相應(yīng)溫度區(qū)間的耗電量，進(jìn)而求和得到總耗電量，如表7所示。需要注意的是，機(jī)組變頻器下限為30 Hz，故機(jī)組總功率下限為0.391 kW，計算功率小于此功率時一律按此功率值計算。

表7 不同室外溫度下機(jī)組耗電量計算

由表7可知，使用泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組后總耗電量為2 537.721 kW·h，比使用機(jī)房原有空調(diào)節(jié)電6 084.17 kW·h，降低能耗70.57%。在室外溫度高于10 ℃使用原有空調(diào)的情況下，全年節(jié)能率達(dá)26.77%。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一套泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組的控制系統(tǒng)，并測試了應(yīng)用此控制系統(tǒng)的冷卻機(jī)組在氣溫低于10 ℃時替代機(jī)房原有空調(diào)(一間小型數(shù)據(jù)機(jī)房)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的使用效果。

結(jié)果表明：整個測試期間機(jī)組運行穩(wěn)定，工作可靠，機(jī)房內(nèi)部冷卻效果良好，且室內(nèi)環(huán)境溫度能夠保持在要求的溫度范圍內(nèi)。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)目標(biāo)溫度設(shè)定為22 ℃時，該數(shù)據(jù)機(jī)房安裝泵驅(qū)動兩相冷卻機(jī)組后，每年可節(jié)省電量6 084.17 kW·h，冷卻機(jī)組代替機(jī)房原有空調(diào)使用時的節(jié)電率為70.57%，全年節(jié)能率約26.77%。另外，當(dāng)室內(nèi)目標(biāo)溫度設(shè)定為更高值時，作為機(jī)組啟動條件的室外溫度相應(yīng)上升，節(jié)能率可進(jìn)一步提高。

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About the corresponding author

Zhou Feng, male, research assistant, Lab of Refrigeration, Beijing University of Technology, +86 10-67391613, E-mail: zhoufeng@bjut.edu.cn. Research fields: environment protection and energy-saving technology of refrigeration and air-conditioning, waste heat recovery technology, energy-saving technology of heat pipe.

Experimental Investigation on a Pump-driven Two Phase Cooling Unit and Its Energy Saving Effect

Wang Xuan Ma Guoyuan Zhou Feng

(Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China)

Compared with the traditional vapor compression air conditioner, the pump-driven two phase cooling unit has a great potential in energy saving of data centers for it consumes less power and has a higher energy efficiency ratio when air temperature is low. However, insufficient control strategies not only hinder the improvement of performance, but also influence the accuracy of indoor temperature controlling, which limits the practical application. For a better application on small data centers, this paper designs a control system for the pump-driven two phase cooling unit, and studies its operating performance using in a small data center. This paper also fits the operating characteristic curves and makes an energy saving analysis. The results show that when the set point of indoor temperature is 22 ℃, the pump-driven system can fit the heat load well and get a good energy saving effect under the condition of an outdoor temperature of 10 ℃ or lower, and it can achieve at least a ratio of 26.77% on energy saving comparing with the existing air conditioner of the data center.

air conditioning; energy saving; data center; pump-driven; natural cooling

0253- 4339(2017) 02- 0082- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.082

國家自然科學(xué)基金(51376010、51406002)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51376010 & No. 51406002).)

2016年7月13日

TB61+1;TU831.3;TP308

A

周峰，男，助理研究員，北京工業(yè)大學(xué)制冷實驗室，(010)67391613，E-mail: zhoufeng@bjut.edu.cn。研究方向：制冷空調(diào)環(huán)保節(jié)能技術(shù)、余熱回收技術(shù)、熱管節(jié)能技術(shù)。