室内工况对蒸发冷凝气泵热管复合空调的影响

王 飞,杨 柳

(1.苏州英维克温控技术有限公司,江苏 苏州 215412;2.西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

伴随“30·60”双碳任务及国家“东数西算”工程的启动,数据中心步入新的发展期,2021年我国数字经济规模占GDP约39.2%[1],成为高载能行业。为维持数据中心安全稳定运行,数据中心冷却系统承担起及时将服务器产生的热量排出的任务,在保障数据中心安全稳定运行的同时消耗了大量电能。根据中国制冷学会统计,2021年中国数据中心耗电量达到了2 166亿度[1],占社会用电量的2.6%,而数据中心制冷系统的耗电量仅次于IT设备的耗电量,因此降低数据中心制冷系统的能耗可降低数据中心的电源使用效率(power usage effectiveness,PUE),充分利用自然冷源是目前最好的方式[1]。分离式热管是一种高效间接利用自然冷源的技术,它不仅可以实现数据中心高效、低成本散热,还能兼顾数据中心内空气品质,当分离式热管与传统蒸气压缩制冷系统相结合时,不仅能够降低成本,还能提高散热能效。在重力型、液泵动力型、气泵动力型3种分离式热管复合技术中气泵驱动热管复合技术成本最低、系统最简单。石文星等研究发现一种气体增压热管复合空调(或称气泵驱动型热管复合空调),在不增加成本的情况下节能率可以达到40%[2];王飞等研究了不同类型压缩机作为气泵时能效情况,以及各类气泵热管复合空调的PUE[3-4];文献[5-6]将旋转式压缩机作为气泵进行性能研究,结果表明旋转式压缩机作为气泵使用具有优异的节能效果。林郁聪等设计了一套氟泵增压空调系统,实验结果表明当室外温度低于-5℃时,使用单氟泵驱动可满足额定制冷量,并且COP值超过19[7]。WANG等研究了一种具有蒸发冷凝的微通道分离式热管制冷系统,与标准冷却系统和服务器机房冷却系统相比每年可节省62.04%的能源,其年平均COP为9.43[8]。YUE研究了数据中心微通道分离热管蒸发端的流量分布和传热特性,建立了蒸发器结构简化百叶翅片平行管的完整CFD模型,仿真结果表明,当系统的最佳制冷剂充注率为65.27%时,所研究的系统最大制冷量可达9 610 W[9]。BAI等研究表明,分离式热管适当的充注量是影响传热性能的最重要因素[10]。LIU介绍了露点蒸发冷却器与热管相结合的复合冷却系统,结果表明,复合制冷系统的年平均COP分别为33和34,与蒸汽压缩制冷相比,可节省近90%的能源[11]。白延斌等改造了白家渠风井场地的供热热源,对比了3种不同热源系统的特点、成本和适用性,改造后热源系统碳排放从9 576 t/a降至1 180 t/a[12]。

张景卫等发现板式蒸发式冷凝器采用逆风形式将降低热湿交换效率,而顺风和错风操作能够强化传热[13]。刘振宇等将蒸发冷却、蒸发冷凝、机械制冷融合在一起,设计了一台新型数据中心用蒸发冷却(凝)空调机组并进行了测试,分析了样机在不同城市的自然冷源利用时长[14]。吴磊等介绍了国内外不同地铁站使用的蒸发冷却(凝)空调系统实际工程,得出只有延长自然冷源的利用时长,因地制宜采取蒸发冷却空调的不同系统形式,才能最大程度降低能耗[15]。傅耀玮等设计了一款蒸发冷凝式间接蒸发冷却空调机组,实验测试得出机组最佳二/一次风量比区间为2.2～2.4,间接蒸发冷却段效率在干燥地区、中湿度地区、高湿度地区分别为72%、61%、53.45%[16]。

MANSKE等优化了一套结合单螺杆压缩机和往复式压缩机、蒸发式冷凝器和直膨式蒸发器系统,开发了现有系统的数学模型,并提出了一种实施最佳控制策略的方法[17]。HEYNS等发现水膜传热系数与空气流速、喷淋水流量和喷淋水温度相关[18];空气和水之间的传质系数、管束的压降都与空气流速、喷淋水流量两因素相关。KOHATA等研发了一种结合压缩制冷系统和泵驱动制冷循环的系统,经过对比,这种新型制冷系统在纽约和芝加哥比传统空调系统节省50%的能耗[19]。

