吳 劍，方元昌，郭清江

（1.中國電信泉州分公司，福建 泉州 362000；2.中國電信福建公司，福建 福州 350000；3.中國通服福建設(shè)計院，福建 福州 350000）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化以及網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）化，傳統(tǒng)機(jī)房設(shè)備安裝呈現(xiàn)混雜化。不同功率密度的設(shè)備隨機(jī)交叉安裝，導(dǎo)致機(jī)房不斷出現(xiàn)零星機(jī)柜過熱現(xiàn)象。受歷史因素影響，機(jī)房往往無成熟條件滿足大功率精密空調(diào)安裝需求。這種情況下，背板式熱管空調(diào)是一種與服務(wù)器機(jī)柜相匹配，不僅貼合獨(dú)立機(jī)柜要求近熱源冷卻的高效制冷，而且能滿足個別高熱密度機(jī)柜散熱需求。因此，該產(chǎn)品成為解決傳統(tǒng)機(jī)房個性化散熱需求的有效方案。

1 熱管空調(diào)簡介

1.1 空調(diào)原理

空調(diào)主要通過制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化伴隨的可持續(xù)性吸熱與放熱周期循環(huán)特性來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的熱量搬運(yùn)。通信機(jī)房內(nèi)風(fēng)冷空調(diào)常見的制冷劑是氟利昂，氟利昂的特性是由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時釋放大量的熱量，而由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時會吸收大量的熱量。風(fēng)冷式機(jī)房空調(diào)也根據(jù)此原理設(shè)計。制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)的壓焓如圖1所示[1]。

圖1 制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)的壓焓圖

壓縮機(jī)將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，然后送到冷凝器散熱后成為常溫高壓的液態(tài)制冷劑，室外機(jī)吹出熱風(fēng)。然后液態(tài)制冷劑經(jīng)毛細(xì)管，進(jìn)入蒸發(fā)器。由于制冷劑從毛細(xì)管到達(dá)蒸發(fā)器后空間突然增大，壓力減小，液態(tài)的制冷劑就會汽化，變成氣態(tài)低溫的制冷劑，從而吸收大量的熱量，蒸發(fā)器就會變冷，室內(nèi)機(jī)的風(fēng)扇將室內(nèi)的空氣從蒸發(fā)器中吹過，室內(nèi)機(jī)吹出冷風(fēng)[2]。

1.2 熱管空調(diào)原理

熱管空調(diào)基于普通風(fēng)冷式空調(diào)進(jìn)行發(fā)展，同樣需要通過制冷劑的物態(tài)循環(huán)變化產(chǎn)生的可持續(xù)性吸熱與放熱周期循環(huán)特性來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的熱量搬運(yùn)，只是熱管采用一種導(dǎo)熱性能極高的被動傳熱元件。利用相變原理和毛細(xì)作用，使得它本身的熱傳遞效率比同樣材質(zhì)的純銅高出幾百倍到數(shù)千倍。通過采用特殊機(jī)制，省去壓縮環(huán)節(jié)，充分吸收外界熱量，來實(shí)現(xiàn)制冷劑持續(xù)周期性的物態(tài)循環(huán)變化，從而大大降低機(jī)房空調(diào)的電功耗。

熱管是一根真空的銅管，里面注入的工作液體是熱傳遞的媒介。熱管壁上有吸液芯結(jié)構(gòu)。依靠吸液芯產(chǎn)生的毛細(xì)力，使冷凝液體從冷凝端回到蒸發(fā)端。因為熱管內(nèi)部抽成真空以后，在封口之前再注入液體，所以熱管內(nèi)部的壓力由工作液體蒸發(fā)后的蒸汽壓力決定。只要加熱熱管的表面，工作液體就會蒸發(fā)。蒸發(fā)端蒸汽的溫度和壓力都稍稍高于熱管的其他部分，因此熱管內(nèi)產(chǎn)生了壓力差，促使蒸汽流向熱管內(nèi)較冷的一端。當(dāng)蒸汽在熱管壁上冷凝時，蒸汽放出汽化潛熱，從而將熱傳向了冷凝端。之后，熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)使冷凝后液體再回到蒸發(fā)端。只要有熱源加熱，這一過程就會循環(huán)進(jìn)行[3]。

