數據機房自然冷卻用泵驅動回路熱管換熱機組性能的實驗研究

摘要：設計了一種數據中心自然冷卻用泵驅動回路熱管換熱機組，并介紹該機組的構成和工作原理，針對研制的樣機搭建實驗系統并較全面地進行實驗研究。結果表明：當室內外溫差為10 ℃時，機組能效比COP為5.88；當室內外溫差為18 ℃時，機組COP可達10.41；當系統質量流量在一定范圍變化時，即工質氣化率在2%～50%范圍內，機組換熱量沒有顯著變化，且換熱量與室內外溫差近似呈線性關系；同時系統阻力越大，蒸發器進出口溫差越大，顯熱換熱量所占比例也越大。

關鍵詞：數據中心節能；回路熱管；自然冷卻

中圖分類號：TU831.6

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0145-06

隨著信息化水平的不斷提高，各類數據中心數量快速得到增長，由此帶來了數據中心的耗電量急劇上升。據統計，2011年中國數據中心總耗電量達700億kW·h，已經占到全社會用電量的15%^[1]。在數據中心總能耗中，IT設備占46%，空調能耗占31%，不間斷電源占8%，照明占4%，其他占11%^[2]。因此，降低空調系統的能耗已經成為數據中心節能的首要任務。

數據中心空調系統目前有機械制冷和自然冷卻2種方式。在機械制冷方式下，綜合利用各種節能手段，可以降低空調系統用電量20%～50%，將空調系統用電量占機房總耗電量的比例降低至30%左右，說明機械制冷對數據中心PUE（Power Usage Effectiveness 電能利用效率）降低的潛力有限^[3]。而目前，雅虎“雞窩”式數據中心PUE 1.08，Facebook數據中心PUE1.15，谷歌的比利時數據中心PUE 1.16，惠普英國溫耶德數據中心PUE 1.16，微軟都柏林數據中心PUE 1.25，這企業的數據中心PUE如此之低的主要原因是由于它們最大限度地使用自然冷卻方式為機房降溫^[4]。

在自然冷卻系統中有直接新風冷卻方式^[5-8]，間接新風冷卻方式比直接新風式種類要多，如與機械制冷結合的復合制冷模式^[9-10]，冷卻塔自然冷卻方式^[11-13]，整體式熱管換熱器^[14-17]，分離式熱管換熱器^[18]。間接新風冷卻的載冷劑如果為單相顯熱冷卻，輸送工質泵功率大，而利用相變換熱的熱管換熱器由于沒有機械驅動力，蒸發器與冷凝器安裝條件受限制，同時系統的大型化也有難度。為了克服上述自然冷卻系統存在的不足，筆者設計出一種數據中心自然冷卻用泵驅動回路熱管換熱機組，本文詳細介紹該機組的構成和工作原理，針對研制的樣機搭建實驗系統并較全面地實驗研究。

張雙，等：數據機房自然冷卻用泵驅動回路熱管換熱機組性能實驗研究

1泵驅動回路熱管換熱機組

設計的泵驅動回路熱管換熱機組的系統組成如圖1所示，主要由工質泵、室內側并聯安放的4臺蒸發器、室外側并聯安放的3臺冷凝器、儲液罐以及連接管道等組成，將系統內部抽真空后充注低沸點工質，如R410A等。其工作過程是工質泵將過冷工質輸送到蒸發器，工質在蒸發器內吸收室內熱空氣的熱量，溫度升高并伴隨部分工質汽化，即工質在蒸發器內既有顯熱換熱、又有相變吸熱，從蒸發器出來的兩相工質流入冷凝器進行冷凝放熱，工質將自身攜帶的熱量散到大氣中而變為過冷液體，液體匯集到儲液罐后被吸入工質泵中進入下一次循環。這樣，當室外氣溫低于室內空氣溫時，泵驅動工質在系統內循環，就可以將室內側IT設備的發熱量，攜帶到室外并散發給周圍的冷空氣。在這一過程中，工質既有顯熱換熱、又有潛熱換熱。

從以上分析可以看出，這種自然冷卻系統具有以下優點：1）由于機房內部為相變冷卻，提升了換熱效果，工質泵流量小，系統阻力小，因而泵功率遠低于壓縮機的功率，具有明顯節能效益；2）泵的驅動力遠大于重力，能適應較復雜的管路，因此蒸發器和冷凝器布置比較靈活，結構形式可以多樣化；3）機房內部無需用水冷卻，消除機房內部漏水隱患，同時冬季室外不需要防凍措施； 4）系統構成比較簡單，可靠性高，易操作維護，成本較低。冷卻系統存在的主要缺點是：1）室外空氣溫度必須低于室內空氣溫度閾值；2）系統阻力不宜過大；3）冷凝器相對于蒸發器高度不宜過大；4）等溫相變換熱熵產大于顯熱換熱熵產^[19]。

