摘要：設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)中心自然冷卻用泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組，并介紹該機(jī)組的構(gòu)成和工作原理，針對(duì)研制的樣機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并較全面地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：當(dāng)室內(nèi)外溫差為10 ℃時(shí)，機(jī)組能效比COP為5.88；當(dāng)室內(nèi)外溫差為18 ℃時(shí)，機(jī)組COP可達(dá)10.41；當(dāng)系統(tǒng)質(zhì)量流量在一定范圍變化時(shí)，即工質(zhì)氣化率在2%～50%范圍內(nèi)，機(jī)組換熱量沒有顯著變化，且換熱量與室內(nèi)外溫差近似呈線性關(guān)系；同時(shí)系統(tǒng)阻力越大，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差越大，顯熱換熱量所占比例也越大。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心節(jié)能；回路熱管；自然冷卻

中圖分類號(hào)：TU831.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0145-06

隨著信息化水平的不斷提高，各類數(shù)據(jù)中心數(shù)量快速得到增長(zhǎng)，由此帶來(lái)了數(shù)據(jù)中心的耗電量急劇上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年中國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)700億kW·h，已經(jīng)占到全社會(huì)用電量的15%^[1]。在數(shù)據(jù)中心總能耗中，IT設(shè)備占46%，空調(diào)能耗占31%，不間斷電源占8%，照明占4%，其他占11%^[2]。因此，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的首要任務(wù)。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)目前有機(jī)械制冷和自然冷卻2種方式。在機(jī)械制冷方式下，綜合利用各種節(jié)能手段，可以降低空調(diào)系統(tǒng)用電量20%～50%，將空調(diào)系統(tǒng)用電量占機(jī)房總耗電量的比例降低至30%左右，說(shuō)明機(jī)械制冷對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE（Power Usage Effectiveness 電能利用效率）降低的潛力有限^[3]。而目前，雅虎“雞窩”式數(shù)據(jù)中心PUE 1.08，F(xiàn)acebook數(shù)據(jù)中心PUE1.15，谷歌的比利時(shí)數(shù)據(jù)中心PUE 1.16，惠普英國(guó)溫耶德數(shù)據(jù)中心PUE 1.16，微軟都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心PUE 1.25，這企業(yè)的數(shù)據(jù)中心PUE如此之低的主要原因是由于它們最大限度地使用自然冷卻方式為機(jī)房降溫^[4]。

在自然冷卻系統(tǒng)中有直接新風(fēng)冷卻方式^[5-8]，間接新風(fēng)冷卻方式比直接新風(fēng)式種類要多，如與機(jī)械制冷結(jié)合的復(fù)合制冷模式^[9-10]，冷卻塔自然冷卻方式^[11-13]，整體式熱管換熱器^[14-17]，分離式熱管換熱器^[18]。間接新風(fēng)冷卻的載冷劑如果為單相顯熱冷卻，輸送工質(zhì)泵功率大，而利用相變換熱的熱管換熱器由于沒有機(jī)械驅(qū)動(dòng)力，蒸發(fā)器與冷凝器安裝條件受限制，同時(shí)系統(tǒng)的大型化也有難度。為了克服上述自然冷卻系統(tǒng)存在的不足，筆者設(shè)計(jì)出一種數(shù)據(jù)中心自然冷卻用泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組，本文詳細(xì)介紹該機(jī)組的構(gòu)成和工作原理，針對(duì)研制的樣機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并較全面地實(shí)驗(yàn)研究。

張雙，等：數(shù)據(jù)機(jī)房自然冷卻用泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)研究

1泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組

設(shè)計(jì)的泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組的系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由工質(zhì)泵、室內(nèi)側(cè)并聯(lián)安放的4臺(tái)蒸發(fā)器、室外側(cè)并聯(lián)安放的3臺(tái)冷凝器、儲(chǔ)液罐以及連接管道等組成，將系統(tǒng)內(nèi)部抽真空后充注低沸點(diǎn)工質(zhì)，如R410A等。其工作過(guò)程是工質(zhì)泵將過(guò)冷工質(zhì)輸送到蒸發(fā)器，工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收室內(nèi)熱空氣的熱量，溫度升高并伴隨部分工質(zhì)汽化，即工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)既有顯熱換熱、又有相變吸熱，從蒸發(fā)器出來(lái)的兩相工質(zhì)流入冷凝器進(jìn)行冷凝放熱，工質(zhì)將自身攜帶的熱量散到大氣中而變?yōu)檫^(guò)冷液體，液體匯集到儲(chǔ)液罐后被吸入工質(zhì)泵中進(jìn)入下一次循環(huán)。這樣，當(dāng)室外氣溫低于室內(nèi)空氣溫時(shí)，泵驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，就可以將室內(nèi)側(cè)IT設(shè)備的發(fā)熱量，攜帶到室外并散發(fā)給周圍的冷空氣。在這一過(guò)程中，工質(zhì)既有顯熱換熱、又有潛熱換熱。

從以上分析可以看出，這種自然冷卻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）由于機(jī)房?jī)?nèi)部為相變冷卻，提升了換熱效果，工質(zhì)泵流量小，系統(tǒng)阻力小，因而泵功率遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)的功率，具有明顯節(jié)能效益；2）泵的驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于重力，能適應(yīng)較復(fù)雜的管路，因此蒸發(fā)器和冷凝器布置比較靈活，結(jié)構(gòu)形式可以多樣化；3）機(jī)房?jī)?nèi)部無(wú)需用水冷卻，消除機(jī)房?jī)?nèi)部漏水隱患，同時(shí)冬季室外不需要防凍措施； 4）系統(tǒng)構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，可靠性高，易操作維護(hù)，成本較低。冷卻系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)是：1）室外空氣溫度必須低于室內(nèi)空氣溫度閾值；2）系統(tǒng)阻力不宜過(guò)大；3）冷凝器相對(duì)于蒸發(fā)器高度不宜過(guò)大；4）等溫相變換熱熵產(chǎn)大于顯熱換熱熵產(chǎn)^[19]。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量

研制樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，室內(nèi)裝有4臺(tái)規(guī)格相同的蒸發(fā)器，機(jī)組吊裝在長(zhǎng)14 m、寬6 m、高3.5 m的測(cè)量房間內(nèi)，每臺(tái)機(jī)組額定風(fēng)量2 700 m3/h。每臺(tái)機(jī)組工質(zhì)管路的進(jìn)出口安裝有壓力變送器和熱電偶，風(fēng)側(cè)進(jìn)出口各安裝3個(gè)熱電偶，測(cè)量進(jìn)出口風(fēng)溫；室內(nèi)負(fù)荷由共計(jì)34 kW的電加熱器提供，其中9 kW電加熱器2臺(tái)，2 kW電加熱器8臺(tái)；室外側(cè)處在一個(gè)密閉的空間內(nèi)，并且也有一套空氣處理系統(tǒng)，對(duì)冷凝器溫度進(jìn)行控制，能保證室外冷凝器的送風(fēng)參數(shù)滿足實(shí)驗(yàn)要求；室內(nèi)裝有濕度傳感器，室內(nèi)總供液管安裝有質(zhì)量流量計(jì)，且工質(zhì)進(jìn)出室內(nèi)的總管安裝壓力變送器和熱電偶；冷凝器、儲(chǔ)液罐和工質(zhì)泵放在室外，冷凝器共3臺(tái)，每臺(tái)冷凝器風(fēng)機(jī)都可以獨(dú)立控制，并用變頻器變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量，冷凝器風(fēng)量通過(guò)風(fēng)速儀測(cè)得，冷凝器風(fēng)側(cè)進(jìn)出口各安裝6個(gè)熱電偶；室內(nèi)風(fēng)機(jī)功率和冷凝器風(fēng)機(jī)功率通過(guò)功率變送器測(cè)得，50 Hz下，室內(nèi)風(fēng)機(jī)總功率為0.98 kW，冷凝器風(fēng)機(jī)總功率為1.14 kW；工質(zhì)泵進(jìn)出口裝有壓力變送器和熱電偶，工質(zhì)泵通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)工質(zhì)流量，泵功率由變頻器上的功率表測(cè)得。測(cè)量出的泵參數(shù)見表1。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1機(jī)組的換熱特性

