蒸发冷却式热管与蒸气压缩复合数据中心空调系统性能实验研究

薛 达 韩宗伟 孙晓晴 程新路 历秀明

(东北大学冶金学院 沈阳 110819)

伴随5G移动通信、云计算和大数据等快速发展，世界各地数据中心数量已超过800万，消耗全球用电量约1.1%～1.5%[1]，因此数据中心的节能需求非常紧迫。在数据中心总能耗中，空调设备能耗约占40%[2]，目前常规数据中心空调系统冷却效率低，自然冷源利用效果不充分，冷量输配能耗大，冷却效果不理想[3-4]。研究高效节能的数据中心冷却系统，对于建立绿色数据中心和实现碳中和目标具有重要意义[5]。

充分利用自然冷源可以大量减少蒸气压缩制冷的运行时长，大幅降低冷却系统运行能耗[6-7]。热管自然冷却技术通过制冷剂相变来强化传热[8]，与空气冷却和水冷冷却相比冷量输配效率更高，能耗更低[9]。同时，热管技术不需要直接引入大量新风，不会对机房内的洁净度造成影响，已经发展成为最具潜力的数据中心自然冷却方式之一[10]。Zhou Feng等[11]在小型数据中心应用了泵驱动热管冷却系统，测试结果显示系统节能率在20.18%以上。热管换热技术虽展现出高效的节能性，但在高室外温度时供冷严重不足，只能起到辅助蒸气压缩系统的作用[12]，因此将热管冷却与蒸气压缩制冷复合的机房空调系统成为目前的研究热点[13-14]。张海南等[15-16]利用焓差实验台对机械制冷/回路热管一体式机房空调系统性能进行了实验研究，结果显示热管模式COP在室内外温差为20 ℃时可达20.8。然而此复合空调系统应用的是重力型热管系统，制冷效果受蒸发器和冷凝器高度差限制，冷量输配损失较多。王铁军等[17]研发了利用泵驱动热管回路的复合空调系统，与传统蒸气压缩制冷系统相比全年节能率约为45%。该系统通过在热管循环中加入氟泵来增强冷却能力，冷凝器侧采用风冷冷却形式，若在适宜条件下采用蒸发冷却可进一步提升运行性能。

为了改善常规数据中心空调系统，本文搭建了蒸发冷却式氟泵驱动热管与蒸气压缩复合数据中心空调系统实验台，与上述研究对比，该复合式数据中心空调系统在冷量制备上，冷凝器兼具风冷冷却与蒸发冷却，可根据室外工况的变化而变换适宜的冷却形式。热管与蒸气压缩模式共用部分管路与设备，利用阀门的开闭实现模式切换，节约了成本，经济性较好。冷量输配上，热管模式利用制冷剂泵驱动，有效增大了载冷密度。冷量供应上，采用蒸发器融入机柜内部的方式，气流路径较短，便于定量化与精确化的按需供冷。本文实验研究了不同运行模式下，冷凝器冷却形式、室外温度与冷凝器风速对系统性能的影响，可为数据中心空调系统性能的优化提供一定参考。

1 系统运行原理及实验台介绍

1.1 系统构成与运行原理

实验系统原理如图1所示，复合式数据中心冷却系统由蒸发式冷凝器、储液器、压缩机、电子膨胀阀、气液分离器、油分离器、制冷剂泵及置于机柜内部的风冷蒸发器等组成。冷凝器由翅片管换热器、风机、填料、喷淋系统、进风栅、水槽与水泵组成，喷淋系统与换热盘管分离开，避免了换热器被腐蚀和结垢。

图1 实验系统原理

根据室外环境的变化，系统有4种模式：1)当室外温度较低时，系统运行风冷热管模式，冷凝器喷淋水泵处于关闭状态。此时，室内外温差大，系统充分利用室外自然冷源，制冷量充足，也能防止循环水冻结。2)室外温度上升会导致室内外传热温差降低，风冷热管模式制冷量供应不足时，开启水泵，系统运行蒸发冷却热管模式。3)当热管模式的制冷量不满足供冷需求时，关停制冷剂泵，启动压缩机，系统运行蒸气压缩制冷模式。为防止冷凝温度过低导致膨胀阀供液不足，冷凝器首先采用风冷冷却。4)当室外温度较高时，开启冷凝器水泵，运行蒸发冷却蒸气压缩模式。

