新熱管型制冷劑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

王飛

WANG Fei

克萊門特制冷設(shè)備（上海）有限公司 上海 201419

Climaveneta Refrigeration Equipment(shanghai) Co., Ltd. Shanghai 201419

1 引言

通過對(duì)近年來數(shù)據(jù)中心用空調(diào)能耗分析，現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心PUE大約在1.8～2.5之間，其空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力在4%～69%之間，故而還有較大的優(yōu)化空間[1]。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排目標(biāo)，采用室外自然冷源是比較理想的方案，其中利用具有相變換熱能力的分離式熱管技術(shù)具有很好的節(jié)能效益，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力不同可將熱管分為重力型分離式熱管與動(dòng)力型分離式熱管，根據(jù)輸送工質(zhì)可分為液相熱管和氣相熱管。張海南、田長(zhǎng)青等[2-5]、王飛[6-14]等在三類分離式熱管技術(shù)在中小型機(jī)房、基站空調(diào)運(yùn)用進(jìn)行了分析、實(shí)驗(yàn)，得出了有價(jià)值的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。由于大型數(shù)據(jù)中心經(jīng)常采用冷凍水末端，便存在水進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的隱患，影響數(shù)據(jù)中心的安全性，現(xiàn)有技術(shù)中通過熱管背板可以避免該風(fēng)險(xiǎn)，即采取中間再次換熱方式，將載冷劑水的制冷量傳遞給背板蒸發(fā)器中的制冷劑，通過重力、動(dòng)力作用將第二載冷劑輸送至末端蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中間制冷散熱，損失了換熱效率，降低了實(shí)際蒸發(fā)溫度，同時(shí)現(xiàn)有熱管背板依靠重力循環(huán)，存在水平方向分液不均以及局部熱點(diǎn)問題。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心PUE降低的目標(biāo)，化解上述傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)存在的問題，需要構(gòu)思出新型數(shù)據(jù)中心冷卻方案，去除冷熱空氣摻混環(huán)節(jié)，最大化利用自然冷源，減少換熱環(huán)節(jié)，較高的回風(fēng)溫度使得空調(diào)系統(tǒng)具有較高蒸發(fā)溫度，并且系統(tǒng)蒸發(fā)溫度（熱管工作溫度）提高，能利用的自然冷源更多。其核心就是盡量減少常規(guī)壓縮制冷運(yùn)行時(shí)間甚至避免常規(guī)壓縮機(jī)運(yùn)行，盡量采用自然冷卻。中國(guó)地域遼闊，需要走一條具有中國(guó)特色數(shù)據(jù)中心冷卻道路，為尋找成本低廉、效率更好、適用性更強(qiáng)的數(shù)據(jù)中心冷卻方案，不斷優(yōu)化完善技術(shù)，筆者通過對(duì)分離式熱管技術(shù)、變?nèi)萘考夹g(shù)、多聯(lián)技術(shù)進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)具體數(shù)據(jù)中心需求，設(shè)計(jì)出一種新熱管型空調(diào)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為數(shù)據(jù)中心冷卻方案提供新的思考。

2 新熱管型機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心采用熱管背板冷卻思路一般為冷水機(jī)組+中間換熱器（板換）+熱管背板末端為數(shù)據(jù)中心散熱，原理圖如圖1（a）圖，主機(jī)可以是水冷、風(fēng)冷、蒸發(fā)冷，其功率包括風(fēng)機(jī)、水泵等；而從主機(jī)到數(shù)據(jù)中心需要通過水泵傳輸冷水，直到末端熱管背板，若不考慮電加熱、加濕系統(tǒng)，則對(duì)于采用熱管背板冷卻的數(shù)據(jù)中心，其空調(diào)冷卻系統(tǒng)總能耗就包括外側(cè)風(fēng)機(jī)、水泵、主機(jī)壓縮機(jī)、傳輸水泵以及內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)（若采用氟泵還需要加上氟泵功率）所有能耗，故而存在多重?fù)Q熱問題以及輸送能耗影響。數(shù)據(jù)中心在實(shí)際運(yùn)用過程中，需要盡量減小中間換熱過程、冷量輸送環(huán)節(jié)等，以便實(shí)現(xiàn)更高效節(jié)能。如圖1（b）圖所示的新熱管型空調(diào)思路，其空調(diào)冷卻系統(tǒng)總能耗就包括外側(cè)風(fēng)機(jī)、水泵、傳輸水泵、主機(jī)壓縮機(jī)（若采用氟泵還需要加上氟泵功率）以及內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)的能耗。