在室外溫度7 ℃、室內(nèi)溫度25 ℃與室外溫度15 ℃、室內(nèi)溫度25 ℃兩種工況下，泵頻率為15 Hz時(shí)，通過(guò)測(cè)量得出的機(jī)組換熱量和能效比（COP）列于表3中。

從表3中可以看出，當(dāng)室內(nèi)外溫差在10 ℃時(shí)，機(jī)組換熱量為11.11 kW、COP為5.88，性能明顯優(yōu)于機(jī)械制冷的機(jī)房空調(diào) [20]。隨著室內(nèi)外溫差的增大，機(jī)組換熱量和COP快速上升，當(dāng)溫差為18 ℃時(shí)，機(jī)組換熱量為23.45 kW、COP達(dá)到10.41，基本是溫差為10 ℃時(shí)的1倍，利用該機(jī)組進(jìn)行自然冷卻換熱的優(yōu)勢(shì)變得更加明顯。因此，泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組具有顯著的節(jié)能特性，且室內(nèi)外溫差越大，節(jié)能效果越明顯，它在數(shù)據(jù)中心自然冷卻中的應(yīng)用潛力巨大。

4.2機(jī)組的質(zhì)量流量特性

在室外溫度為15和7 ℃時(shí)，機(jī)組蒸發(fā)器的換熱量隨工質(zhì)質(zhì)量流量的變化如圖2所示。從圖中可以看出，在室外溫度為15 ℃時(shí)，隨著質(zhì)量流量的減小，蒸發(fā)器換熱量幾乎沒有明顯變化，只是在泵的頻率為15～20 Hz時(shí)略有回升；而當(dāng)室外溫度為7 ℃時(shí)，隨著質(zhì)量流量的減小，蒸發(fā)器的換熱量先降低而后升高。造成這一現(xiàn)象的原因主要有以下2個(gè)：1）隨著系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量的降低，管道內(nèi)工質(zhì)側(cè)的傳熱系數(shù)先降低后逐漸增大；2）隨著流量的降低泵的功率迅速下降，見表1。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的系統(tǒng)工質(zhì)體積流量與質(zhì)量流量之間的關(guān)系如圖3所示。假設(shè)將系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)兩相流看作均相流，隨著質(zhì)量流量的降低，體積流量起初沒有顯著變化，均相流體積流速?zèng)]有增加；而隨著系統(tǒng)氣化率升高，單位體積工質(zhì)內(nèi)氣體所占比例增大，相同條件下，氣體的換熱系數(shù)要小于液體的換熱系數(shù)。因此，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)側(cè)的傳熱系數(shù)有所降低。而泵的頻率從25 Hz降低到15 Hz時(shí)，質(zhì)量流量繼續(xù)下降，而體積流量明顯上升，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)氣液混合流速提高，工質(zhì)速度的提高，降低了管道內(nèi)部邊界層的厚度，蒸發(fā)器內(nèi)傳熱系數(shù)上升。胡海濤等在研究純工質(zhì)的流動(dòng)沸騰換熱發(fā)現(xiàn)，純工質(zhì)R410A的傳熱系數(shù)隨著干度的增大先增大后減小^[21]，這也從另一方面印證了工質(zhì)干度在一定范圍內(nèi)增加有助于提高工質(zhì)側(cè)的換熱效果的分析結(jié)果。

從表1可以清除看出泵功率隨工質(zhì)流量的變化，50 Hz時(shí)泵功率為2.27 kW，而15 Hz時(shí)泵功率僅為0.23 kW，頻率從50 Hz降到15 Hz而泵功率降低了近10倍。由于系統(tǒng)選擇的是屏蔽泵，泵的發(fā)熱功率完全由循環(huán)介質(zhì)冷卻，本來(lái)冷卻室內(nèi)的冷量，卻需要部分冷量來(lái)冷卻泵的發(fā)熱，降低了蒸發(fā)器的換熱量。由于泵的功率變化范圍較大，導(dǎo)致在流量較小時(shí)，蒸發(fā)器的換熱量得到了小幅度提升。

