薛 達(dá) 韓宗偉 孫曉晴 程新路 歷秀明

(東北大學(xué)冶金學(xué)院 沈陽(yáng) 110819)

伴隨5G移動(dòng)通信、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等快速發(fā)展，世界各地?cái)?shù)據(jù)中心數(shù)量已超過(guò)800萬(wàn)，消耗全球用電量約1.1%～1.5%[1]，因此數(shù)據(jù)中心的節(jié)能需求非常緊迫。在數(shù)據(jù)中心總能耗中，空調(diào)設(shè)備能耗約占40%[2]，目前常規(guī)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)冷卻效率低，自然冷源利用效果不充分，冷量輸配能耗大，冷卻效果不理想[3-4]。研究高效節(jié)能的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)，對(duì)于建立綠色數(shù)據(jù)中心和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義[5]。

充分利用自然冷源可以大量減少蒸氣壓縮制冷的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，大幅降低冷卻系統(tǒng)運(yùn)行能耗[6-7]。熱管自然冷卻技術(shù)通過(guò)制冷劑相變來(lái)強(qiáng)化傳熱[8]，與空氣冷卻和水冷冷卻相比冷量輸配效率更高，能耗更低[9]。同時(shí)，熱管技術(shù)不需要直接引入大量新風(fēng)，不會(huì)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的潔凈度造成影響，已經(jīng)發(fā)展成為最具潛力的數(shù)據(jù)中心自然冷卻方式之一[10]。Zhou Feng等[11]在小型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用了泵驅(qū)動(dòng)熱管冷卻系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)節(jié)能率在20.18%以上。熱管換熱技術(shù)雖展現(xiàn)出高效的節(jié)能性，但在高室外溫度時(shí)供冷嚴(yán)重不足，只能起到輔助蒸氣壓縮系統(tǒng)的作用[12]，因此將熱管冷卻與蒸氣壓縮制冷復(fù)合的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)成為目前的研究熱點(diǎn)[13-14]。張海南等[15-16]利用焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)機(jī)械制冷/回路熱管一體式機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示熱管模式COP在室內(nèi)外溫差為20 ℃時(shí)可達(dá)20.8。然而此復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的是重力型熱管系統(tǒng)，制冷效果受蒸發(fā)器和冷凝器高度差限制，冷量輸配損失較多。王鐵軍等[17]研發(fā)了利用泵驅(qū)動(dòng)熱管回路的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)相比全年節(jié)能率約為45%。該系統(tǒng)通過(guò)在熱管循環(huán)中加入氟泵來(lái)增強(qiáng)冷卻能力，冷凝器側(cè)采用風(fēng)冷冷卻形式，若在適宜條件下采用蒸發(fā)冷卻可進(jìn)一步提升運(yùn)行性能。

為了改善常規(guī)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，本文搭建了蒸發(fā)冷卻式氟泵驅(qū)動(dòng)熱管與蒸氣壓縮復(fù)合數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，與上述研究對(duì)比，該復(fù)合式數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)在冷量制備上，冷凝器兼具風(fēng)冷冷卻與蒸發(fā)冷卻，可根據(jù)室外工況的變化而變換適宜的冷卻形式。熱管與蒸氣壓縮模式共用部分管路與設(shè)備，利用閥門(mén)的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)模式切換，節(jié)約了成本，經(jīng)濟(jì)性較好。冷量輸配上，熱管模式利用制冷劑泵驅(qū)動(dòng)，有效增大了載冷密度。冷量供應(yīng)上，采用蒸發(fā)器融入機(jī)柜內(nèi)部的方式，氣流路徑較短，便于定量化與精確化的按需供冷。本文實(shí)驗(yàn)研究了不同運(yùn)行模式下，冷凝器冷卻形式、室外溫度與冷凝器風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響，可為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供一定參考。