設(shè)計(jì)如圖2所示，為可運(yùn)行多種模式的新熱管型空調(diào)系統(tǒng)，其中制冷劑泵可以放置在高壓側(cè)與低壓側(cè)兩種情況，可根據(jù)具體適用場(chǎng)景布置。圖2（a）示出了制冷劑泵設(shè)置在高壓側(cè)系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器（冷凝器可以是風(fēng)冷、水冷或者蒸發(fā)冷卻）、儲(chǔ)液器、制冷劑泵、節(jié)流裝置、背板蒸發(fā)器以及旁通閥構(gòu)成（若冷凝器與蒸發(fā)器具有足夠的高度差，可實(shí)現(xiàn)重力熱管循環(huán)），系統(tǒng)可切換運(yùn)行液相熱管模式（或重力熱管模式）、混合循環(huán)模式以及制冷循環(huán)模式。背板蒸發(fā)器與電子膨脹閥設(shè)置為一體，制冷劑泵驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)制冷劑輸送至末端背板蒸發(fā)器，系統(tǒng)可切換運(yùn)行液相熱管（或重力熱管）、混合循環(huán)以及制冷循環(huán)模式，高壓側(cè)制冷劑泵克服管路阻力，適用性更強(qiáng)。系統(tǒng)直接將低溫低壓制冷劑輸送至末端蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)制冷，不僅解決了水直接進(jìn)入數(shù)據(jù)中心給數(shù)據(jù)中心帶來的安全隱患，還化解了傳統(tǒng)冷水機(jī)組中間換熱的不足。同時(shí)通過引入制冷劑泵補(bǔ)償壓縮機(jī)在低壓比下壓頭不足，強(qiáng)化壓縮機(jī)電機(jī)冷卻，強(qiáng)化循環(huán)，解決重力熱管無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)背板蒸發(fā)器在水平方向上分液均勻的問題。

以室外風(fēng)冷冷凝器為例，當(dāng)室外空氣溫度T＞T2，系統(tǒng)運(yùn)行制冷模式，此時(shí)旁通閥關(guān)閉，由壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液器、制冷劑泵、節(jié)流裝置、背板蒸發(fā)器以及氣液分離器構(gòu)成制冷循環(huán)為末端提供制冷量，若制冷劑泵進(jìn)口、出口處設(shè)置一個(gè)旁路閥，此時(shí)可以關(guān)閉制冷劑泵，打開旁路閥，更加節(jié)能；當(dāng)室外空氣溫度T2≥T≥T1，系統(tǒng)運(yùn)行混合模式，旁通閥關(guān)閉，壓縮機(jī)、液泵同時(shí)工作實(shí)現(xiàn)按需制冷，此時(shí)最大化利用自然冷源，通過壓縮機(jī)增壓補(bǔ)償作用，最大化構(gòu)建出近似氣相熱管循環(huán)，在通過制冷劑泵輸送作用，實(shí)現(xiàn)按需制冷；當(dāng)室外空氣溫度T＜T1，系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷分別運(yùn)行液相熱管模式（或重力熱管模式），當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷較小時(shí)，并且系統(tǒng)冷凝器與蒸發(fā)器具有足夠的高度差，具備實(shí)現(xiàn)重力熱管循環(huán)能力時(shí)，旁通閥打開，系統(tǒng)運(yùn)行重力熱管循環(huán)模式，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，控制風(fēng)冷換熱器的換熱能力使冷量與熱負(fù)荷相匹配；當(dāng)重力驅(qū)動(dòng)力不足或重力熱管制冷量無法滿足室內(nèi)負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行液相熱管模式時(shí)，此時(shí)旁通閥打開，系統(tǒng)運(yùn)行液相熱管循環(huán)，保證充足的制冷量供給末端，控制風(fēng)冷換熱器的換熱能力使冷量與熱負(fù)荷相匹配，其中設(shè)定溫度T1以及T2可根據(jù)系統(tǒng)換熱器大小以及蒸發(fā)溫度而定，如風(fēng)冷系統(tǒng)T2≥20℃，T1≥5℃。

圖1背板機(jī)房空調(diào)冷卻散熱原理圖

圖2新熱管制冷劑型機(jī)組系統(tǒng)原理

圖3樣機(jī)工作原理圖

圖4新熱管制冷劑型系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5樣機(jī)在全國(guó)7個(gè)城市應(yīng)用時(shí)的AEER