圖4表示出工質(zhì)質(zhì)量流量與機(jī)組COP之間的關(guān)系。參照?qǐng)D2和4，隨著流量的降低，換熱量變化不大，而系統(tǒng)的COP卻升高一倍左右。COP上升的原因主要由于泵的功率降低，在50 Hz時(shí)，泵的功率為2.27 kW，而系統(tǒng)總的功率為4.30，占了總功率的一半以上，隨著頻率的降低，泵功率迅速下降，而系統(tǒng)換熱量卻沒有顯著變化，這就使系統(tǒng)COP迅速上升。對(duì)于工質(zhì)相變換熱，工質(zhì)流量在一定范圍變化，對(duì)系統(tǒng)換熱效果沒有明顯影響，而工質(zhì)的氣化率卻變化很大，如圖5所示。因此，相變換熱系統(tǒng)工質(zhì)流量的大小可以通過(guò)氣化率來(lái)確定。從圖5還可以看出，當(dāng)工質(zhì)的氣化率在2%～50%內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)的換熱量不會(huì)有顯著變化，而泵消耗的功率卻顯著降低，COP明顯提升，這也是泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

4.3機(jī)組的阻力特性

測(cè)量出機(jī)組工質(zhì)側(cè)阻力與蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差及顯熱占總換熱量的比例之間關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，隨著機(jī)組系統(tǒng)阻力增加，蒸發(fā)器進(jìn)出口工質(zhì)溫差增大。例如，阻力從0.23 bar增加到2.34 bar，蒸發(fā)器進(jìn)出口工質(zhì)溫差從2.59 ℃升至5.03 ℃。顯熱占蒸發(fā)器總換熱量的比例也隨系統(tǒng)阻力的增加而增大，例如，阻力從0.23 bar增加到2.34 bar，顯熱所占比例從5.90%升至46.33%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)室內(nèi)、外溫度一定時(shí)，工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器的溫度基本不變，系統(tǒng)阻力增加意味著蒸發(fā)器進(jìn)口壓力增大，這樣造成了蒸發(fā)器進(jìn)口的過(guò)冷度變大，因此，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差及顯熱所占比例均隨阻力增加而升高。

當(dāng)然，系統(tǒng)流量增加，也會(huì)使顯熱所占比例增大，但是，這種情況下蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差幾乎不變或略有減小。

可以推斷，如果系統(tǒng)阻力繼續(xù)增大話，蒸發(fā)器過(guò)冷度繼續(xù)增加，顯熱換熱比例繼續(xù)增大，最終變?yōu)槿@熱換熱。這也說(shuō)明，泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組的系統(tǒng)阻力不能過(guò)大。影響蒸發(fā)器過(guò)冷度的另一個(gè)原因是由于冷凝器與蒸發(fā)器的高度差產(chǎn)生，當(dāng)冷凝器過(guò)高時(shí)，會(huì)對(duì)蒸發(fā)器產(chǎn)生液柱靜壓力。因此，泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組應(yīng)用受限制的2個(gè)因素是：冷凝器高于蒸發(fā)器的高度差受限制；系統(tǒng)阻力不能過(guò)大。

