磁力泵驅(qū)動兩相冷卻復(fù)合制冷系統(tǒng)特性分析和實驗研究

馬躍征　許樹學(xué)　馬國遠　張 雙

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院　北京　100124)

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磁力泵驅(qū)動兩相冷卻復(fù)合制冷系統(tǒng)特性分析和實驗研究

馬躍征許樹學(xué)馬國遠張 雙

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院北京100124)

為降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能耗，搭建了一種磁力泵驅(qū)動的兩相冷卻復(fù)合制冷裝置，并對其進行了實驗研究。結(jié)果表明，室外溫度15 ℃時，泵循環(huán)模式的EER隨冷凝器迎面風(fēng)速先增大后減小，當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時EER獲得最大值。在熱負荷為7.3 kW條件下，實驗獲得了兩種運行模式的最佳轉(zhuǎn)換溫度；最后以哈爾濱和石家莊地區(qū)為例，模擬計算出泵驅(qū)動模式的全年最佳運行時間比。

制冷系統(tǒng)；能效比；運行模式；壓縮式制冷循環(huán)；兩相冷卻

數(shù)據(jù)中心等IT設(shè)備空間的能耗問題越來越引起人們的重視，測試結(jié)果顯示，其能耗密度高達傳統(tǒng)辦公建筑的40倍[1]。在數(shù)據(jù)中心的耗能設(shè)備單元中，制冷系統(tǒng)能耗占總能耗的38%左右，為數(shù)據(jù)中心的第二大耗能單元[2]。因此，降低制冷系統(tǒng)的能耗成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的關(guān)鍵。

為保證數(shù)據(jù)中心的安全運行，傳統(tǒng)的壓縮式制冷循環(huán)需要全年連續(xù)運行。這樣即便是在寒冷的季節(jié)，壓縮機也處在一個高冷凝壓力的水平，使得能耗居高不下。對于我國大部分地區(qū)，全年多數(shù)時間室外溫度低于數(shù)據(jù)中心的安全運行溫度。因此，在寒冷季節(jié)，利用自然冷源冷卻數(shù)據(jù)中心，減少蒸氣壓縮空調(diào)的運行時間，是一種行之有效的系統(tǒng)節(jié)能方法[3-6]。

泵驅(qū)動兩相冷卻是近年來的研究熱點，主要應(yīng)用于空間熱控領(lǐng)域[7-9]。泵驅(qū)動兩相冷卻系統(tǒng)的換熱系數(shù)遠高于泵驅(qū)動單相冷卻系統(tǒng)以及毛細泵循環(huán)系統(tǒng)，并且相比以重力或毛吸力為動力的傳統(tǒng)熱管在結(jié)構(gòu)形式上具有更大的靈活性[10]。在數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面，張雙等[11-12]設(shè)計了一種泵驅(qū)動環(huán)路熱管，獲得了較好的性能特性，并將其應(yīng)用到某小型數(shù)據(jù)中心，實測其節(jié)電性能達36.75%以上。但在室外溫度較高的季節(jié)，仍然需要傳統(tǒng)空調(diào)為數(shù)據(jù)中心降溫。因此，使用兩個獨立的系統(tǒng)無疑增加了空間和經(jīng)濟上的困難。近年來，許多學(xué)者提出并開發(fā)了分離式熱管和蒸氣壓縮復(fù)合冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)通過電磁閥控制蒸氣壓縮模式和熱管模式的切換，并且對充液率、高度差、換熱器結(jié)構(gòu)等進行研究，獲得了良好的節(jié)能效果[13-14]。但是對于這種復(fù)合系統(tǒng)，冷凝器安裝位置必須高于蒸發(fā)器，并且熱管內(nèi)部制冷劑流速遠小于泵驅(qū)動熱管模式，在復(fù)雜空間應(yīng)用存在很大限制。Yan G等[15]設(shè)計一種工質(zhì)泵驅(qū)動兩相冷卻和蒸氣壓縮復(fù)合系統(tǒng)，從系統(tǒng)制冷量和能效比(EER)分析，室外溫度-5 ℃是系統(tǒng)模式切換的最佳點。但由于其系統(tǒng)阻力的影響，導(dǎo)致熱管模式蒸發(fā)器內(nèi)顯熱換熱比例過大，在一定程度上影響系統(tǒng)整體性能。為解決現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，提出一種磁力泵驅(qū)動兩相冷卻復(fù)合系統(tǒng)，并在不同工況下的對其性能進行測試，分析系統(tǒng)的全年能耗及節(jié)能特性。有關(guān)結(jié)論為進一步優(yōu)化研究磁力泵驅(qū)動兩相冷卻復(fù)合系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 工作原理及實驗設(shè)置