上述研究中的风冷冷凝器比较适用于北方寒冷气候,而对于南方,尤其是干湿球温差较大地区,利用蒸发冷凝技术可以使气泵驱动热管复合空调技术发挥出更高的能效。故而将蒸发冷凝技术、压缩制冷技术与气泵热管技术融合一体,在夏季高温季节采用蒸发冷凝(喷淋/喷雾)装置,充分利用空气中干球与湿球温度的温差(干空气能)。

本文通过研究蒸发冷凝气泵热管复合空调在室内不同的回风空气参数、不同负荷率影响下的CLF值以及平均PUE值,为蒸发冷凝气泵热管复合空调的研究和应用提供参考。

1 蒸发冷凝气泵热管复合空调原理

蒸发冷凝型气泵热管复合空调是将气泵驱动热管循环和蒸气压缩制冷循环结合在一起,由压缩机、冷凝器(含喷雾/喷淋装置)、流量装置(电子膨胀阀)、蒸发器等构成,其中流量装置具有宽幅调节流量功能,包括2个电子膨胀阀,同时室外冷凝器带有喷淋装置,当室外干/湿球温差较大时,利用喷淋/雾蒸发冷强化蒸气压缩制冷循环效率。系统根据不同的室外气象参数和不同的室内负荷需求切换不同的运行模式:喷淋/雾制冷模式、风冷制冷模式以及气泵热管模式。在室外干/湿球温差大、干球温度高时运行喷淋/雾制冷模式;在室外干/湿球温差小时运行风冷制冷模式;在室外气温较低时运行气泵热管模式,此时压缩机以低转速低压比运行,只提供气体流动所需要的动力充分利用自然冷源,避免室内、外机组安装位置带来的不利影响。

2 蒸发冷凝气泵热管复合空调性能

2.1 实验系统

蒸发冷凝气泵热管复合系统实验在焓差法实验室进行,实验时设定室内回风温度为24、30、35 ℃。

实验系统的主要技术指标:制冷量测量范围10 000～50 000 W,测量精度≥98%;温度测量精度≤±0.1 ℃;室内侧风量调节范围2 000～15 000 m3/h;当室外侧温度调节范围-20～55 ℃。

实验方法:开启系统循环,控制室内回风温度24、30、35 ℃,在每一个室内工况下,改变室外温度。当室外温度为20～45 ℃时开启喷雾装置;当室外温度为-10～15 ℃时,关闭喷雾装置,每隔5 ℃进行1次测试,并记录100%负荷以及75%负荷下的制冷量、消耗功率。

冷凝温度通过冷凝器上布置的压力表的相关数据计算得出,机组制冷量、输入功率等参数通过焓差实验室直接采集。

2.2 实验分析

24 ℃回风工况下蒸发冷凝气泵热管复合空调样机性能测试如图1所示。

(a) 冷凝温度和湿球温度 (b) 压缩机COP

(c) 100%负荷时整机EER (d) 75%负荷时整机EER

图1中,设定室外温度为35/28 ℃、室内温度24 ℃作为样机标准工况点,控制压缩机转速90 Hz,此时样机制冷量30 kW,能效比2.72,显热比为0.9,此时冷凝温度47±1 ℃。打开喷雾装置,当达到相同制冷量时压缩机转速仅仅需要82 Hz,此时冷凝温度仅40±1 ℃,能效比达到3.18;而在75%负荷率时使用蒸发冷凝运行模式能效比达到3.6。通过分析压缩机性能系数(coefficient of performance,COP)可知,在室外20 ℃以上时,空气中干湿球温差≥5 ℃,具备一定节能潜力,故而一直开启喷雾装置,采用蒸发冷凝+气泵驱动热管的运行方式,即尽量提高外风机的转速从而实现压缩机在更低压缩比的情况下运行,提升整机性能。随着室外温度降低,压缩机COP呈线性增长,并且达到16～17,远远高于常规压缩机工况(常规压缩机需要压缩比≥1.5,COP大约8左右)。

通过对机组100%负荷以及75%负荷工况下能效比(energy efficiency ratio,EER)分析可知,随着室外温度的降低,机组EER呈线性增长趋势,在室外温度为5 ℃时整机能效超过7;在75%负荷工况下,整机能效提升更为显著,在室外温度为10 ℃时整机能效超过7。

30 ℃回风工况下气泵驱动热管复合空调样机性能测试数据如图2所示。

(a) 冷凝温度和湿球温度

(b) 压缩机COP

(c) 100%负荷时整机EER

(d) 75%负荷时整机EER

从图2可以看出,控制与24 ℃回风工况同样的压缩机转速与内风机转速进行测试,在30 ℃回风温度、室外干湿球35/28 ℃工况下样机制冷量达到35±1 kW,EER达到3.65,在75%负荷率时EER达到4.09。通过压缩机COP可以看出,压缩机COP最高接近20,室内回风温度提高后,压缩机整体COP高于室内回风24 ℃工况,这是因为回风温度提高,压缩机蒸发温度提高,压缩比降低压缩机性能提升。