1.2 实验台介绍

本文提出的系统中，热管模式与蒸气压缩模式共用蒸发器与冷凝器，其中热管换热模式是系统节能运行的关键，较大的传热面积可以延长热管模式运行时长，蒸发器和冷凝器的传热面积对系统运行性能有较大影响。室外温度较高时，蒸气压缩制冷能力一般大于热管制冷能力，传热面积只要能满足热管模式正常运行，则通常符合蒸气压缩模式运行条件。在考虑系统可靠性与经济性后，复合空调系统换热器首先按照蒸发冷却式热管工况进行设计，同时以蒸发冷却式蒸气压缩工况进行校核计算，使不同模式下的系统均能有效可靠运行。

设计工况参数：数据中心内的电子设备发热量全年趋于稳定，受环境影响较小。本文设定蒸发器总额定制冷量Qe为8 kW，与系统冷负荷一致。机柜的进风温度和循环风量受服务器冷却需求的影响，可变化的范围较小。在蒸发冷却热管模式下，室外空气的设计干球温度为15 ℃，相对湿度为30%，冷凝器进出风温分别设为10 ℃和18 ℃，为满足制冷需求，冷凝器空气流量设为2 800 m3/h。柜进出风温度分别设为30 ℃和22 ℃，则机柜的总进风量设为3 000 m3/h。为了保证蒸发器不结露，使机柜内服务器安全工作，蒸发温度定为20 ℃，控制在露点温度(10.54 ℃)以上。

经蒸气压缩工况校核后，按照蒸发冷却热管模式设计后的蒸发器与冷凝器满足蒸发冷却蒸气压缩模式的换热量要求，不同运行模式下的系统均能够可靠运行。系统部件的主要参数和实验台分别如表1和图2所示。

表1 系统主要部件参数

图2 实验台

为了减小流动不均匀性带来的测试误差，尽可能多的在迎/背风面均匀的布置测点，并取平均值。本实验在蒸发器迎/背风面各选取9个测点，冷凝器翅片管换热器迎风面选取8个测点。用热电偶测量蒸发器进出口风温，热线风速仪测量冷凝器和蒸发器迎面风速。测点采用等面积布点法，测点分布如图3所示，每隔10 s记录一次读数，取三次测量值的平均值作为该点的风速或温度值，以减少时间上的测量不确定度。

图3 测点分布

1)实验条件

(1)冷凝器置于焓差实验室，可以实现温湿度的精确控制。(2)变频器可调节冷凝器风机的风速。(3)通过控制机柜进风口电加热器的功率，可以实现机柜进风温度稳定在(30±0.1)℃。(4)按设计工况，机柜进风量定为3 000 m3/h，压缩机、制冷剂泵与水泵的运行频率均为额定频率50 Hz。

2)实验注意事项

实验过程中要保证蒸发器不出现结露，使机柜内服务器安全工作。蒸发器进出口空气含湿量不变，机柜空气热量以显热形式传递给制冷剂。

3)实验数据处理方法

数据测量仪表参数如表2所示。(1)冷凝温度与蒸发温度分别为测得的冷凝器进出口制冷剂平均压力与蒸发器进出口平均压力对应的饱和温度。(2)系统制冷量由机柜内蒸发器进出风温差与机柜进风量得出。进出风温可由热电偶测得，机柜进风量由迎面风速、迎风面积和空气密度等参数得出。(3)系统COP由制冷量/总功耗得出。4种模式的总功耗依次包括：a.机柜风机功耗、冷凝器风机功耗、制冷剂泵功耗；b.机柜风机功耗、冷凝器风机功耗、制冷剂泵功耗、冷凝器水泵功耗；c.机柜风机功耗、冷凝器风机功耗、压缩机功耗；d.机柜风机功耗、冷凝器风机功耗、压缩机功耗、冷凝器水泵功耗。