當(dāng)陽光射在真空管內(nèi)的吸熱片上，熱管內(nèi)的制冷劑受熱沸騰汽化，蒸汽不斷沖向頂部的冷凝端，在冷凝端冷凝變成液體，冷凝的制冷劑沿管壁流回?zé)峁艿恼舭l(fā)段，完成一個循環(huán)。這種在一端吸熱汽化而在另一端凝結(jié)放熱，通過內(nèi)部相變實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的熱管，稱為重力熱管。熱管的內(nèi)部沒有吸熱芯，凝結(jié)的液體從凝結(jié)段回流到蒸發(fā)段是依靠凝結(jié)液自身的重力，不需要外部動力而自動循環(huán)，這就是熱管式真率管的集熱過程。由于熱管依靠重力使工質(zhì)循環(huán)，在使用中必須將蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的下方。若蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的上方，重力對凝結(jié)液的回流會起阻礙作用，這時沒有動力使凝結(jié)液返回到蒸發(fā)段，熱管就不能工作。因此熱管可以稱之為單向傳熱的熱二極管[4]。

1.3 熱管背板空調(diào)

熱管背板空調(diào)在熱管空調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來，通過將室內(nèi)蒸發(fā)器規(guī)格研制成與標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜相匹配來滿足高功率機(jī)柜的散熱需求。

1.4 熱管背板空調(diào)的常規(guī)應(yīng)用模式及拓展

為滿足業(yè)務(wù)設(shè)備的散熱需求，傳統(tǒng)熱管背板空調(diào)運(yùn)行通常存在兩種模式。一是采用熱管、壓縮機(jī)與室外風(fēng)冷冷凝器三合一架構(gòu)；二是采用熱管、板換與室外水冷相變冷卻塔三合一架構(gòu)。

1.4.1 熱管背板空調(diào)加裝壓縮機(jī)

在傳統(tǒng)熱管背板空調(diào)加裝壓縮機(jī)，并選用相關(guān)特性合適的冷媒劑，通過壓縮機(jī)工作強(qiáng)迫實(shí)現(xiàn)熱管內(nèi)冷媒的循環(huán)流動，提升冷媒的冷凝壓力與溫度，實(shí)現(xiàn)高熱密度設(shè)備機(jī)架的制冷需求。

1.4.2 熱管背板空調(diào)加裝板換與室外水冷相變冷卻塔

熱管背板空調(diào)通過加裝板換與室外水冷相變冷卻塔來滿足供冷問題。在25 ℃環(huán)境中，水的比熱容約為空氣的4倍，即空氣上升4 ℃多的熱量才能令相同質(zhì)量的水溫度上升1 ℃，因此作為導(dǎo)熱和吸熱介質(zhì)，水要比空氣優(yōu)越[5]。系統(tǒng)通過水蒸發(fā)冷卻降低冷凝溫度，自然蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)冷卻水與空氣的熱交換，板換實(shí)現(xiàn)水與冷媒的熱交換，冷媒、蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)與設(shè)備熱交換。

1.4.3 熱管背板空調(diào)應(yīng)用模式改進(jìn)設(shè)想

通信機(jī)房通過機(jī)房精密空調(diào)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的供冷。機(jī)房精密空調(diào)在進(jìn)行制冷運(yùn)行的同時也存在除濕效應(yīng)，空氣中的飽和水蒸汽遇到室內(nèi)蒸發(fā)器后就會凝結(jié)成水滴，匯集到空調(diào)接受盤后，順著機(jī)房的排水管排至室外。這些冷凝水溫度通常在18 ℃左右，比常規(guī)市政自來水溫度低。在業(yè)務(wù)設(shè)備規(guī)模較大的綜合機(jī)房，機(jī)房精密空調(diào)的冷凝水匯集數(shù)量可觀，將這種可觀的潛冷量再利用，通過進(jìn)一步降低水冷相變冷卻塔的冷凝溫度，提升熱管背板空調(diào)的制冷效率[6]。

1.4.4 幾種應(yīng)用模式對比

幾種應(yīng)用模式對比如表1所示。

表1 幾種應(yīng)用模式對比

2 測試情況

根據(jù)上述設(shè)想，在某機(jī)房嘗試機(jī)房精密空調(diào)冷凝水潛冷量再利用測試，整個測試系統(tǒng)主要包括室內(nèi)熱管背板、室外板換和水冷相變冷卻塔。室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)溝通采用冷媒，冷媒與室外空氣換熱采用板換，而室外相變冷卻塔進(jìn)水采用“市政常溫自來水補(bǔ)水”和“市政常溫自來水進(jìn)水+回收蒸發(fā)器冷凝水雙重補(bǔ)水”兩種方式進(jìn)行。

本次測試的空調(diào)室外機(jī)采用水冷相變蒸發(fā)式冷卻塔進(jìn)行換熱，利用其他空調(diào)室內(nèi)蒸發(fā)器冷凝水對室外相變冷卻塔進(jìn)行二次降溫，有效提升夏季高溫天氣熱管背板空調(diào)的制冷效率。在低位處設(shè)置儲水水箱，通過適當(dāng)排水管路改造將原有大樓多臺空調(diào)的冷凝水排水匯集至新設(shè)置儲水水箱，并通過水泵與控制系統(tǒng)將匯集的冷凝水輸送至熱管空調(diào)室外相變冷卻塔進(jìn)一步降低冷卻水溫度。具體冷凝水系統(tǒng)與熱管背板如圖2所示、冷凝水回收裝置如圖3所示[7]。