2實驗系統及測量

研制樣機的實驗測量系統如圖1所示，室內裝有4臺規格相同的蒸發器，機組吊裝在長14 m、寬6 m、高3.5 m的測量房間內，每臺機組額定風量2 700 m3/h。每臺機組工質管路的進出口安裝有壓力變送器和熱電偶，風側進出口各安裝3個熱電偶，測量進出口風溫；室內負荷由共計34 kW的電加熱器提供，其中9 kW電加熱器2臺，2 kW電加熱器8臺；室外側處在一個密閉的空間內，并且也有一套空氣處理系統，對冷凝器溫度進行控制，能保證室外冷凝器的送風參數滿足實驗要求；室內裝有濕度傳感器，室內總供液管安裝有質量流量計，且工質進出室內的總管安裝壓力變送器和熱電偶；冷凝器、儲液罐和工質泵放在室外，冷凝器共3臺，每臺冷凝器風機都可以獨立控制，并用變頻器變頻調節風量，冷凝器風量通過風速儀測得，冷凝器風側進出口各安裝6個熱電偶；室內風機功率和冷凝器風機功率通過功率變送器測得，50 Hz下，室內風機總功率為0.98 kW，冷凝器風機總功率為1.14 kW；工質泵進出口裝有壓力變送器和熱電偶，工質泵通過變頻器調節工質流量，泵功率由變頻器上的功率表測得。測量出的泵參數見表1。

4實驗結果與討論

4.1機組的換熱特性

在室外溫度7 ℃、室內溫度25 ℃與室外溫度15 ℃、室內溫度25 ℃兩種工況下，泵頻率為15 Hz時，通過測量得出的機組換熱量和能效比（COP）列于表3中。

從表3中可以看出，當室內外溫差在10 ℃時，機組換熱量為11.11 kW、COP為5.88，性能明顯優于機械制冷的機房空調 [20]。隨著室內外溫差的增大，機組換熱量和COP快速上升，當溫差為18 ℃時，機組換熱量為23.45 kW、COP達到10.41，基本是溫差為10 ℃時的1倍，利用該機組進行自然冷卻換熱的優勢變得更加明顯。因此，泵驅動回路熱管換熱機組具有顯著的節能特性，且室內外溫差越大，節能效果越明顯，它在數據中心自然冷卻中的應用潛力巨大。

4.2機組的質量流量特性

在室外溫度為15和7 ℃時，機組蒸發器的換熱量隨工質質量流量的變化如圖2所示。從圖中可以看出，在室外溫度為15 ℃時，隨著質量流量的減小，蒸發器換熱量幾乎沒有明顯變化，只是在泵的頻率為15～20 Hz時略有回升；而當室外溫度為7 ℃時，隨著質量流量的減小，蒸發器的換熱量先降低而后升高。造成這一現象的原因主要有以下2個：1）隨著系統工質質量流量的降低，管道內工質側的傳熱系數先降低后逐漸增大；2）隨著流量的降低泵的功率迅速下降，見表1。

通過實測數據得出的系統工質體積流量與質量流量之間的關系如圖3所示。假設將系統內部工質兩相流看作均相流，隨著質量流量的降低，體積流量起初沒有顯著變化，均相流體積流速沒有增加；而隨著系統氣化率升高，單位體積工質內氣體所占比例增大，相同條件下，氣體的換熱系數要小于液體的換熱系數。因此，蒸發器內工質側的傳熱系數有所降低。而泵的頻率從25 Hz降低到15 Hz時，質量流量繼續下降，而體積流量明顯上升，蒸發器內工質氣液混合流速提高，工質速度的提高，降低了管道內部邊界層的厚度，蒸發器內傳熱系數上升。胡海濤等在研究純工質的流動沸騰換熱發現，純工質R410A的傳熱系數隨著干度的增大先增大后減小^[21]，這也從另一方面印證了工質干度在一定范圍內增加有助于提高工質側的換熱效果的分析結果。

從表1可以清除看出泵功率隨工質流量的變化，50 Hz時泵功率為2.27 kW，而15 Hz時泵功率僅為0.23 kW，頻率從50 Hz降到15 Hz而泵功率降低了近10倍。由于系統選擇的是屏蔽泵，泵的發熱功率完全由循環介質冷卻，本來冷卻室內的冷量，卻需要部分冷量來冷卻泵的發熱，降低了蒸發器的換熱量。由于泵的功率變化范圍較大，導致在流量較小時，蒸發器的換熱量得到了小幅度提升。

圖4表示出工質質量流量與機組COP之間的關系。參照圖2和4，隨著流量的降低，換熱量變化不大，而系統的COP卻升高一倍左右。COP上升的原因主要由于泵的功率降低，在50 Hz時，泵的功率為2.27 kW，而系統總的功率為4.30，占了總功率的一半以上，隨著頻率的降低，泵功率迅速下降，而系統換熱量卻沒有顯著變化，這就使系統COP迅速上升。對于工質相變換熱，工質流量在一定范圍變化，對系統換熱效果沒有明顯影響，而工質的氣化率卻變化很大，如圖5所示。因此，相變換熱系統工質流量的大小可以通過氣化率來確定。從圖5還可以看出，當工質的氣化率在2%～50%內變化時，系統的換熱量不會有顯著變化，而泵消耗的功率卻顯著降低，COP明顯提升，這也是泵驅動回路熱管換熱系統的優勢。

