王 絢 馬國(guó)遠(yuǎn) 周 峰

(北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124)

泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻機(jī)組及其節(jié)能效果實(shí)驗(yàn)研究

王 絢 馬國(guó)遠(yuǎn) 周 峰

(北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124)

當(dāng)氣溫較低時(shí)，泵驅(qū)動(dòng)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(duì)其實(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)的運(yùn)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(shí)，采用此機(jī)組對(duì)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(dòng)；自然冷卻

隨著社會(huì)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(zhǎng)的同時(shí)，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?jī)?nèi)設(shè)備全年運(yùn)轉(zhuǎn)，熱負(fù)荷較高，為了保證機(jī)房?jī)?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(yùn)行并維持一個(gè)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(duì)于我國(guó)大部分地區(qū)來(lái)說(shuō)，全年大部分時(shí)間室外環(huán)境溫度低于數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)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(yùn)行時(shí)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(duì)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(wú)法保證等問(wèn)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(diǎn)明顯。相較之下熱管自然冷卻方式則不存在上述缺點(diǎn)，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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shì)明顯的同時(shí)，常規(guī)的以毛細(xì)力或者重力為驅(qū)動(dòng)力的熱管也存在啟動(dòng)困難、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)條件苛刻等問(wèn)題[8]，為提高其驅(qū)動(dòng)力，部分研究人員提出了泵驅(qū)動(dòng)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(xiàng)目用機(jī)械泵CO2兩相流冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)采用泵驅(qū)動(dòng)熱管回路，同時(shí)在蒸發(fā)段入口前添加了一臺(tái)預(yù)熱器來(lái)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(duì)以CO2為工質(zhì)的泵驅(qū)動(dòng)兩相回路進(jìn)行了模擬仿真，開(kāi)發(fā)了基于MATLAB/Simulink的兩相傳熱模塊，搭建了機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)的兩相回路的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)校核了模型的可靠性。G.Yan等[11]設(shè)計(jì)了一種泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻/蒸氣壓縮式復(fù)合系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(wú)法充分發(fā)揮泵驅(qū)動(dòng)模式的冷卻效果，從而對(duì)系統(tǒng)整體性能造成了影響。張雙等[12-13]設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)研制的樣機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究表明：當(dāng)室內(nèi)外溫差為10 ℃時(shí)，機(jī)組COP為3.75；當(dāng)室內(nèi)外溫差為25 ℃時(shí)，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(guó)遠(yuǎn)等[14]對(duì)此機(jī)組用于某小型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)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(shí)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(yùn)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(shí)機(jī)組冷量過(guò)剩，而室外溫度較高時(shí)又存在冷量不足的可能性。對(duì)此，本文提出了一種機(jī)組運(yùn)行功率可自動(dòng)調(diào)節(jié)的泵驅(qū)動(dòng)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(yùn)行性能及節(jié)能效果進(jìn)行分析。

1 泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻機(jī)組及其控制系統(tǒng)

該泵驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(tái)風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)為R22。運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)泵將儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)房冷卻降溫。

1冷凝器；2儲(chǔ)液罐；3工質(zhì)泵；4蒸發(fā)器圖1 泵驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(dòng)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(hào)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(hào)為輸入值，以電流信號(hào)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(kāi)停調(diào)節(jié)為輔，不但考慮了室外溫度對(duì)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(tái)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(hào)，每臺(tái)溫控器上可分別設(shè)置目標(biāo)溫度和報(bào)警溫度。其中，2臺(tái)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(tái)溫控器接收室外溫度，用于控制室外風(fēng)機(jī)的開(kāi)停。室內(nèi)溫度控制器對(duì)變頻器的控制主要通過(guò)目標(biāo)溫度，溫控器采用PID算法，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度與目標(biāo)溫度的偏離量、偏離趨勢(shì)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(hào)后，輸出對(duì)應(yīng)大小的頻率，不過(guò)考慮到過(guò)高或過(guò)低的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率容易造成部件損毀，應(yīng)針對(duì)不同部件為變頻器設(shè)置不同的頻率區(qū)間。同時(shí)，室內(nèi)溫度控制器上設(shè)有室內(nèi)低溫報(bào)警點(diǎn)和室內(nèi)高溫報(bào)警點(diǎn)，當(dāng)室內(nèi)溫度低于機(jī)房最低允許溫度時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)室內(nèi)溫度高于機(jī)房最高允許溫度時(shí)，機(jī)組報(bào)警并開(kāi)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(duì)室外風(fēng)機(jī)開(kāi)停的調(diào)節(jié)主要通過(guò)設(shè)定報(bào)警溫度，將溫控器報(bào)警點(diǎn)設(shè)置為下限報(bào)警，當(dāng)室外溫度低于室外低溫報(bào)警溫度時(shí)，報(bào)警點(diǎn)發(fā)出信號(hào)電流，室外風(fēng)機(jī)接觸器接收此電流信號(hào)后斷開(kāi)，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(yùn)行狀況，并對(duì)出現(xiàn)異常的部件進(jìn)行報(bào)警。