表2 数据测量仪表参数

2 实验结果分析

本节通过实验研究，分析系统在风冷热管模式、蒸发冷却热管模式、风冷蒸气压缩模式、蒸发冷却蒸气压缩模式下的运行性能。一般冷凝器风速的变化对该类系统换热性能和稳定性影响较大，为了使系统在不同室外温度下均能可靠运行，将分析室外温度和冷凝器风速的变化对系统性能的影响。考虑到冷凝器风机最大风速为4 m/s，选择低(1.5 m/s)、中(2.5 m/s)、高(3.5 m/s)三档风速研究风速对系统性能影响，室外温度实验测试区间如表3所示。

表3 系统不同模式室外温度实验测试工况范围

2.1 热管模式系统性能分析

热管模式下，蒸发温度与冷凝温度随室外温度的变化如图4所示。风冷热管模式下，冷凝器风速一定时，当室外温度由-20 ℃升至10 ℃后，冷凝温度tc与蒸发温度te呈线性增长趋势，蒸发温度略高于冷凝温度。值得注意的是，图中标出的结露线对应的是蒸发器进口空气的露点温度(蒸发器进风温度30 ℃，相对湿度30%)，实验研究发现，降低冷凝器风速能有效防止结露，风速每降低1 m/s，蒸发温度平均升高1.8 ℃。在1.5、2.5、3.5 m/s室外机风速下，蒸发器分别在室外温度为-5、-2.5、0 ℃时出现结露。低于上述温度时，为防止结露，系统需要进一步降低风速。

图4 热管模式蒸发温度与冷凝温度的变化

分析实验结果可知：1)室外温度每升高5 ℃，风速为1.5、2.5、3.5 m/s下的蒸发温度分别平均升高2.3、2.1、1.8 ℃。2)在相同室外温度条件下，冷凝器风速的增大提高了换热器表面的对流换热表面传热系数，降低了冷凝器内制冷剂与室外空气间的传热温差，导致冷凝温度降低，蒸发温度也随之降低。3)当蒸发温度低于空气露点温度时，蒸发器结露会给服务器带来安全隐患。

热管模式下，制冷量与制冷剂流量随室外温度的变化如图5所示。风冷热管模式的制冷剂质量流量Mr随室外温度由-20 ℃升至10 ℃而增大，在低、中、高三档风速下，增幅分别为23.2%、21.6%、19.8%，同时，三种风速下的制冷量分别降低了41.5%、37.8%与36.9%。当室外温度为10 ℃时，风速为1.5 m/s与2.5 m/s下的系统制冷量已不能满足8 kW的需求。

图5 热管模式制冷量与制冷剂质量流量的变化

由实验结果推断出：1)室外温度的升高使制冷剂在蒸发器和冷凝器的运动黏度和比容降低，系统的总压力损失降低，导致制冷剂流量逐渐变大。冷凝器风速的改变对制冷剂流量的影响很小。2)虽然室外温度升高使制冷剂流量增加，但蒸发温度的升高大幅降低了蒸发器进出口制冷剂焓差，室内外传热温差逐渐降低，导致系统制冷量显著下降。当室外温度大于-10 ℃时，制冷量降幅增大。

风冷热管模式下，系统功耗与COP随室外温度的变化如图6所示。当室外温度由-20 ℃升至10 ℃时，制冷剂泵功耗降低11.1%，这是因为室外温度的升高使制冷剂温度升高，制冷剂在蒸发器和冷凝器的运动黏度和比容降低，因此制冷剂流动阻力减小，从而降低了制冷剂泵功耗。风机风速一定，其功耗也稳定。虽然此时的系统总功耗在降低，但由于制冷量随着室外温度的升高而大幅下降，最终导致系统COP也降低。当室外温度小于0 ℃时，低冷凝器风速系统的COP更高。当室外温度为-20 ℃时，低、中、高档风速下系统COP分别为16.5、15.2和14.1。当室外温度高于0 ℃时，提高风速有利于提升系统COP，风速为2.5 m/s与3.5 m/s下的系统COP分别在室外温度为0 ℃与5 ℃时开始高于风速为1.5 m/s下的系统COP。

图6 风冷热管模式系统功耗与COP的变化

随着室外温度的升高，风冷热管模式逐渐供冷不足。为了延长热管模式运行区间，系统运行蒸发冷却模式。蒸发冷却热管模式下，系统功耗与COP随室外温度的变化如图7所示。将风冷模式与蒸发冷却模式进行对比，分析实验结果可知：