1 系統(tǒng)運(yùn)行原理及實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成與運(yùn)行原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示，復(fù)合式數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)由蒸發(fā)式冷凝器、儲(chǔ)液器、壓縮機(jī)、電子膨脹閥、氣液分離器、油分離器、制冷劑泵及置于機(jī)柜內(nèi)部的風(fēng)冷蒸發(fā)器等組成。冷凝器由翅片管換熱器、風(fēng)機(jī)、填料、噴淋系統(tǒng)、進(jìn)風(fēng)柵、水槽與水泵組成，噴淋系統(tǒng)與換熱盤(pán)管分離開(kāi)，避免了換熱器被腐蝕和結(jié)垢。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

根據(jù)室外環(huán)境的變化，系統(tǒng)有4種模式：1)當(dāng)室外溫度較低時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)冷熱管模式，冷凝器噴淋水泵處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，室內(nèi)外溫差大，系統(tǒng)充分利用室外自然冷源，制冷量充足，也能防止循環(huán)水凍結(jié)。2)室外溫度上升會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)外傳熱溫差降低，風(fēng)冷熱管模式制冷量供應(yīng)不足時(shí)，開(kāi)啟水泵，系統(tǒng)運(yùn)行蒸發(fā)冷卻熱管模式。3)當(dāng)熱管模式的制冷量不滿(mǎn)足供冷需求時(shí)，關(guān)停制冷劑泵，啟動(dòng)壓縮機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行蒸氣壓縮制冷模式。為防止冷凝溫度過(guò)低導(dǎo)致膨脹閥供液不足，冷凝器首先采用風(fēng)冷冷卻。4)當(dāng)室外溫度較高時(shí)，開(kāi)啟冷凝器水泵，運(yùn)行蒸發(fā)冷卻蒸氣壓縮模式。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

本文提出的系統(tǒng)中，熱管模式與蒸氣壓縮模式共用蒸發(fā)器與冷凝器，其中熱管換熱模式是系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵，較大的傳熱面積可以延長(zhǎng)熱管模式運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱面積對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能有較大影響。室外溫度較高時(shí)，蒸氣壓縮制冷能力一般大于熱管制冷能力，傳熱面積只要能滿(mǎn)足熱管模式正常運(yùn)行，則通常符合蒸氣壓縮模式運(yùn)行條件。在考慮系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性后，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)換熱器首先按照蒸發(fā)冷卻式熱管工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)以蒸發(fā)冷卻式蒸氣壓縮工況進(jìn)行校核計(jì)算，使不同模式下的系統(tǒng)均能有效可靠運(yùn)行。

設(shè)計(jì)工況參數(shù)：數(shù)據(jù)中心內(nèi)的電子設(shè)備發(fā)熱量全年趨于穩(wěn)定，受環(huán)境影響較小。本文設(shè)定蒸發(fā)器總額定制冷量Qe為8 kW，與系統(tǒng)冷負(fù)荷一致。機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度和循環(huán)風(fēng)量受服務(wù)器冷卻需求的影響，可變化的范圍較小。在蒸發(fā)冷卻熱管模式下，室外空氣的設(shè)計(jì)干球溫度為15 ℃，相對(duì)濕度為30%，冷凝器進(jìn)出風(fēng)溫分別設(shè)為10 ℃和18 ℃，為滿(mǎn)足制冷需求，冷凝器空氣流量設(shè)為2 800 m3/h。柜進(jìn)出風(fēng)溫度分別設(shè)為30 ℃和22 ℃，則機(jī)柜的總進(jìn)風(fēng)量設(shè)為3 000 m3/h。為了保證蒸發(fā)器不結(jié)露，使機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器安全工作，蒸發(fā)溫度定為20 ℃，控制在露點(diǎn)溫度(10.54 ℃)以上。

經(jīng)蒸氣壓縮工況校核后，按照蒸發(fā)冷卻熱管模式設(shè)計(jì)后的蒸發(fā)器與冷凝器滿(mǎn)足蒸發(fā)冷卻蒸氣壓縮模式的換熱量要求，不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)均能夠可靠運(yùn)行。系統(tǒng)部件的主要參數(shù)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別如表1和圖2所示。