圖2 冷凝水與熱管背板系統(tǒng)

圖3 冷凝水回收裝置

2.1 測試方案

由于本次測試只用了一臺熱管背板和熱管列間空調(diào)，機(jī)房中還有其他制冷設(shè)備，在本測試節(jié)能對比中采用空調(diào)器的制冷性能系數(shù)（Energy Efficiency Ratio，EER）、全年能效比（Annual Energy Efficiency Ratio，AEER)、冷卻水補(bǔ)水量和冷凝水冷量來進(jìn)行對比分析，通過EER、冷卻水補(bǔ)水量和冷凝水冷量的大小可以明顯體現(xiàn)該方案的節(jié)能性。

為了測試本項目熱管空調(diào)的節(jié)能性，通過如下測試步驟來對機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試：一是測量熱管的進(jìn)風(fēng)干球溫度和相對濕度，計算進(jìn)風(fēng)干濕球溫度；二是測量熱管的出風(fēng)干球溫度和相對濕度，計算出風(fēng)干濕球溫度；三是測量風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，計算機(jī)組的風(fēng)量；四是測量冷凝水流量；五是測量熱管的輸入功率；六是測量蒸發(fā)式冷凝器的輸入功率。

通過測量的進(jìn)出風(fēng)干球溫度和相對溫度，可以計算出進(jìn)出風(fēng)的干濕球溫度，配合機(jī)組的風(fēng)量就可以計算出熱管空調(diào)的制冷量，根據(jù)制冷量和熱管及冷凝器功率的對比可以計算出EER的大小。根據(jù)室內(nèi)的冷負(fù)荷可以計算出冷卻水的補(bǔ)水量，結(jié)合測量的冷凝水流量，可以得到冷凝水占總補(bǔ)水量的百分比。根據(jù)補(bǔ)水量和冷凝水流量分別計算總共需要的冷量以及冷凝水提供的冷量，由此得到冷凝水的冷量所占的百分比。由于熱管的制冷量的大小與室外環(huán)境溫度是強(qiáng)相關(guān)的，因此在數(shù)據(jù)測量時需要進(jìn)行一個長周期的連續(xù)測試[8]。

2.2 測試結(jié)果

室外環(huán)境溫度直接影響熱管的制冷量，考慮到室外氣溫從早到晚會有較大變化，為了比較冷凝水回收利用方案的節(jié)能性，本項目對未設(shè)置冷凝水回收方案與回收利用方案分別進(jìn)行了測試，測試過程中每隔3 h記錄一組數(shù)據(jù)而且持續(xù)一周時間。為簡化計算，每天測試室數(shù)據(jù)僅呈現(xiàn)該天不同時段8次測試數(shù)據(jù)的平均值。熱管背板測試數(shù)據(jù)如表2所示，增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的熱管背板測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 熱管背板測試數(shù)據(jù)

表3 增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的熱管背板測試數(shù)據(jù)

由于該項目主要驗證熱管背板+蒸發(fā)器冷凝水補(bǔ)水至室外相變冷卻塔的節(jié)能性，因此對于熱管列間的測試僅僅測試了2021-09-25和2021-10-02的數(shù)據(jù)。2021-09-25熱管列間測試數(shù)據(jù)如表4所示，2021-10-02增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的熱管列間測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表4 2021-09-25熱管列間測試數(shù)據(jù)

表5 2021-10-02增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的熱管列間測試數(shù)據(jù)

3 節(jié)能分析

3.1 氣象參數(shù)

通過中國氣象網(wǎng)查詢2021年9月20日—2021年9月26日的氣象參數(shù)，如表6所示，可以看到這一周的氣象參數(shù)比較接近。以2021年9月25日的曲線來近似表示這一周的溫度變化。通過2021年9月25日溫度變化曲線查出，在各個測試點(diǎn)室外環(huán)境的溫度值，并統(tǒng)計出在一天的時間內(nèi)不同的環(huán)境溫度值的持續(xù)時間。

表6 測試階段氣象參數(shù)

3.2 EER計算

3.2.1 制冷量計算

在本測試中制冷量由熱管背板制冷量和熱管列間制冷量組成，熱管背板制冷量數(shù)據(jù)如表7所示，增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的熱管背板制冷量數(shù)據(jù)如表8所示，熱管列間制冷量數(shù)據(jù)如表9所示，系統(tǒng)總制冷量如表10所示，增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的系統(tǒng)總制冷量如表11所示。