图7 蒸发冷却热管模式系统功耗与COP的变化

1)蒸发冷却热管模式系统性能参数的变化规律与风冷热管模式相同，因为两者不同之处仅在于冷凝器冷却模式。

2)蒸发冷却起到降低冷凝器冷却风温的作用，进而降低了冷凝温度。

3)蒸发冷却模式增加了循环水泵的功耗，水泵运行频率一定，水泵功耗也基本不变。

4)与风冷热管模式相比，在相同室外温度与冷凝器风速下，蒸发冷却模式有更高的制冷量，由图中的额定制冷量线可知，热管模式室外温度运行上限从10 ℃提升至15 ℃。

5)相比于风冷冷却模式，蒸发冷却模式虽增加了水泵的功耗，但降低了室外机中翅片管换热器的进风温度，增大了冷凝器侧传热温差，室外机冷却效果增强，系统制冷量提高，因此系统COP得到提升。在室外温度为5～10 ℃时，当系统由风冷模式转为蒸发冷却模式后，在1.5、2.5、3.5 m/s风速下该区间内的系统平均COP分别增长了15.5%、13.3%、17.9%。

2.2 蒸气压缩模式系统性能分析

当蒸发冷却热管模式供冷不足时，系统切换为蒸气压缩制冷模式。蒸气压缩模式下，蒸发温度与冷凝温度随室外温度的变化如图8所示。为了使膨胀阀供液充足，冷凝器首先运行风冷冷却模式，由图8可知：

图8 蒸气压缩模式蒸发温度与冷凝温度的变化

1)在一定冷凝器风速下，当室外温度升高时，蒸发温度缓慢升高，冷凝温度的增幅显著。当室外温度由10 ℃升至30 ℃时，低、中、高三档风速下冷凝温度的增幅分别为36.8%、40.1%和43.8%。室外温度的升高导致了制冷量的降低，蒸发器侧传热温差降低，所以系统蒸发温度在缓慢升高。

2)在相同室外温度下，冷凝器风速的提高降低了冷凝温度。当室外温度为20 ℃时，从低风速调至高风速后，冷凝温度降低5.2 ℃。实验结果表明，蒸气压缩模式不同工况下的蒸发温度均高于结露线，未出现蒸发器结露问题。这是因为热管模式下蒸发器与冷凝器直接连通，室外温度对蒸发温度影响较大。蒸气压缩模式中，在压缩机和节流装置的作用下，室外温度主要影响冷凝器的换热效果，对蒸发温度的影响相对较弱。热管模式的室外温度运行区间为-20～15 ℃，而蒸气压缩模式的整体室外温度运行区间为10～40 ℃。因此，热管模式所处的室外温度更低，蒸发温度也相对较低，该模式下蒸发温度随室外温度的降低而大幅下降，因此容易导致蒸发温度低于结露线。蒸气压缩模式所处的室外温度始终高于10 ℃，蒸发温度也不会过低，同时，室外温度的升高对蒸发温度影响较小，蒸发温度较稳定。因此在本文的蒸气压缩模式实验工况中，未出现蒸发器容易结露的隐患。

蒸气压缩模式下，制冷量与制冷剂流量随室外温度的变化如图9所示。当室外温度由10 ℃升至30 ℃后，风速为1.5、2.5、3.5 m/s下的制冷剂流量的增幅分别为42.2%、41.5%、40.1%。制冷量随室外温度的升高而下降，图9中标出了8 kW的额定制冷量线，当室外温度为25 ℃时，风速为1.5 m/s的系统制冷量已低于需求。

图9 蒸气压缩模式制冷量与制冷剂质量流量的变化

由实验结果推断出：蒸发温度的逐渐升高使压缩机吸气口制冷剂比容降低，提高了制冷剂质量流量，但冷凝器风速的改变对制冷剂质量流量无显著影响。

风冷蒸气压缩模式下，系统功耗与COP随室外温度的变化如图10所示。压缩机功耗在总功耗的占比较大，始终超过50%。在室外温度为10、15、20、25、30 ℃时，当冷凝器风速由1.5 m/s增至3.5 m/s后，压缩机功耗在5个温度点下分别降低了20.3%、20.8%、18.2%、16.1%、19.0%，制冷量分别增加了11.8%、12.12%、13.4%、15.6%、19.4%，系统COP分别升高了13.1%、13.8%、19.4%、20.4%、20.8%。