表1 系統(tǒng)主要部件參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為了減小流動(dòng)不均勻性帶來(lái)的測(cè)試誤差，盡可能多的在迎/背風(fēng)面均勻的布置測(cè)點(diǎn)，并取平均值。本實(shí)驗(yàn)在蒸發(fā)器迎/背風(fēng)面各選取9個(gè)測(cè)點(diǎn)，冷凝器翅片管換熱器迎風(fēng)面選取8個(gè)測(cè)點(diǎn)。用熱電偶測(cè)量蒸發(fā)器進(jìn)出口風(fēng)溫，熱線風(fēng)速儀測(cè)量冷凝器和蒸發(fā)器迎面風(fēng)速。測(cè)點(diǎn)采用等面積布點(diǎn)法，測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示，每隔10 s記錄一次讀數(shù)，取三次測(cè)量值的平均值作為該點(diǎn)的風(fēng)速或溫度值，以減少時(shí)間上的測(cè)量不確定度。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布

1)實(shí)驗(yàn)條件

(1)冷凝器置于焓差實(shí)驗(yàn)室，可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的精確控制。(2)變頻器可調(diào)節(jié)冷凝器風(fēng)機(jī)的風(fēng)速。(3)通過(guò)控制機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口電加熱器的功率，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)柜進(jìn)風(fēng)溫度穩(wěn)定在(30±0.1)℃。(4)按設(shè)計(jì)工況，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量定為3 000 m3/h，壓縮機(jī)、制冷劑泵與水泵的運(yùn)行頻率均為額定頻率50 Hz。

2)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保證蒸發(fā)器不出現(xiàn)結(jié)露，使機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器安全工作。蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣含濕量不變，機(jī)柜空氣熱量以顯熱形式傳遞給制冷劑。

3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x表參數(shù)如表2所示。(1)冷凝溫度與蒸發(fā)溫度分別為測(cè)得的冷凝器進(jìn)出口制冷劑平均壓力與蒸發(fā)器進(jìn)出口平均壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。(2)系統(tǒng)制冷量由機(jī)柜內(nèi)蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)溫差與機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量得出。進(jìn)出風(fēng)溫可由熱電偶測(cè)得，機(jī)柜進(jìn)風(fēng)量由迎面風(fēng)速、迎風(fēng)面積和空氣密度等參數(shù)得出。(3)系統(tǒng)COP由制冷量/總功耗得出。4種模式的總功耗依次包括：a.機(jī)柜風(fēng)機(jī)功耗、冷凝器風(fēng)機(jī)功耗、制冷劑泵功耗；b.機(jī)柜風(fēng)機(jī)功耗、冷凝器風(fēng)機(jī)功耗、制冷劑泵功耗、冷凝器水泵功耗；c.機(jī)柜風(fēng)機(jī)功耗、冷凝器風(fēng)機(jī)功耗、壓縮機(jī)功耗；d.機(jī)柜風(fēng)機(jī)功耗、冷凝器風(fēng)機(jī)功耗、壓縮機(jī)功耗、冷凝器水泵功耗。

表2 數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x表參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析系統(tǒng)在風(fēng)冷熱管模式、蒸發(fā)冷卻熱管模式、風(fēng)冷蒸氣壓縮模式、蒸發(fā)冷卻蒸氣壓縮模式下的運(yùn)行性能。一般冷凝器風(fēng)速的變化對(duì)該類(lèi)系統(tǒng)換熱性能和穩(wěn)定性影響較大，為了使系統(tǒng)在不同室外溫度下均能可靠運(yùn)行，將分析室外溫度和冷凝器風(fēng)速的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。考慮到冷凝器風(fēng)機(jī)最大風(fēng)速為4 m/s，選擇低(1.5 m/s)、中(2.5 m/s)、高(3.5 m/s)三檔風(fēng)速研究風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)性能影響，室外溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)間如表3所示。