4.3機組的阻力特性

測量出機組工質側阻力與蒸發器進出口溫差及顯熱占總換熱量的比例之間關系如圖6所示。從圖中可以看出，隨著機組系統阻力增加，蒸發器進出口工質溫差增大。例如，阻力從0.23 bar增加到2.34 bar，蒸發器進出口工質溫差從2.59 ℃升至5.03 ℃。顯熱占蒸發器總換熱量的比例也隨系統阻力的增加而增大，例如，阻力從0.23 bar增加到2.34 bar，顯熱所占比例從5.90%升至46.33%。出現這一現象的原因是，當室內、外溫度一定時，工質進入蒸發器的溫度基本不變，系統阻力增加意味著蒸發器進口壓力增大，這樣造成了蒸發器進口的過冷度變大，因此，蒸發器進出口溫差及顯熱所占比例均隨阻力增加而升高。

當然，系統流量增加，也會使顯熱所占比例增大，但是，這種情況下蒸發器進出口溫差幾乎不變或略有減小。

可以推斷，如果系統阻力繼續增大話，蒸發器過冷度繼續增加，顯熱換熱比例繼續增大，最終變為全顯熱換熱。這也說明，泵驅動回路熱管換熱機組的系統阻力不能過大。影響蒸發器過冷度的另一個原因是由于冷凝器與蒸發器的高度差產生，當冷凝器過高時，會對蒸發器產生液柱靜壓力。因此，泵驅動回路熱管換熱機組應用受限制的2個因素是：冷凝器高于蒸發器的高度差受限制；系統阻力不能過大。

4.4室內外溫差與換熱量的關系

在泵功率為40 Hz的條件下，室內溫度穩定在25 ℃，實測出的室內外溫差與換熱量之間的關系如圖7所示。從圖中可以看出，機組的換熱量和室內外溫差幾乎呈線性關系，線形擬合出的函數關系式為y（kW）=1.28x（℃） -2.22。

從實驗數據擬合出的關系式可以看出，當室內外溫差為1.73 ℃時，機組的換熱量為零。這時因為，冷凝器向大氣中散發的熱量包含泵的部分功率和室內風機的功率。冷凝器的換熱量要大于蒸發器的換熱量，當室內外溫差為1.73 ℃時，冷凝器的換熱量正好等于泵和室內風機這部分功率轉化成的熱量。如果泵與外界沒有熱量的交換，那么泵的功率最終全部轉化為熱量由冷凝器散出，且冷凝器風機產生的熱量也將由室外風帶走，那么，冷凝器的換熱量=蒸發器的換熱量+（泵功率+室內風機功率）轉化成的熱量。從擬合式可以看出，2.22 kW就是泵和風機消耗的功率轉化成的熱量。實驗測出，40 Hz時泵功率為1.39，室內風機總功率為0.89，1.39+0.89=2.28>2.22。原因在于：泵置于室外，實際運行時與外界有熱交換，另一方面，泵出口至室內的管路沒有保溫，同樣也會向室外空氣散熱，也就是說，這部分少量的熱量沒有通過冷凝器直接散發大氣中了。

機組換熱量與室內外溫差之間的線性關系，為通過調節機組換熱量來控制數據中心室內溫度帶來了便利。當室外溫度低時，數據中心的建筑結構冷負荷會降低，甚至是向外散熱出現負值，這時，數據中心總冷負荷變化不大或有所下降，而自然冷卻系統的機組換熱量卻近似線性上升，如果要想維持數據中心溫度穩定，需要調節自然冷卻系統降低換熱量。研究發現，當系統換熱為相變換熱時，系統工質流量變化對換熱量沒有顯著影響，這就表明，在一定范圍內調節系統流量并不能明顯改變系統的換熱量。剩下的可調條件為：1）冷凝器風量；2）冷凝器臺數；3）蒸發器風量。調節選擇依據：保證數據中心冷卻效果的前提下，使自然冷卻系統保持較高的COP。所以，自然冷卻系統的調節順序為：冷凝器風量；冷凝器臺數；蒸發器風量。也就是說，先通過冷凝器風機變頻調節風量，再通過冷凝器風機的啟停調節冷凝器臺數，最后調節蒸發器風機的風量。

5結論

1）當室內外溫差為10 ℃時，泵驅動回路熱管換熱機組COP可達5.88，且隨溫差變大而快速升高。該機組能夠長期穩定運行，節能效益顯著，是數據中心節能減排的重要技術手段。

2）系統的工質質量流量在一定范圍內時，即當工質氣化率在5%～50%變化時，系統換熱量沒有顯著變化，而隨著系統工質質量流量降低，系統阻力顯著下降，泵功率減小，換熱系統的COP升高。

3）室內外溫差與系統換熱量幾乎呈線性關系，據此歸納出數據中心控制溫度的自然冷卻系統調節順序為：先通過冷凝器風機變頻調節風量，再通過冷凝器風機的啟停調節冷凝器臺數，最后調節蒸發器風機的風量。

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（編輯王秀玲）