机械制冷/回路热管一体式机房空调系统分析

董健

摘要：当今时代，节能减耗成了一个至关重要的问题，机房冷却系统的耗能降低更是迫在眉睫的需要。想要解决此项问题，热管自行冷却是行之有效的方案之一。针对热管自然冷却在高温气候中需要机械制冷帮助作用的问题，挖掘热管自然冷却更多的减耗实力，文章对新颖的机械制/回路热管一体式机房空调系统从原理出发，配合实验测试，进行了分析与探讨。将机械制冷及回路热管通过三介质换热器联合为整体，使得其能够共同或独自工作，同时消除旧式空调系统因电磁阀的切换而造成的稳定性隐患。通过焓差室烟台，我们对该空调系统的机能展开了测试，系统最佳充液率位于100%左右，所有运行模式方案都表现出优秀的制冷能力，20℃温差下，EER值在热管模式中达到了20.9，在未来有着极其广泛的应用前景。

关键词：机房空调系统；机械制冷；热管制冷；双启制冷

人类的生活因信息技术的崛起而日新月异，与此同时，以机房为代表的数据中心的建设也逐渐受到重视。大量机房的出现也带来了愈发严重的能源问题。旧有的机械制冷/回路热管一体式空调在气候过渡的时间段，其节能效果遭到很大程度上的限制；而且亦有安全问题因电磁阀的频繁开启及闭合而产生。为使现有系统问题得到解决，本研究提供了一类对系统充液率进行提升的新式机械制冷/回路热管一体式机房空调系统，并在不同工作状况下对系统性能进行了实验与测试。

1 系统原理

系统原理如图l所示。

机械制冷/回路热管一体式机房空调系统由制冷回路和热管回路这两个主要部分组成。除蒸发器，其他设备装置均搭建在室外。系统通过热管回路和制冷回路两者间不同的工作方案，组合出3种工作模式。模式的选用可视机房设定温度及室外温度的不同而确定。（l）制冷模式在周围气温较高时工作，压缩机开始运转，机械制冷回路中的制冷工质使得热量从回路热管工质中向其转移，机房产出的热量在室内蒸发器中被回路热管回路的工质吸收蒸发后流进三介质蒸发器，从而进行进一步蒸发。（2）热管模式在环境气温过低时启动工作，压缩机停止工作，这时只有风机运转，只有室外空气通路中的冷空气同回路热管回路的工质进行换热冷凝，并在重力的作用下回流。（3）双启动模式在环境温度适中时运作，压缩机和三介质换热器的风机开始运作，当回路热管供冷不足时则使用冷却材料和环境冷空气共同冷却热管工质，即由机械制冷进行跟进，与回路热管共同制冷。

2 性能测试

此测试使用焓差实验台完成，室内环境室中放置蒸发器，将其余装置都置于室外环境室中。为克服内部自然循环流动阻力，需使换热器设备和蒸发器设备之间维持必要的高低差。实验工作状况如表1所示。

热管模式下的制冷量多少是能够代表系统性能的重要标准，热管模式下的制冷量受到充液率的明显影响，故研究的首要目标便为系统的最佳充液率。当环境温度为17℃，机房内温度为27℃时，热管模式下的制冷量因充液率增减而造成的变化如图2所示。

热管模式制冷量随着充液率增加先上升后下降，当充液率低时，蒸发器壁面不能完全被液膜覆盖，造成了过热的情况，而当充液率过大会导致大量液体在蒸发器内聚集，使得换热过程无法完全进行。当充液率大约为l00%时制冷量最高，即最佳充液率的数值应大约处于l00%。

据此将充液率设定为100%，热管工作模式测试结果如图3所示，制冷模式和双启工作模式测试结果分别如图4和图5所示。

图3显示，热管模式下，随着内外环境温差的增加，系统制冷量接近线型增长，这种情况下除风机外不存在其他设备耗能，故功率维持在0.3kW。当温差在20℃时，制冷量为6.6 kW，能效比为20.9。自然冷却能力充足且拥有较高的能效比。当室外温度降低使得室内外温度差距增大时，制冷模式的制冷量也随之微微上升。在实验温度区间内，制冷量一直高于4.8 kW，能够确保在夏季高温情况下可靠的制冷能力。将机械制冷和室外自然制冷结合使用的双启动工作模式拥有最大的制冷量，在15℃的内外环境温差下，制冷量能够达到8.0kW。制冷量根据内外环境温度差距的增加有一定的上升趋势差与热管模式的增大。

结合图4图5可判定，处于5℃环境温度差值下，双启模式能够带来的制冷量并不如制冷模式优秀。原因是处于双启馍式下时，若外部气温高于三介质换热器温度，冷量反倒会因风扇的开启而导致流失。深入的测试表明，当内外环境温度差距小于7℃时會出现这种情况。故双启模式工作时环境温度差值应该高出临界温度值，以免带来资源的无谓损耗。制冷工作模式中，当外环境温度处于较高值，冷量会因三介质换热器与空气自然对流而产生散失。这一过程中的冷量散失经过测试不超过6%。在夏季或其他高温时期，为减小冷量散失，应将三介质换热器翅片覆盖绝热材料为宜。

3 结语

本研究对新颖的机械制冷/回路热管一体式机房空调系统进行了分析与探讨，发掘到其具有的优秀适配性和节能功效，同时，通过实验对该系统的机能进行了测试，系统的最佳充液率应该位于100%上下，所有工作模式都表现出优秀的制冷能力，20℃温差下，EER值在热管模式中达到了20.9，在未来有着极其广泛的应用前景。