表3 系統(tǒng)不同模式室外溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況范圍

2.1 熱管模式系統(tǒng)性能分析

熱管模式下，蒸發(fā)溫度與冷凝溫度隨室外溫度的變化如圖4所示。風(fēng)冷熱管模式下，冷凝器風(fēng)速一定時(shí)，當(dāng)室外溫度由-20 ℃升至10 ℃后，冷凝溫度tc與蒸發(fā)溫度te呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，蒸發(fā)溫度略高于冷凝溫度。值得注意的是，圖中標(biāo)出的結(jié)露線對(duì)應(yīng)的是蒸發(fā)器進(jìn)口空氣的露點(diǎn)溫度(蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度30 ℃，相對(duì)濕度30%)，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，降低冷凝器風(fēng)速能有效防止結(jié)露，風(fēng)速每降低1 m/s，蒸發(fā)溫度平均升高1.8 ℃。在1.5、2.5、3.5 m/s室外機(jī)風(fēng)速下，蒸發(fā)器分別在室外溫度為-5、-2.5、0 ℃時(shí)出現(xiàn)結(jié)露。低于上述溫度時(shí)，為防止結(jié)露，系統(tǒng)需要進(jìn)一步降低風(fēng)速。

圖4 熱管模式蒸發(fā)溫度與冷凝溫度的變化

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：1)室外溫度每升高5 ℃，風(fēng)速為1.5、2.5、3.5 m/s下的蒸發(fā)溫度分別平均升高2.3、2.1、1.8 ℃。2)在相同室外溫度條件下，冷凝器風(fēng)速的增大提高了換熱器表面的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，降低了冷凝器內(nèi)制冷劑與室外空氣間的傳熱溫差，導(dǎo)致冷凝溫度降低，蒸發(fā)溫度也隨之降低。3)當(dāng)蒸發(fā)溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，蒸發(fā)器結(jié)露會(huì)給服務(wù)器帶來(lái)安全隱患。

熱管模式下，制冷量與制冷劑流量隨室外溫度的變化如圖5所示。風(fēng)冷熱管模式的制冷劑質(zhì)量流量Mr隨室外溫度由-20 ℃升至10 ℃而增大，在低、中、高三檔風(fēng)速下，增幅分別為23.2%、21.6%、19.8%，同時(shí)，三種風(fēng)速下的制冷量分別降低了41.5%、37.8%與36.9%。當(dāng)室外溫度為10 ℃時(shí)，風(fēng)速為1.5 m/s與2.5 m/s下的系統(tǒng)制冷量已不能滿(mǎn)足8 kW的需求。

圖5 熱管模式制冷量與制冷劑質(zhì)量流量的變化

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷出：1)室外溫度的升高使制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器的運(yùn)動(dòng)黏度和比容降低，系統(tǒng)的總壓力損失降低，導(dǎo)致制冷劑流量逐漸變大。冷凝器風(fēng)速的改變對(duì)制冷劑流量的影響很小。2)雖然室外溫度升高使制冷劑流量增加，但蒸發(fā)溫度的升高大幅降低了蒸發(fā)器進(jìn)出口制冷劑焓差，室內(nèi)外傳熱溫差逐漸降低，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量顯著下降。當(dāng)室外溫度大于-10 ℃時(shí)，制冷量降幅增大。

風(fēng)冷熱管模式下，系統(tǒng)功耗與COP隨室外溫度的變化如圖6所示。當(dāng)室外溫度由-20 ℃升至10 ℃時(shí)，制冷劑泵功耗降低11.1%，這是因?yàn)槭彝鉁囟鹊纳呤怪评鋭囟壬撸评鋭┰谡舭l(fā)器和冷凝器的運(yùn)動(dòng)黏度和比容降低，因此制冷劑流動(dòng)阻力減小，從而降低了制冷劑泵功耗。風(fēng)機(jī)風(fēng)速一定，其功耗也穩(wěn)定。雖然此時(shí)的系統(tǒng)總功耗在降低，但由于制冷量隨著室外溫度的升高而大幅下降，最終導(dǎo)致系統(tǒng)COP也降低。當(dāng)室外溫度小于0 ℃時(shí)，低冷凝器風(fēng)速系統(tǒng)的COP更高。當(dāng)室外溫度為-20 ℃時(shí)，低、中、高檔風(fēng)速下系統(tǒng)COP分別為16.5、15.2和14.1。當(dāng)室外溫度高于0 ℃時(shí)，提高風(fēng)速有利于提升系統(tǒng)COP，風(fēng)速為2.5 m/s與3.5 m/s下的系統(tǒng)COP分別在室外溫度為0 ℃與5 ℃時(shí)開(kāi)始高于風(fēng)速為1.5 m/s下的系統(tǒng)COP。