4.4室內(nèi)外溫差與換熱量的關(guān)系

在泵功率為40 Hz的條件下，室內(nèi)溫度穩(wěn)定在25 ℃，實(shí)測(cè)出的室內(nèi)外溫差與換熱量之間的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，機(jī)組的換熱量和室內(nèi)外溫差幾乎呈線性關(guān)系，線形擬合出的函數(shù)關(guān)系式為y（kW）=1.28x（℃） -2.22。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的關(guān)系式可以看出，當(dāng)室內(nèi)外溫差為1.73 ℃時(shí)，機(jī)組的換熱量為零。這時(shí)因?yàn)?，冷凝器向大氣中散發(fā)的熱量包含泵的部分功率和室內(nèi)風(fēng)機(jī)的功率。冷凝器的換熱量要大于蒸發(fā)器的換熱量，當(dāng)室內(nèi)外溫差為1.73 ℃時(shí)，冷凝器的換熱量正好等于泵和室內(nèi)風(fēng)機(jī)這部分功率轉(zhuǎn)化成的熱量。如果泵與外界沒有熱量的交換，那么泵的功率最終全部轉(zhuǎn)化為熱量由冷凝器散出，且冷凝器風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱量也將由室外風(fēng)帶走，那么，冷凝器的換熱量=蒸發(fā)器的換熱量+（泵功率+室內(nèi)風(fēng)機(jī)功率）轉(zhuǎn)化成的熱量。從擬合式可以看出，2.22 kW就是泵和風(fēng)機(jī)消耗的功率轉(zhuǎn)化成的熱量。實(shí)驗(yàn)測(cè)出，40 Hz時(shí)泵功率為1.39，室內(nèi)風(fēng)機(jī)總功率為0.89，1.39+0.89=2.28>2.22。原因在于：泵置于室外，實(shí)際運(yùn)行時(shí)與外界有熱交換，另一方面，泵出口至室內(nèi)的管路沒有保溫，同樣也會(huì)向室外空氣散熱，也就是說(shuō)，這部分少量的熱量沒有通過(guò)冷凝器直接散發(fā)大氣中了。

機(jī)組換熱量與室內(nèi)外溫差之間的線性關(guān)系，為通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組換熱量來(lái)控制數(shù)據(jù)中心室內(nèi)溫度帶來(lái)了便利。當(dāng)室外溫度低時(shí)，數(shù)據(jù)中心的建筑結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷會(huì)降低，甚至是向外散熱出現(xiàn)負(fù)值，這時(shí)，數(shù)據(jù)中心總冷負(fù)荷變化不大或有所下降，而自然冷卻系統(tǒng)的機(jī)組換熱量卻近似線性上升，如果要想維持?jǐn)?shù)據(jù)中心溫度穩(wěn)定，需要調(diào)節(jié)自然冷卻系統(tǒng)降低換熱量。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)換熱為相變換熱時(shí)，系統(tǒng)工質(zhì)流量變化對(duì)換熱量沒有顯著影響，這就表明，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量并不能明顯改變系統(tǒng)的換熱量。剩下的可調(diào)條件為：1）冷凝器風(fēng)量；2）冷凝器臺(tái)數(shù)；3）蒸發(fā)器風(fēng)量。調(diào)節(jié)選擇依據(jù)：保證數(shù)據(jù)中心冷卻效果的前提下，使自然冷卻系統(tǒng)保持較高的COP。所以，自然冷卻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)順序?yàn)椋豪淠黠L(fēng)量；冷凝器臺(tái)數(shù)；蒸發(fā)器風(fēng)量。也就是說(shuō)，先通過(guò)冷凝器風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量，再通過(guò)冷凝器風(fēng)機(jī)的啟停調(diào)節(jié)冷凝器臺(tái)數(shù)，最后調(diào)節(jié)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

5結(jié)論

1）當(dāng)室內(nèi)外溫差為10 ℃時(shí)，泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組COP可達(dá)5.88，且隨溫差變大而快速升高。該機(jī)組能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)能效益顯著，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的重要技術(shù)手段。

2）系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量流量在一定范圍內(nèi)時(shí)，即當(dāng)工質(zhì)氣化率在5%～50%變化時(shí)，系統(tǒng)換熱量沒有顯著變化，而隨著系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量降低，系統(tǒng)阻力顯著下降，泵功率減小，換熱系統(tǒng)的COP升高。

3）室內(nèi)外溫差與系統(tǒng)換熱量幾乎呈線性關(guān)系，據(jù)此歸納出數(shù)據(jù)中心控制溫度的自然冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)順序?yàn)椋合韧ㄟ^(guò)冷凝器風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量，再通過(guò)冷凝器風(fēng)機(jī)的啟停調(diào)節(jié)冷凝器臺(tái)數(shù)，最后調(diào)節(jié)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

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（編輯王秀玲）