磁力泵驅(qū)動兩相冷卻復(fù)合系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、儲液罐、磁力泵、壓縮機、膨脹閥、電磁閥及連接管路組成。其工作過程如下：1)當(dāng)室外溫度足夠低時，通過開啟電磁閥1～4并關(guān)閉電磁閥5～7，運行泵循環(huán)模式。儲液罐內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)泵輸送至蒸發(fā)器內(nèi)；液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱并相變?yōu)閮上嗷蜻^熱狀態(tài)；兩相或過熱狀態(tài)工質(zhì)在冷凝器內(nèi)放熱并冷凝為液態(tài)，進入儲液器。2)當(dāng)室外溫度較高或者泵循環(huán)冷卻能力低于數(shù)據(jù)中心需求時，通過開啟電磁閥5～7并關(guān)閉電磁閥1～4，運行壓縮制冷模式。蒸發(fā)器出口過熱蒸氣經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)；高溫高壓工質(zhì)在冷凝器中放熱冷凝為液態(tài)；液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過膨脹閥變?yōu)閮上酄顟B(tài)進入蒸發(fā)器；工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱相變并在蒸發(fā)器出口達到過熱狀態(tài)。

圖1 磁力泵驅(qū)動兩相冷卻復(fù)合系統(tǒng)Fig.1 Hybrid system with magnetic pump-driven two phase cooling

利用空氣焓差量熱法對其性能進行測試。蒸發(fā)器處于室內(nèi)側(cè)，冷凝器、儲液罐、磁力泵和壓縮機處于室外側(cè)，蒸發(fā)器和冷凝器放置于同一水平高度，并且采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的翅片換熱器，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。連接管道為標(biāo)準(zhǔn)φ19.05 mm紫銅管，工質(zhì)為R22。蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)機采用軸流風(fēng)機。儲液罐容量為16 L。壓縮機選用3 HP滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機。室內(nèi)外測試間分別模擬室內(nèi)外環(huán)境。室內(nèi)外的干球溫度和濕球溫度以及蒸發(fā)器的出風(fēng)干球溫度和濕球溫度分別由6個溫度傳感器測量，蒸發(fā)器風(fēng)量由噴管式流量計測量。磁力泵、風(fēng)機、變頻器和壓縮機的功耗由功率計測量。磁力泵出口管路設(shè)置質(zhì)量流量傳感器測量系統(tǒng)流量。數(shù)據(jù)采集儀為Agilent 34970A，每5 s采集一次數(shù)據(jù)。測試裝置各傳感器精度如表2所示。

室內(nèi)環(huán)境溫濕度是數(shù)據(jù)中心或通信基站設(shè)備安全運行的一個重要參數(shù)。為了模擬數(shù)據(jù)中心的實際運行環(huán)境并具體研究復(fù)合系統(tǒng)的性能特性，室內(nèi)測試間環(huán)境干球溫度和濕球溫度分別設(shè)置為25 ℃和17 ℃。

表1 翅片管換熱器幾何參數(shù)