為適用于全國(guó)各地區(qū)以及充分發(fā)揮各地區(qū)自然冷源優(yōu)勢(shì)，風(fēng)冷型系統(tǒng)可根據(jù)全國(guó)各地區(qū)自然冷源優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步優(yōu)化，如采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，補(bǔ)償風(fēng)冷系統(tǒng)在過渡季節(jié)以及夏季運(yùn)行效率的不足；或在水源充足地區(qū)，尤其是低溫水源豐富地區(qū)，采用水冷，使得機(jī)組全年幾乎運(yùn)行在熱管模式下，大幅減少制冷循環(huán)模式時(shí)間，提高系統(tǒng)能效，甚至在部分地區(qū)可以完全不需要運(yùn)行壓縮機(jī)。而對(duì)于自然條件不具足的地區(qū)，如廣州等地區(qū)建立數(shù)據(jù)中心仍需要這類多模式運(yùn)行的機(jī)組實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3 新熱管型機(jī)房空調(diào)機(jī)組模擬與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述原理高壓側(cè)制冷劑泵方案設(shè)計(jì)一臺(tái)60冷噸的新熱管型風(fēng)冷磁懸浮樣機(jī)以及熱管背板末端，由于磁懸浮壓縮機(jī)在低壓縮比運(yùn)行時(shí)，存在壓差不足導(dǎo)致制冷劑無法進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行電機(jī)冷卻，故而需要增加制冷劑泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電機(jī)冷卻，同時(shí)強(qiáng)化系統(tǒng)循環(huán)，故而樣機(jī)匹配了制冷劑泵，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，壓縮機(jī)同樣采用丹佛斯天磁TT300系列，制冷劑采用R134a，探究樣機(jī)切換溫度條件，機(jī)組壓縮機(jī)COP、制冷劑泵COP以及整機(jī)EER，測(cè)試蒸發(fā)溫度在15℃、18℃下的機(jī)組性能，由于實(shí)驗(yàn)資源有限，將主機(jī)跟背板末端分開測(cè)試，如圖3為樣機(jī)原理圖。

對(duì)于樣機(jī)，從制冷劑泵出口旁通一部分制冷劑輸送至壓縮機(jī)電機(jī)冷卻口進(jìn)行電機(jī)冷卻，一般而言，磁懸浮壓縮機(jī)COP隨著蒸發(fā)溫度升高、冷凝溫度降低而增加，同時(shí)磁懸浮壓縮機(jī)存在最佳運(yùn)行COP點(diǎn)，如果偏離這個(gè)最佳COP點(diǎn)，則壓縮機(jī)COP會(huì)出現(xiàn)一定衰減。故而在隨著室外溫度降低，冷凝溫度降低，或者服務(wù)器未處于滿載工作，數(shù)據(jù)中心負(fù)荷出現(xiàn)衰減，為了實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)需要降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，就有可能偏離最佳運(yùn)行COP點(diǎn)導(dǎo)致效率衰減，尤其是低壓縮比工況（壓縮機(jī)作為氣泵使用工況），衰減程度更加嚴(yán)重，通過引入制冷劑泵可以彌補(bǔ)壓縮機(jī)的不足。