表1 泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻機(jī)組主要控制部件

對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)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(guò)小時(shí)，蒸發(fā)器會(huì)出現(xiàn)干涸甚至過(guò)熱，冷凝器出口制冷劑過(guò)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(duì)換熱不利；當(dāng)制冷劑流量過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)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(guò)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(shí)際運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行頻率區(qū)間設(shè)為30～50 Hz，室內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外前文提到，機(jī)組換熱量在定頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，12 ℃的啟動(dòng)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(dòng)溫度，即室外溫度小于10 ℃時(shí)機(jī)組通電運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，室外風(fēng)機(jī)一臺(tái)常開(kāi)，另一臺(tái)在室外溫度大于0 ℃時(shí)開(kāi)啟，小于0 ℃時(shí)關(guān)閉，同時(shí)設(shè)有1 ℃的報(bào)警回差，以防室外溫度在報(bào)警溫度附近波動(dòng)時(shí)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(cè)試儀表及測(cè)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(cè)試方法

泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片如圖2所示。對(duì)機(jī)組的運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)須直接測(cè)量的量為：室外環(huán)境溫度(共2個(gè)測(cè)點(diǎn)取平均值)、室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度(共8個(gè)測(cè)點(diǎn)取平均值)、室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度(共8個(gè)測(cè)點(diǎn)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(shí)時(shí)讀取，出風(fēng)口空氣流速由風(fēng)速儀實(shí)時(shí)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(cè)點(diǎn)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(shí)際測(cè)量時(shí)，室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度的8個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置在2臺(tái)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，每臺(tái)風(fēng)機(jī)上下左右呈90°選定4個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)布置一個(gè)；室內(nèi)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度的8個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置在室內(nèi)機(jī)背面與出風(fēng)溫度測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置。須間接測(cè)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(dòng)兩相冷卻機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.2 Field test figure of the pump-driven two phase cooling unit

直接測(cè)量量測(cè)得后，可對(duì)間接測(cè)量量進(jìn)行如下計(jì)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(tái)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(zhǎng)，m。

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

機(jī)組單位時(shí)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(yùn)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(cè)試結(jié)果與討論

圖3所示為泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻機(jī)組運(yùn)行時(shí)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(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這主要是因?yàn)槭覂?nèi)風(fēng)機(jī)和泵的變頻能力使機(jī)組換熱量對(duì)室內(nèi)熱負(fù)荷存在匹配和響應(yīng)的關(guān)系。這一點(diǎn)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(dòng)兩相冷卻機(jī)組運(yùn)行時(shí)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(guò)-4～7 ℃的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jì)算。此函數(shù)式在下文按小時(shí)計(jì)算通過(guò)室外溫度擬合EER從而計(jì)算泵機(jī)組功率時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組功率維持在最低功率不變。

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

4 應(yīng)用效果分析

4.1 機(jī)組運(yùn)行情況

GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》指出信息機(jī)房?jī)?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(shí)開(kāi)啟泵驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)原有空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，由工質(zhì)泵機(jī)組獨(dú)立供冷。

經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，泵驅(qū)動(dòng)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)測(cè)量期間內(nèi)機(jī)組未發(fā)生室內(nèi)低溫報(bào)警和室內(nèi)高溫報(bào)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(duì)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(shí)，由于機(jī)房?jī)?nèi)沒(méi)有特定的濕源，而機(jī)組不引入新風(fēng)，濕負(fù)荷主要來(lái)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(huì)對(duì)機(jī)房產(chǎn)生額外的負(fù)面影響?？梢?jiàn)，采用泵驅(qū)動(dòng)機(jī)組對(duì)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(jì)算節(jié)能量，首先需要計(jì)量機(jī)房原有空調(diào)耗電量。對(duì)機(jī)房原有空調(diào)進(jìn)行電量計(jì)量發(fā)現(xiàn)，原有空調(diào)的調(diào)節(jié)方式為開(kāi)停調(diào)節(jié)，其滿載運(yùn)行時(shí)平均功率為3.379 kW，壓縮機(jī)等部件停止時(shí)的平均功率為1.010 kW，空調(diào)功率與室外溫度之間沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故通過(guò)測(cè)量平均功率的方法來(lái)估算機(jī)房能耗量。在11月至次年7月期間，分別取3 d時(shí)間對(duì)機(jī)房原有空調(diào)進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)，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(gè)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(guò)《中國(guó)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(shí)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(dòng)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(jì)算可得，全年耗電22 723.44 kW·h。

表6 北京地區(qū)處于每個(gè)溫度區(qū)間的時(shí)間

為了計(jì)算每個(gè)溫度區(qū)間使用泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻機(jī)組降溫時(shí)的耗電量，本文取每個(gè)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(jì)算不同室外溫度下冷卻機(jī)組運(yùn)行時(shí)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(dòng)，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(jì)算功率小于此功率時(shí)一律按此功率值計(jì)算。

表7 不同室外溫度下機(jī)組耗電量計(jì)算

由表7可知，使用泵驅(qū)動(dòng)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(jì)了一套泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻機(jī)組的控制系統(tǒng)，并測(cè)試了應(yīng)用此控制系統(tǒng)的冷卻機(jī)組在氣溫低于10 ℃時(shí)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(gè)測(cè)試期間機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，機(jī)房?jī)?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(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)目標(biāo)溫度設(shè)定為22 ℃時(shí)，該數(shù)據(jù)機(jī)房安裝泵驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)，作為機(jī)組啟動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金(51376010、51406002)資助項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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)。