表7 熱管背板制冷量數(shù)據(jù)（單位：kW）

表10 系統(tǒng)總制冷量（單位：kW）

表11 增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的系統(tǒng)總制冷量（單位：kW）

3.2.2 補(bǔ)水量計算

根據(jù)測量可以計算得到蒸發(fā)器冷凝水平均流量為0.003 2 m3/h。根據(jù)室內(nèi)的冷負(fù)荷可以計算所需冷卻水流量，熱管背板承擔(dān)的冷負(fù)荷7.10 kW，熱管列間承擔(dān)的冷負(fù)荷10.50 kW。冷卻水流量計算公式為

式中：G為冷卻水流量，m3/h；3.6為m3/h與L/s流量換算系數(shù)；1.3為換熱比；N1為熱管背板承擔(dān)的冷負(fù)荷，kW；N2為熱管列間承擔(dān)的冷負(fù)荷，kW；C為水的比熱；T0為出水溫度，℃；Ti為入水溫度，℃。

補(bǔ)水流量計算公式為

式中：G2表示補(bǔ)水流量，m3/h。

回收的空調(diào)冷凝水占比M1的計算公式為

回收的空調(diào)冷凝水占了冷卻水補(bǔ)水量的5.4%，減少了冷凝器的補(bǔ)水量。

3.2.3 冷凝水冷量計算

冷卻水降溫所需的冷量為

式中：Q1為所需冷量；W1表示24 h補(bǔ)水流量。

冷凝水提供的冷量為

式中：Q2為冷凝水提供的冷量；W2為24 h冷凝水流量；T1為冷凝水溫度。

則冷凝水提供的冷量占總冷量的百分比M2為

由式（6）計算結(jié)果可知，冷凝水所蘊(yùn)藏的冷量占比非常明顯，將冷凝水回收利用，充分體現(xiàn)了節(jié)能。

3.2.4 功率計算

該測試中的功率由3個部分組成，熱管背板功率、熱管列間和蒸發(fā)式冷凝器，根據(jù)測試結(jié)果來看，這3個部分的功率隨著室外溫度的變化不明顯，可以近似認(rèn)為是一定值。

熱管背板功率計算公式為

式中：P1為熱管背板功率；I為相電流；U為相電壓。

熱管列間功率計算公式為

式中：P2為熱管列間功率；I為相電流；U為相電壓。

冷凝器功率計算公式為

式中：P3為冷凝器功率；I為相電流；U為線電壓；0.8為功率因數(shù)。

總功率計算公式為

3.2.5 EER的計算

EER等于制冷量與輸入功率的比值，不同工況下的計算結(jié)果如表12所示。增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的EER計算結(jié)果如表13所示。

表12 EER計算結(jié)果

表13 增設(shè)冷凝水回收利用節(jié)能方案的EER計算結(jié)果

由于熱管的制冷量主要與室內(nèi)外工況有關(guān)，機(jī)房室內(nèi)工況變化相對較小，為了計算方便假設(shè)室內(nèi)工況不變，只考慮室外工況對制冷量的影響?？紤]不同測試時間點(diǎn)室外環(huán)境溫度的持續(xù)時間，采用加權(quán)平均的方式可以計算加權(quán)平均EER的大小，結(jié)果如表14所示。

表14 EER平均計算結(jié)果

沒有回收利用冷凝水之前的EER加權(quán)平均值為7.14，通過該方案計算出來的加權(quán)平均值相比原先的方案提高了8.68%，說明冷凝水的回收利用提高了能效比。

3.3 AEER的計算

通過測試數(shù)據(jù)顯示，在測試的一周時間內(nèi)熱管背板和熱管列間的制冷量只有額定制冷量的50%，根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果和軟件計算可以得出各月的制冷量，從而計算出各月的能效比，如表15所示。

表15 AEER計算

兩種方案的加權(quán)平均得出AEER分別為9.84與10.09，增設(shè)冷凝水回收利用的方案能效比提高了2.96%，而壓縮機(jī)系統(tǒng)的全年能效比只在3.5～4。

4 結(jié) 論

通過以上測試數(shù)據(jù)可以得出，采用規(guī)模收集其他機(jī)房空調(diào)蒸發(fā)器冷凝水為熱管背板的戶外水冷相變冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)水降溫，相比于采用市政自來水補(bǔ)水降溫，可以有效解決老舊綜合機(jī)房的局部熱島問題，進(jìn)一步提升熱管背板在高熱密度場景的可用性，在自身節(jié)電同時，也會降低機(jī)房其他風(fēng)冷空調(diào)的壓縮機(jī)運(yùn)行時間。該設(shè)想對本來浪費(fèi)的自然冷源進(jìn)行低碳梯次利用，同時也提升系統(tǒng)自身制冷效率。因此，采用蒸發(fā)器冷凝水回收再利用進(jìn)行節(jié)能改造的設(shè)想是可行的。