對(duì)于風(fēng)冷磁懸浮主機(jī)，末端采用室內(nèi)37℃回風(fēng)的熱管背板末端進(jìn)行15℃、18℃蒸發(fā)溫度性能實(shí)驗(yàn)，由于末端采用多聯(lián)式，故而只測(cè)試其中一個(gè)末端性能，并將整個(gè)主機(jī)+熱管背板末端（包括一臺(tái)主機(jī)以及10臺(tái)熱管背板末端）的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中在室外全工況下，當(dāng)主機(jī)采用15℃蒸發(fā)溫度時(shí)，在室外5℃時(shí)，機(jī)組通過液泵熱管模式滿負(fù)荷運(yùn)行制冷量也達(dá)到了182kW，故而默認(rèn)在室外5℃及更低溫度時(shí)運(yùn)行液相熱管模式替代制冷模式，而在室外25℃以內(nèi)時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行壓縮比較低，機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行在混合模式。當(dāng)機(jī)組采用18℃蒸發(fā)溫度時(shí)，機(jī)組在室外10℃時(shí)即可運(yùn)行液泵熱管模式，制冷量也達(dá)到191kW。將機(jī)組在室外全工況下實(shí)驗(yàn)以及模擬數(shù)據(jù)繪制曲線如圖4所示。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及模擬數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，整機(jī)在全工況下制冷量都在200kW左右，基本滿足了制冷量要求。其中18℃蒸發(fā)溫度工況下機(jī)組的性能整體優(yōu)于15℃蒸發(fā)溫度工況，通過標(biāo)準(zhǔn)工況（室外35℃）整機(jī)EER顯示，算上室外風(fēng)機(jī)、氟泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)以及壓縮機(jī)所有功率，EER超過3.8，常規(guī)變頻列間機(jī)房空調(diào)EER一般為3.0～3.2之間，節(jié)能率超過20%，而隨著室外溫度降低，節(jié)能效果顯著，尤其室外溫度低于25℃以后，機(jī)組進(jìn)入混合模式時(shí)，其節(jié)能效益大幅提升。在室外10℃時(shí)，機(jī)組完全進(jìn)入液相熱管模式，其機(jī)組EER超過12，而在室外-5℃時(shí)，機(jī)組EER超過14，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)機(jī)房空調(diào)，將液泵驅(qū)動(dòng)的液相熱管系統(tǒng)高能效特性完全發(fā)揮出來。由于本次機(jī)組匹配的液泵滿負(fù)荷功率才0.8～1kW，當(dāng)磁懸浮壓縮機(jī)作為氣泵使用時(shí)，其COP最大也僅僅達(dá)到20；而采用液泵運(yùn)行時(shí)，其COP可以接近300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣泵；如果是采用重力熱管，機(jī)組EER在室外10℃時(shí)為13，在室外-5℃時(shí)為15，提升效果并不顯著，這是因?yàn)橐罕霉β史浅Ｐ?，在整機(jī)總功率占比很小。

對(duì)于30kW～50kW的中小型機(jī)房空調(diào)而言，液泵成本占比大，幾乎達(dá)到30%，推廣運(yùn)用難度較大；而對(duì)大型數(shù)據(jù)中心冷水機(jī)組而言，液泵成本占比很小，不到5%，甚至只有1%～2%，故而推廣較容易。

計(jì)算整機(jī)全年能效比AEER，在全國(guó)七個(gè)典型城市進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示，整機(jī)在北京地區(qū)采用15℃蒸發(fā)溫度時(shí)AEER達(dá)到8.47（圖中“AEER（15制冷劑）”），相較于常規(guī)機(jī)房空調(diào)而言，節(jié)能率大幅提升，而采用18℃蒸發(fā)溫度時(shí)AEER達(dá)到9.54（圖中“AEER（18制冷劑）”），在全國(guó)7個(gè)典型城市綜合分析來看，新熱管型空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，非常適用于大型數(shù)據(jù)中心冷卻散熱。上述系統(tǒng)如果采用水冷或蒸發(fā)冷，其能效會(huì)更進(jìn)一步提升，因?yàn)轱L(fēng)冷機(jī)組在標(biāo)況下冷凝溫度一般要48℃左右，而水冷則只有38℃左右，使得系統(tǒng)更趨近熱管循環(huán)，拓寬了上述熱管型空提制冷系統(tǒng)的運(yùn)行溫區(qū)，提高了整機(jī)能效。

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有中小型數(shù)據(jù)機(jī)房以及大型數(shù)據(jù)中心在運(yùn)用自然冷卻技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為未來大型數(shù)據(jù)中心冷卻提出新的解決方案，得到如下結(jié)論：

（1）新熱管型機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可運(yùn)行多種模式，充分利用室外自然冷源，并且化解了數(shù)據(jù)中心水的安全隱患，提高了換熱效率以及自然冷源利用率，為數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排提供新的途徑。

（2）對(duì)于中小型數(shù)據(jù)機(jī)房，液泵成本占比大，性能未能得到充分發(fā)揮，并存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先選擇可變轉(zhuǎn)速帶氣相熱管性能的壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)中小型數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排。大型數(shù)據(jù)領(lǐng)域，制冷劑泵成本占比很小，制冷劑泵高COP的特性被完全發(fā)揮，故而具有很好的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，推廣容易。

（3）新熱管型機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)充分發(fā)揮液相熱管高COP優(yōu)勢(shì)，克服磁懸浮壓縮機(jī)低壓比工況COP難以超越30的不足，化解低圧縮比能量調(diào)節(jié)不足，補(bǔ)償?shù)蛪罕葔侯^不足以及化解多末端分液不均問題，節(jié)能效率高。