自然冷却/蒸气压缩复合制冷系统研究

(1 合肥工业大学机械与汽车工程学院 合肥 230009； 2 滁州扬子空调器有限公司 滁州 239000； 3 曙光信息产业(北京)有限公司 北京 100094)

数据中心素有现代“能源黑洞”之称，其耗电量目前已达全球总耗电量的2%[1]。据ICTresearch咨询公司研究显示，2016年中国数据中心总耗电量高达1 200亿kW·h，是三峡水电站同期发电量的1.2倍。PUE(power usage effectiveness，总能耗与IT设备能耗之比)是业内普遍认可的数据中心能效指标，美、欧先进数据中心的PUE通常为1.3～1.5，而中国普遍约为2.5[2]，主要原因是机房辅助设备能耗过大，其中数据中心空调系统能耗占比高达30%～50%[3-5]。提高数据中心的能源效率关键之一是降低数据中心空调系统能耗。

数据中心空调系统全天候运行，维持IT设备安全、可靠和高效工作。除数据中心建设选址尽可能在低温地区、电力资源丰富和价廉的要求外，在低温季节或低温时段，利用自然冷源部分或完全代替机械制冷是空调节能的重要途径。自然冷却技术可分为空气侧自然冷却、水侧自然冷却和热管自然冷却3类[6]。热管以其结构简单、小温差高效传热的特性，应用于数据中心的自然冷却具有明显优势。近年来，从彼此独立的热管环路、蒸气压缩制冷系统，到热管/蒸气压缩复合制冷系统，基于热管的自然冷却技术取得了较大的进步。T. Okazaki等[7-8]较早提出机械制冷与热管一体式机组，但热管模式制冷效率较低，不足以发挥自然冷却的节能优势。马国远等[9-10]对热管自然冷却的节能潜力进行了实验研究与验证。吕继祥等[11]基于气象数据和相关制冷系统特性进行了风冷压缩式机组、风冷双冷源冷水机组和热管复合式制冷机组的能效对比研究，结果显示我国长江流域及以北地区应用热管复合式制冷系统可实现数据中心空调节能30%～50%。重力型分离式热管复合空调[12-14]应用于小型机房和通讯基站的节能效果显著，但在冷量远距离输送、能量调节等方面，受重力型分离式热管工作特性的制约。Yan Gang等[15-16]实验研究了采用液泵驱动热管的复合制冷机组，克服了重力型热管的技术不足。本课题组于2012年和2014年相继提出了蒸气压缩/热管复合式制冷系统和复合制冷多联空调系统的技术方案[17-18]，解决了蒸气压缩制冷系统与热管自然冷却系统一体化设计、协同运行、联合控制、多机并联和能量调节等关键问题，并进行了应用示范等研究工作。

1 自然冷却/蒸气压缩复合制冷系统

1压缩机；2冷凝器；3节流机构；4蒸发冷凝器(4 A蒸发通道，4B冷凝通道)；5液泵；6室内蒸发器；7电磁阀Ⅰ；8电磁阀Ⅱ；9风冷换热器；10风机；11风冷换热总成；12复合制冷模块。图1 复合制冷系统流程Fig.1 Process of the integrated refrigeration system

基于分离式热管实现自然冷却的复合制冷系统流程如图1所示。压缩制冷回路与自然冷却环路通过蒸发冷凝器耦合，分别采用第一制冷工质和第二制冷工质，第二制冷工质由液泵提供循环动力。室内空气冷却器和室外风冷换热器分别作为自然冷却环路的吸热端和放热端，通过管道连接构成第二制冷工质的主回路。电磁阀Ⅱ位于第二制冷工质的主回路上，在蒸发冷凝器冷凝通道的入口与回气口之间设置了以电磁阀Ⅰ控制的旁通支路。鉴于可靠性和调节性的要求，制冷机组由数个复合制冷模块组成，各模块的制冷回路彼此独立，分别对应蒸发冷凝器中的一组蒸发管簇；各模块的自然冷却环路并联连接在电磁阀Ⅰ和电磁阀Ⅱ的出口端。

控制系统可根据室内外环境温度、被调对象热负荷状况，运行压缩制冷、自然冷却/蒸气压缩复合制冷和自然冷却3种工作模式。当环境温度与室内温度的差值达到设定值时，电磁阀Ⅱ开、电磁阀Ⅰ关，室内侧返回的制冷工质气体通过电磁阀Ⅱ在风冷换热器放热，如进入蒸发冷凝器的制冷工质达到设定的热工参数，不需要压缩制冷提供辅助冷量，即为自然冷却工作模式；如进入蒸发冷凝器的制冷工质未达到设定的热工参数，需要运行压缩制冷提供辅助冷量，即为复合制冷工作模式；当环境温度与室内温度的差值小于设定值时，电磁阀Ⅱ关、电磁阀Ⅰ开，室内侧返回的制冷工质气体直接进入蒸发冷凝器放热冷凝，由压缩制冷提供全部冷量，即为压缩制冷工作模式。

