機械制冷/回路熱管一體式機房空調(diào)系統(tǒng)分析

董健

摘要：當今時代，節(jié)能減耗成了一個至關(guān)重要的問題，機房冷卻系統(tǒng)的耗能降低更是迫在眉睫的需要。想要解決此項問題，熱管自行冷卻是行之有效的方案之一。針對熱管自然冷卻在高溫氣候中需要機械制冷幫助作用的問題，挖掘熱管自然冷卻更多的減耗實力，文章對新穎的機械制/回路熱管一體式機房空調(diào)系統(tǒng)從原理出發(fā)，配合實驗測試，進行了分析與探討。將機械制冷及回路熱管通過三介質(zhì)換熱器聯(lián)合為整體，使得其能夠共同或獨自工作，同時消除舊式空調(diào)系統(tǒng)因電磁閥的切換而造成的穩(wěn)定性隱患。通過焓差室煙臺，我們對該空調(diào)系統(tǒng)的機能展開了測試，系統(tǒng)最佳充液率位于100%左右，所有運行模式方案都表現(xiàn)出優(yōu)秀的制冷能力，20℃溫差下，EER值在熱管模式中達到了20.9，在未來有著極其廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機房空調(diào)系統(tǒng)；機械制冷；熱管制冷；雙啟制冷

人類的生活因信息技術(shù)的崛起而日新月異，與此同時，以機房為代表的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也逐漸受到重視。大量機房的出現(xiàn)也帶來了愈發(fā)嚴重的能源問題。舊有的機械制冷/回路熱管一體式空調(diào)在氣候過渡的時間段，其節(jié)能效果遭到很大程度上的限制；而且亦有安全問題因電磁閥的頻繁開啟及閉合而產(chǎn)生。為使現(xiàn)有系統(tǒng)問題得到解決，本研究提供了一類對系統(tǒng)充液率進行提升的新式機械制冷/回路熱管一體式機房空調(diào)系統(tǒng)，并在不同工作狀況下對系統(tǒng)性能進行了實驗與測試。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖l所示。

機械制冷/回路熱管一體式機房空調(diào)系統(tǒng)由制冷回路和熱管回路這兩個主要部分組成。除蒸發(fā)器，其他設(shè)備裝置均搭建在室外。系統(tǒng)通過熱管回路和制冷回路兩者間不同的工作方案，組合出3種工作模式。模式的選用可視機房設(shè)定溫度及室外溫度的不同而確定。（l）制冷模式在周圍氣溫較高時工作，壓縮機開始運轉(zhuǎn)，機械制冷回路中的制冷工質(zhì)使得熱量從回路熱管工質(zhì)中向其轉(zhuǎn)移，機房產(chǎn)出的熱量在室內(nèi)蒸發(fā)器中被回路熱管回路的工質(zhì)吸收蒸發(fā)后流進三介質(zhì)蒸發(fā)器，從而進行進一步蒸發(fā)。（2）熱管模式在環(huán)境氣溫過低時啟動工作，壓縮機停止工作，這時只有風(fēng)機運轉(zhuǎn)，只有室外空氣通路中的冷空氣同回路熱管回路的工質(zhì)進行換熱冷凝，并在重力的作用下回流。（3）雙啟動模式在環(huán)境溫度適中時運作，壓縮機和三介質(zhì)換熱器的風(fēng)機開始運作，當回路熱管供冷不足時則使用冷卻材料和環(huán)境冷空氣共同冷卻熱管工質(zhì)，即由機械制冷進行跟進，與回路熱管共同制冷。

2 性能測試

此測試使用焓差實驗臺完成，室內(nèi)環(huán)境室中放置蒸發(fā)器，將其余裝置都置于室外環(huán)境室中。為克服內(nèi)部自然循環(huán)流動阻力，需使換熱器設(shè)備和蒸發(fā)器設(shè)備之間維持必要的高低差。實驗工作狀況如表1所示。

熱管模式下的制冷量多少是能夠代表系統(tǒng)性能的重要標準，熱管模式下的制冷量受到充液率的明顯影響，故研究的首要目標便為系統(tǒng)的最佳充液率。當環(huán)境溫度為17℃，機房內(nèi)溫度為27℃時，熱管模式下的制冷量因充液率增減而造成的變化如圖2所示。

熱管模式制冷量隨著充液率增加先上升后下降，當充液率低時，蒸發(fā)器壁面不能完全被液膜覆蓋，造成了過熱的情況，而當充液率過大會導(dǎo)致大量液體在蒸發(fā)器內(nèi)聚集，使得換熱過程無法完全進行。當充液率大約為l00%時制冷量最高，即最佳充液率的數(shù)值應(yīng)大約處于l00%。

據(jù)此將充液率設(shè)定為100%，熱管工作模式測試結(jié)果如圖3所示，制冷模式和雙啟工作模式測試結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖3顯示，熱管模式下，隨著內(nèi)外環(huán)境溫差的增加，系統(tǒng)制冷量接近線型增長，這種情況下除風(fēng)機外不存在其他設(shè)備耗能，故功率維持在0.3kW。當溫差在20℃時，制冷量為6.6 kW，能效比為20.9。自然冷卻能力充足且擁有較高的能效比。當室外溫度降低使得室內(nèi)外溫度差距增大時，制冷模式的制冷量也隨之微微上升。在實驗溫度區(qū)間內(nèi)，制冷量一直高于4.8 kW，能夠確保在夏季高溫情況下可靠的制冷能力。將機械制冷和室外自然制冷結(jié)合使用的雙啟動工作模式擁有最大的制冷量，在15℃的內(nèi)外環(huán)境溫差下，制冷量能夠達到8.0kW。制冷量根據(jù)內(nèi)外環(huán)境溫度差距的增加有一定的上升趨勢差與熱管模式的增大。

結(jié)合圖4圖5可判定，處于5℃環(huán)境溫度差值下，雙啟模式能夠帶來的制冷量并不如制冷模式優(yōu)秀。原因是處于雙啟饃式下時，若外部氣溫高于三介質(zhì)換熱器溫度，冷量反倒會因風(fēng)扇的開啟而導(dǎo)致流失。深入的測試表明，當內(nèi)外環(huán)境溫度差距小于7℃時會出現(xiàn)這種情況。故雙啟模式工作時環(huán)境溫度差值應(yīng)該高出臨界溫度值，以免帶來資源的無謂損耗。制冷工作模式中，當外環(huán)境溫度處于較高值，冷量會因三介質(zhì)換熱器與空氣自然對流而產(chǎn)生散失。這一過程中的冷量散失經(jīng)過測試不超過6%。在夏季或其他高溫時期，為減小冷量散失，應(yīng)將三介質(zhì)換熱器翅片覆蓋絕熱材料為宜。

3 結(jié)語

本研究對新穎的機械制冷/回路熱管一體式機房空調(diào)系統(tǒng)進行了分析與探討，發(fā)掘到其具有的優(yōu)秀適配性和節(jié)能功效，同時，通過實驗對該系統(tǒng)的機能進行了測試，系統(tǒng)的最佳充液率應(yīng)該位于100%上下，所有工作模式都表現(xiàn)出優(yōu)秀的制冷能力，20℃溫差下，EER值在熱管模式中達到了20.9，在未來有著極其廣泛的應(yīng)用前景。