图10 风冷蒸气压缩模式系统功耗与COP的变化

分析实验数据可知：1)虽然高冷却风速下风机的功耗更大，但冷凝温度下降有效降低了压缩机功耗，使总功耗也在降低。2)在一定冷凝器冷却风速下，风机总功耗不变，室外温度的升高使压缩机功耗不断增加，且系统制冷量在下降，所以系统COP逐渐降低。

随着室外温度的升高，风冷蒸气压缩模式的压缩机功耗增幅显著，为了提高能效比，系统切换为蒸发冷却蒸气压缩模式。蒸发冷却蒸气压缩模式下，系统功耗与COP随室外温度的变化如图11所示。分析实验结果可知：

图11 蒸发冷却蒸气压缩模式功耗与COP的变化

1)蒸发冷却蒸气压缩模式性能参数的变化规律与产生原因与风冷蒸气压缩一致。压缩机功耗仍是影响总功耗与系统COP的重要因素。

2)蒸发冷却模式虽增加了水泵的功耗，但冷凝温度与压缩机功耗的下降趋势显著，室外温度大于20 ℃时，与风冷模式相比，蒸发冷却模式拥有更高的能效比。当室外温度为30 ℃时，冷凝器运行蒸发冷却模式后，低、中、高档风速下冷凝温度分别降低了4.68、3.91、4.32 ℃，压缩机功耗分别降低了15.9%、15.1%、15.3%，COP分别提高了17.5%、16.2%、14.3%，也可以看出，蒸发冷却对低风速系统COP的提升作用更显著。

3)当室外温度较低时，冷凝器采用蒸发冷却虽然也能降低冷凝温度，有助于增大系统换热量,但当冷凝温度低于一定值时也会导致膨胀阀供液能力不足，反而影响系统制冷量与COP，导致系统冷却能力和能效比降低，此时压缩比过小也会影响压缩机正常工作。当室外温度低于20 ℃时，冷凝器运行风冷模式能防止冷凝温度过低，保证膨胀阀与压缩机正常工作。当室外温度高于20 ℃时，冷凝温度与压缩机功耗愈发增大，此时，系统选择蒸发冷却形式更能提高冷却效率。

3 结论

本文以蒸发冷却式热管与蒸气压缩复合数据中心空调系统为研究对象，实验分析了室外温度、冷凝器风速和冷却形式对系统不同运行模式下性能参数的影响，得到如下结论：

热管模式：1)风冷模式下，随室外温度的升高，系统制冷量和COP显著下降，当室外温度为10 ℃时，风速为1.5 m/s与2.5 m/s下的系统制冷量已不能满足8 kW的需求。2)当室外温度小于0 ℃时，低冷凝器风速系统的COP更高。当室外温度高于0 ℃时，提高冷凝器风速有利于提升系统COP，风速为2.5 m/s与3.5 m/s下的系统COP分别在室外温度为0 ℃与5 ℃时开始高于风速为1.5 m/s下的系统COP，分别高出了8.5、8.6、8.2和7.1、7.6、7.2。3)与风冷相比，蒸发冷却将热管模式室外温度上限从10 ℃提高至15 ℃，当室外温度为5～10 ℃时，三种风速下系统COP平均增长15.57%。

蒸气压缩模式：1)风冷模式下，制冷量随室外温度的升高而下降，当室外温度为25 ℃时，风速为1.5 m/s的系统制冷量已低于需求。2)在本实验的设定参数下，虽然高冷却风速下风机的功耗更大，但冷凝温度下降有效降低了压缩机功耗，压缩机功耗在总功耗的占比始终超过50%，使总功耗也在降低。3)开启蒸发冷却模式可以有效降低压缩机功耗，并能提升系统的节能性。当室外温度为30 ℃时，在低、中、高三档冷凝器风速下，当系统由风冷模式转为蒸发冷却模式后，系统COP分别升高了17.5%、16.2%、14.3%。