圖6 風(fēng)冷熱管模式系統(tǒng)功耗與COP的變化

隨著室外溫度的升高，風(fēng)冷熱管模式逐漸供冷不足。為了延長(zhǎng)熱管模式運(yùn)行區(qū)間，系統(tǒng)運(yùn)行蒸發(fā)冷卻模式。蒸發(fā)冷卻熱管模式下，系統(tǒng)功耗與COP隨室外溫度的變化如圖7所示。將風(fēng)冷模式與蒸發(fā)冷卻模式進(jìn)行對(duì)比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

圖7 蒸發(fā)冷卻熱管模式系統(tǒng)功耗與COP的變化

1)蒸發(fā)冷卻熱管模式系統(tǒng)性能參數(shù)的變化規(guī)律與風(fēng)冷熱管模式相同，因?yàn)閮烧卟煌巸H在于冷凝器冷卻模式。

2)蒸發(fā)冷卻起到降低冷凝器冷卻風(fēng)溫的作用，進(jìn)而降低了冷凝溫度。

3)蒸發(fā)冷卻模式增加了循環(huán)水泵的功耗，水泵運(yùn)行頻率一定，水泵功耗也基本不變。

4)與風(fēng)冷熱管模式相比，在相同室外溫度與冷凝器風(fēng)速下，蒸發(fā)冷卻模式有更高的制冷量，由圖中的額定制冷量線可知，熱管模式室外溫度運(yùn)行上限從10 ℃提升至15 ℃。

5)相比于風(fēng)冷冷卻模式，蒸發(fā)冷卻模式雖增加了水泵的功耗，但降低了室外機(jī)中翅片管換熱器的進(jìn)風(fēng)溫度，增大了冷凝器側(cè)傳熱溫差，室外機(jī)冷卻效果增強(qiáng)，系統(tǒng)制冷量提高，因此系統(tǒng)COP得到提升。在室外溫度為5～10 ℃時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)由風(fēng)冷模式轉(zhuǎn)為蒸發(fā)冷卻模式后，在1.5、2.5、3.5 m/s風(fēng)速下該區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)平均COP分別增長(zhǎng)了15.5%、13.3%、17.9%。

2.2 蒸氣壓縮模式系統(tǒng)性能分析

當(dāng)蒸發(fā)冷卻熱管模式供冷不足時(shí)，系統(tǒng)切換為蒸氣壓縮制冷模式。蒸氣壓縮模式下，蒸發(fā)溫度與冷凝溫度隨室外溫度的變化如圖8所示。為了使膨脹閥供液充足，冷凝器首先運(yùn)行風(fēng)冷冷卻模式，由圖8可知：

圖8 蒸氣壓縮模式蒸發(fā)溫度與冷凝溫度的變化

1)在一定冷凝器風(fēng)速下，當(dāng)室外溫度升高時(shí)，蒸發(fā)溫度緩慢升高，冷凝溫度的增幅顯著。當(dāng)室外溫度由10 ℃升至30 ℃時(shí)，低、中、高三檔風(fēng)速下冷凝溫度的增幅分別為36.8%、40.1%和43.8%。室外溫度的升高導(dǎo)致了制冷量的降低，蒸發(fā)器側(cè)傳熱溫差降低，所以系統(tǒng)蒸發(fā)溫度在緩慢升高。