2 复合制冷机组研制

根据工程应用对象北京某“国家级EB级云存储实验室”环控系统的技术要求，研发制冷量为200 kW的自然冷却/蒸气压缩复合制冷机组。

2.1 总体设计

根据制冷循环设计计算和空调系统模拟分析，压缩制冷系统配置6台10 HP制冷压缩机构成3个独立的制冷单元。风冷侧将制冷冷凝器与热管换热器集成为组合式结构，蒸发冷凝器采用壳管式，壳管下部空间兼为储液器以优化机组结构并具有一定的蓄冷能力。鉴于可靠性要求，配置2台屏蔽泵(一用一备)驱动第二工质循环。

2.2 风冷换热器

基于结构紧凑、气流组织和模块化制造的需要，风冷换热器与制冷冷凝器的截面尺寸相同、平行并列，构成的2只换热器组件“V”形布置如图2(a)所示，与共用风机集成为组合式风冷换热器总成[19]。热管换热器和制冷冷凝器分别设置在进风侧和出风侧，提高自然冷源的利用率。在复合制冷工况经热管换热器加热后的空气，再与制冷冷凝器换热，对提高蒸气压缩循环系统的可靠性和运行效率有益。换热器组件局部如图2(b)所示，热管换热器与冷凝器立管之间设有绝热密封带，避免换热器间的传热干扰，适当的换热器间距有助于减小气流阻力。

1风机；2换热器组件；3热管换热器；4制冷冷凝器；5绝热密封件。图2 风冷组合式换热器Fig.2 The composite air-cooled heat exchanger

2.3 蒸发冷凝器

蒸发冷凝器为壳管式结构，如图3所示[20]，管程为蒸发侧，由3组彼此独立的蒸发管簇组成；壳程为冷凝侧，机组运行时，第二工质通过进液口、均流板和蒸发管簇被冷凝和过冷后储存在壳体下部的储液区。其主要功能是：1)高、中温季节将蒸气压缩制冷的冷量传递给第二工质，满足设定供液参数的要求；2)满足第二工质动力循环的储液量要求，维持适量的过冷度和蓄冷量，提升系统的安全性。

1 壳体；2视液管；3储液器；4第二工质出口；5蒸发管簇；6均流板；7第二工质进口。图3 壳管式冷凝发器Fig.3 The shell and tube evaporative condenser

3 实验与分析

复合制冷机组的性能实验在扬子空调器公司的制冷机性能实验室进行，以额定制冷量作为热负荷，测试制冷机组的能效与室外环境温度的变化关系，评价制冷系统性能，考核控制系统的可靠性和准确性。

3.1 实验方法

复合制冷机组的性能实验依据《GB/T 21363—2008容积式制冷压缩冷凝机组》中二次流体量热器法进行，实验系统如图4所示。研发的HKF-200FH实验样机置于人工环境室(室外侧环境)，环境温度(即被测机组的室外侧环境)由工况机组控制；采用干式壳管式蒸发器作为量热器，实验样机输出的第二工质在管程中蒸发吸热，壳程通过的供热介质水被冷却。壳管式蒸发器外表面经绝热处理，漏热量符合标准要求。主要测量参数有：储液器出口第二工质温度、压力，第二工质回气温度、压力，量热器的水流量和进出口温差，制冷机组输入功率，相关仪器仪表的型式和准确度如表1所示。

图4 实验系统Fig.4 The experiment system

类别型式准确度温度水银玻璃温度计空气干湿球温度±1.0 ℃热电偶其它温度±1.0 ℃压力压力表、变送器±1.0%流量积算式±1.0%电量积算式1.0级精度

实验过程中被测机组工作在自动控制状态，调节人工环境室温度为给定值，第二工质R22的供液饱和温度设定为16 ℃，制冷机组自动调节制冷量，控制R22的饱和温度稳定在设定值；保持量热器的进水温度和流量恒定，调节R22流量，确保进出口水的温差≥6 ℃。

测得相关实验参数后，复合制冷机组的制冷量Q根据式(1)计算：

Q=cMΔt+Ql

(1)

式中：c为供热介质水的平均比热容，kJ/(kg·℃)；M为供热介质水质量流量，kg/s；Δt为供热介质水进出口温差，℃；Ql为量热器的漏热量，kW，依据GB/T 21363—2008附录B测量和计算。