通过对机组100%负荷以及75%负荷工况下EER分析可知,随着室外温度的降低,机组EER几乎呈线性增长趋势,在室外15 ℃时整机能效超过7;在75%负荷工况下,整机能效提升更为显著,在室外15 ℃时整机能效接近8。

35 ℃回风工况下气泵驱动热管复合空调样机性能测试数据如图3所示。

(a) 冷凝温度和湿球温度

(b) 压缩机COP

(c) 100%负荷时整机EER

(d) 75%负荷时整机EER

从图3(a)、(b)可以看出,控制与24 ℃回风工况同样的压缩机转速与内风机转速进行测试,在35 ℃回风温度、室外干湿球35/28 ℃系统制冷量达到(40±1) kW,EER达到4.03,在75%负荷率时EER达到4.5,并且35 ℃工况下样机显热比为1,即没有除湿现象。从压缩机COP可以看出,压缩机的COP在室外-10 ℃工况下超过24。从图3(c)、(d)可以看出,随着室外温度的降低,机组EER几乎呈线性增长趋势。在室外15 ℃时,100%负荷工况下整机能效超过8;在室外15 ℃时,75%负荷工况下,整机能效提升更为显著,整机能效接近9。

2.3 PUE分析

通过分析数据中心PUE可知,电源/照明系统能耗占比约为5%～15%,而在室内干/湿球温度为24/17 ℃、35/20.5 ℃工况下和室内干/湿球温度为38/20.8 ℃工况下,机组显热比SHR(记为ISHR)分别为0.9、0.95、1。PUE与全年能效比AEER记为IAEER,换算公式记为I1=1+(0.05～0.15)+1/(IAEER×ISHR)[1]。制冷负载系数CLF的计算公式记为I2=1/(IAEER×ISHR),电源/照明系统能耗取平均值0.1,则平均PUE公式为I3=1.1+1/(IAEER×ISHR)。24 ℃回风工况下平均PUE在全国8个典型城市情况如图4所示。

(a) 100%负荷时平均PUE

(b) 75%负荷时平均PUE

从图4可以看出:当采用100%负荷率时,采用蒸发冷凝气泵热管复合空调样机在北京、上海、重庆以及广州地区平均PUE分别为1.28、1.3、1.31、1.33,其CLF值分别为0.182、0.201、0.209、0.233;当采用75%负荷率时,蒸发冷凝气泵热管复合空调样机在北京、上海、重庆以及广州地区平均PUE分别为1.26、1.27、1.28、1.3,其CLF值分别为0.162、0.174、0.179、0.2。30 ℃回风工况下PUE在全国8个典型城市情况如图5所示。

(a) 100%负荷时平均PUE

(b) 75%负荷时平均PUE

从图5可以看出:当采用100%负荷率时,蒸发冷凝气泵热管复合空调样机在北京、上海、重庆以及广州地区平均PUE分别为1.25、1.26、1.26、1.28,其CLF值分别为0.146、0.157、0.162、0.182;当采用75%负荷率时,蒸发冷凝气泵热管复合空调样机在北京、上海、重庆以及广州地区平均PUE分别为1.23、1.24、1.25、1.27,其CLF值分别为0.135、0.145、0.149、0.166。

35 ℃回风工况下平均PUE在全国8个典型城市情况如图6所示。

(a) 100%负荷时平均PUE

(b) 75%负荷时平均PUE

从图6可以看出:当采用100%负荷率时,蒸发冷凝气泵热管复合空调样机在北京、上海、重庆以及广州地区平均PUE分别为1.22、1.23、1.24、1.25,其CLF值分别为0.124、0.133、0.136、0.152;当采用75%负荷率时,蒸发冷凝气泵热管复合空调样机在北京、上海、重庆以及广州地区平均PUE分别为1.22、1.22、1.23、1.24,其CLF值分别为0.118、0.124、0.127、0.14。

3 结 论

1) 蒸发冷凝气泵热管复合空调的蒸发温度随着室内回风工况的升高而增加,复合空调进入气泵热管模式切换温度点随之提高。

2) 在相同实验工况下,提高室内回风温度能降低机组能耗。这是因为提高回风温度也能提高压缩机的蒸发温度,降低压缩机的压缩比使压缩机性能提升,能耗降低。

3) 在相同实验工况下机组负荷率越小平均PUE越低,能耗越低。