2)在相同室外溫度下，冷凝器風(fēng)速的提高降低了冷凝溫度。當(dāng)室外溫度為20 ℃時(shí)，從低風(fēng)速調(diào)至高風(fēng)速后，冷凝溫度降低5.2 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒸氣壓縮模式不同工況下的蒸發(fā)溫度均高于結(jié)露線，未出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)露問(wèn)題。這是因?yàn)闊峁苣Ｊ较抡舭l(fā)器與冷凝器直接連通，室外溫度對(duì)蒸發(fā)溫度影響較大。蒸氣壓縮模式中，在壓縮機(jī)和節(jié)流裝置的作用下，室外溫度主要影響冷凝器的換熱效果，對(duì)蒸發(fā)溫度的影響相對(duì)較弱。熱管模式的室外溫度運(yùn)行區(qū)間為-20～15 ℃，而蒸氣壓縮模式的整體室外溫度運(yùn)行區(qū)間為10～40 ℃。因此，熱管模式所處的室外溫度更低，蒸發(fā)溫度也相對(duì)較低，該模式下蒸發(fā)溫度隨室外溫度的降低而大幅下降，因此容易導(dǎo)致蒸發(fā)溫度低于結(jié)露線。蒸氣壓縮模式所處的室外溫度始終高于10 ℃，蒸發(fā)溫度也不會(huì)過(guò)低，同時(shí)，室外溫度的升高對(duì)蒸發(fā)溫度影響較小，蒸發(fā)溫度較穩(wěn)定。因此在本文的蒸氣壓縮模式實(shí)驗(yàn)工況中，未出現(xiàn)蒸發(fā)器容易結(jié)露的隱患。

蒸氣壓縮模式下，制冷量與制冷劑流量隨室外溫度的變化如圖9所示。當(dāng)室外溫度由10 ℃升至30 ℃后，風(fēng)速為1.5、2.5、3.5 m/s下的制冷劑流量的增幅分別為42.2%、41.5%、40.1%。制冷量隨室外溫度的升高而下降，圖9中標(biāo)出了8 kW的額定制冷量線，當(dāng)室外溫度為25 ℃時(shí)，風(fēng)速為1.5 m/s的系統(tǒng)制冷量已低于需求。

圖9 蒸氣壓縮模式制冷量與制冷劑質(zhì)量流量的變化

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷出：蒸發(fā)溫度的逐漸升高使壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比容降低，提高了制冷劑質(zhì)量流量，但冷凝器風(fēng)速的改變對(duì)制冷劑質(zhì)量流量無(wú)顯著影響。

風(fēng)冷蒸氣壓縮模式下，系統(tǒng)功耗與COP隨室外溫度的變化如圖10所示。壓縮機(jī)功耗在總功耗的占比較大，始終超過(guò)50%。在室外溫度為10、15、20、25、30 ℃時(shí)，當(dāng)冷凝器風(fēng)速由1.5 m/s增至3.5 m/s后，壓縮機(jī)功耗在5個(gè)溫度點(diǎn)下分別降低了20.3%、20.8%、18.2%、16.1%、19.0%，制冷量分別增加了11.8%、12.12%、13.4%、15.6%、19.4%，系統(tǒng)COP分別升高了13.1%、13.8%、19.4%、20.4%、20.8%。

圖10 風(fēng)冷蒸氣壓縮模式系統(tǒng)功耗與COP的變化

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：1)雖然高冷卻風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的功耗更大，但冷凝溫度下降有效降低了壓縮機(jī)功耗，使總功耗也在降低。2)在一定冷凝器冷卻風(fēng)速下，風(fēng)機(jī)總功耗不變，室外溫度的升高使壓縮機(jī)功耗不斷增加，且系統(tǒng)制冷量在下降，所以系統(tǒng)COP逐漸降低。

隨著室外溫度的升高，風(fēng)冷蒸氣壓縮模式的壓縮機(jī)功耗增幅顯著，為了提高能效比，系統(tǒng)切換為蒸發(fā)冷卻蒸氣壓縮模式。蒸發(fā)冷卻蒸氣壓縮模式下，系統(tǒng)功耗與COP隨室外溫度的變化如圖11所示。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

圖11 蒸發(fā)冷卻蒸氣壓縮模式功耗與COP的變化

1)蒸發(fā)冷卻蒸氣壓縮模式性能參數(shù)的變化規(guī)律與產(chǎn)生原因與風(fēng)冷蒸氣壓縮一致。壓縮機(jī)功耗仍是影響總功耗與系統(tǒng)COP的重要因素。