复合制冷机组的EER为：

(2)

式中：P为机组的输入功率，kW。

3.2 实验结果与分析

实验样机EER与室外环境温度的变化如图5所示。室外环境温度>35 ℃，制冷量和EER随室外环境温度的升高均呈下降趋势。室外温度在10～35 ℃温区时，制冷量在200 kW附近有小幅波动，EER随着室外环境温度的下降，由35 ℃时的3.5逐渐提高，在室外温度达到16 ℃时EER升至9，机组自动进入自然冷却/蒸气压缩复合制冷工作模式；之后，随着室外环境温度的进一步下降，自然冷却的产冷量加速增大，压缩机处于不断减载状态，EER加速上升，室外温度为10 ℃时EER达到15.3，实验样机进入自然冷却工作模式，压缩制冷系统不运行。室外温度≤10 ℃温区时，通过调节室外风机转速来调节风冷换热器的换热能力，实现制冷量的控制；随着传热温差增大，风机能耗减小，EER保持上升趋势，在室外温度为-5 ℃时，EER达到19.7。

图5 复合机组EER随室外温度的变化Fig.5 EER of the integrated system varies with the outdoor temperature

实验样机在独立运行自然冷却模式时EER与室外环境温度的变化如图6所示。此时压缩机停止工作，主要功耗部件为室外冷却风机、氟泵和控制器(功耗≤200 W)。室外环境温度为16 ℃时热管制冷开始运行，随着室外环境温度的降低制冷量和EER初期上升速率较大；当室外环境温度<10 ℃时，制冷量达到额定值；随着温度的进一步降低，室外风机逐级卸载，控制制冷量在200 kW附近，EER达到较大值后增速逐渐变缓。

图6 自然冷却系统制冷性能随室外温度的变化Fig.6 Refrigeration performances of the free cooling unit varies with the outdoor temperature

分析图5和图6的性能曲线可知，自然冷却/蒸气压缩复合制冷技术的节能特性基于自然冷源的高效利用，即在低温季节和低温时段应用自然冷却替代或部分替代压缩制冷，特别适用于全天候运行的数据中心等电力电子设备的环控。性能实验结果同时也表明，研发的自然冷却/蒸气压缩复合式制冷机组能够响应内外部运行环境的变化，自动调节工作模式和制冷量输出，在宽温区内稳定、可靠和高效运行。

4 工程应用与分析

复合制冷机组空调应用工程如图7所示。2台HKF-200FH复合制冷机组安装在室外，内部设有49个机柜(包括配电、空气处理等)，采用直接蒸发空气冷却，空气在机柜内水平流动、闭式循环的气流组织方式。空调工程于2014年5月完工，至发稿时已安全、可靠地自动运行了46个月。用户报告显示“相对常规空调系统年节能率约为45%，由于年度压缩机累计运行时间大幅减小，预期关键件压缩机寿命可有效延长，故障率可相应降低”。

图7 复合机组空调应用工程Fig.7 The integrated air-conditioner application engineering

图8所示为由DeST随机气候模型提供的北京地区标准年气象数据。图中A线以下均为热管复合式制冷系统的热管运行时区，全年约60%的时间可以利用自然冷源，压缩制冷、复合制冷和自然冷却工作模式的运行时间年占比分别为40%、18.5%和41.5%。

图8 北京地区全年干球温度变化Fig.8 Annual dry ball temperature change of Beijing area

5 结论

本文基于绿色数据中心建设需要，以数据中心空调节能为目标，提出压缩制冷系统与分离式热管系统一体化的技术方案，研发了自然冷却/蒸气压缩复合制冷机组，通过性能实验和应用研究，得出如下结论：

1)研发了自然冷却/蒸气压缩复合制冷技术和空调系统，实现了分离式热管系统与蒸气压缩制冷系统一体化集成和兼容运行。

2)研发的HKF-200FH复合制冷机组，主要性能指标为：环境温度为35 ℃制冷工况和10 ℃热管工况的制冷量/EER分别为197.38 kW/3.5、196.89 kW/15.3。

3)HKF-200FH复合式空调系统应用示范工程已运行3年多，年节能率约为45%。应用研究和性能考核表明：复合制冷空调系统能够自动响应内外部运行环境的变化，运行稳定、可靠，相比常规蒸气压缩式空调系统综合能效大幅提高。

4)自然冷却/蒸气压缩复合制冷技术可实现自然冷源的高效利用，广泛适用于全天候运行的数据中心、通讯基站等设备的环境控制。