2)蒸發(fā)冷卻模式雖增加了水泵的功耗，但冷凝溫度與壓縮機(jī)功耗的下降趨勢(shì)顯著，室外溫度大于20 ℃時(shí)，與風(fēng)冷模式相比，蒸發(fā)冷卻模式擁有更高的能效比。當(dāng)室外溫度為30 ℃時(shí)，冷凝器運(yùn)行蒸發(fā)冷卻模式后，低、中、高檔風(fēng)速下冷凝溫度分別降低了4.68、3.91、4.32 ℃，壓縮機(jī)功耗分別降低了15.9%、15.1%、15.3%，COP分別提高了17.5%、16.2%、14.3%，也可以看出，蒸發(fā)冷卻對(duì)低風(fēng)速系統(tǒng)COP的提升作用更顯著。

3)當(dāng)室外溫度較低時(shí)，冷凝器采用蒸發(fā)冷卻雖然也能降低冷凝溫度，有助于增大系統(tǒng)換熱量,但當(dāng)冷凝溫度低于一定值時(shí)也會(huì)導(dǎo)致膨脹閥供液能力不足，反而影響系統(tǒng)制冷量與COP，導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻能力和能效比降低，此時(shí)壓縮比過(guò)小也會(huì)影響壓縮機(jī)正常工作。當(dāng)室外溫度低于20 ℃時(shí)，冷凝器運(yùn)行風(fēng)冷模式能防止冷凝溫度過(guò)低，保證膨脹閥與壓縮機(jī)正常工作。當(dāng)室外溫度高于20 ℃時(shí)，冷凝溫度與壓縮機(jī)功耗愈發(fā)增大，此時(shí)，系統(tǒng)選擇蒸發(fā)冷卻形式更能提高冷卻效率。

3 結(jié)論

本文以蒸發(fā)冷卻式熱管與蒸氣壓縮復(fù)合數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)分析了室外溫度、冷凝器風(fēng)速和冷卻形式對(duì)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下性能參數(shù)的影響，得到如下結(jié)論：

熱管模式：1)風(fēng)冷模式下，隨室外溫度的升高，系統(tǒng)制冷量和COP顯著下降，當(dāng)室外溫度為10 ℃時(shí)，風(fēng)速為1.5 m/s與2.5 m/s下的系統(tǒng)制冷量已不能滿(mǎn)足8 kW的需求。2)當(dāng)室外溫度小于0 ℃時(shí)，低冷凝器風(fēng)速系統(tǒng)的COP更高。當(dāng)室外溫度高于0 ℃時(shí)，提高冷凝器風(fēng)速有利于提升系統(tǒng)COP，風(fēng)速為2.5 m/s與3.5 m/s下的系統(tǒng)COP分別在室外溫度為0 ℃與5 ℃時(shí)開(kāi)始高于風(fēng)速為1.5 m/s下的系統(tǒng)COP，分別高出了8.5、8.6、8.2和7.1、7.6、7.2。3)與風(fēng)冷相比，蒸發(fā)冷卻將熱管模式室外溫度上限從10 ℃提高至15 ℃，當(dāng)室外溫度為5～10 ℃時(shí)，三種風(fēng)速下系統(tǒng)COP平均增長(zhǎng)15.57%。

蒸氣壓縮模式：1)風(fēng)冷模式下，制冷量隨室外溫度的升高而下降，當(dāng)室外溫度為25 ℃時(shí)，風(fēng)速為1.5 m/s的系統(tǒng)制冷量已低于需求。2)在本實(shí)驗(yàn)的設(shè)定參數(shù)下，雖然高冷卻風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的功耗更大，但冷凝溫度下降有效降低了壓縮機(jī)功耗，壓縮機(jī)功耗在總功耗的占比始終超過(guò)50%，使總功耗也在降低。3)開(kāi)啟蒸發(fā)冷卻模式可以有效降低壓縮機(jī)功耗，并能提升系統(tǒng)的節(jié)能性。當(dāng)室外溫度為30 ℃時(shí)，在低、中、高三檔冷凝器風(fēng)速下，當(dāng)系統(tǒng)由風(fēng)冷模式轉(zhuǎn)為蒸發(fā)冷卻模式后，系統(tǒng)COP分別升高了17.5%、16.2%、14.3%。