表2 傳感器精度

2 實驗結(jié)果與分析

泵循環(huán)模式的性能對復(fù)合系統(tǒng)的影響很大。設(shè)定室外測試間干球溫度為15 ℃，泵頻率保持12 Hz，蒸發(fā)器迎面風(fēng)速1 m/s時，冷凝器迎面風(fēng)速對制冷量、EER的影響如圖2所示。其中系統(tǒng)能效比EER由公式(1)計算得到。

(1)

系統(tǒng)制冷量隨著冷凝器迎面風(fēng)速的增大也逐漸增大，但是增幅逐漸減小，逐漸趨于平緩。EER隨著迎面風(fēng)速的增加后迅速降低，在1 m/s時出現(xiàn)最佳值，達到13.01。這是由于冷凝器迎面風(fēng)速的提高，空氣側(cè)的換熱系數(shù)迅速增大，使冷凝器的換熱量迅速增加，但隨著冷凝器內(nèi)工質(zhì)溫度逐漸接近環(huán)境溫度，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量增加速率逐漸減少。而又由于風(fēng)機功率增長趨勢是逐漸增大的，引起系統(tǒng)EER出現(xiàn)最佳值。

圖2 泵驅(qū)動模式冷凝器迎面風(fēng)速對制冷量和EER的影響Fig.2 Cooling capacity and EER of pump-driven mode varies with the face velocity of condenser

圖3 泵驅(qū)動模式制冷量和功率隨室外溫度的變化Fig.3 Cooling capacity and input power of pump-driven mode varies with the outdoor temperature

圖4 蒸氣壓縮模式制冷量和功率隨室外溫度的變化Fig.4 Cooling capacity and input power of vapor compression mode varies with the outdoor temperature

設(shè)定蒸發(fā)器和冷凝器迎面風(fēng)速為1 m/s，泵循環(huán)模式和制冷壓縮模式的制冷量和功率如圖3和圖4所示。泵循環(huán)模式下，泵僅提供給系統(tǒng)循環(huán)的動力，因此系統(tǒng)功率變化較小；而系統(tǒng)制冷量隨室外溫度的降低迅速增加，當(dāng)室外溫度為0 ℃時，制冷量達到9.24 kW，EER達到29.71，當(dāng)室外溫度為20 ℃時，制冷量達到1.37 kW，EER達到5.46。而室外溫度較高時系統(tǒng)制冷量很低，這時仍然需要機械制冷為數(shù)據(jù)中心降溫。壓縮制冷模式的制冷量隨室外溫度的降低同樣逐漸升高，在測試范圍內(nèi)當(dāng)室外溫度從40 ℃降低到20 ℃時，制冷量由7.75 kW增長到9.63 kW，EER分別達到3.02和5.51，這是由于壓縮機在炎熱的季節(jié)需要為系統(tǒng)提供高的冷凝溫度，因此壓縮制冷模式的功率遠高于泵循環(huán)模式。值得注意的是，由于數(shù)據(jù)中心的熱量以顯熱為主，壓縮制冷模式通過控制蒸發(fā)器出口過熱度為10 ℃左右，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度達到9.6 ℃左右，接近于室內(nèi)環(huán)境的露點溫度，這可以有效降低室內(nèi)除濕量。

圖5 哈爾濱和石家莊全年日平均氣溫分布Fig.5 The annual daily average temperature distribution of Harbin and Shijiazhuang

從圖3和圖4可以看出：當(dāng)室外溫度低于5 ℃時，泵循環(huán)模式的制冷量大于7.38 kW；壓縮制冷模式在測試范圍內(nèi)始終高于7.38 kW。因此對于發(fā)熱量為7.3 kW的小型數(shù)據(jù)中心，且室內(nèi)工作溫度為25 ℃時，室外溫度為5 ℃可作為該系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換溫度，當(dāng)室外溫度低于5 ℃時開啟泵循環(huán)模式，室外溫度高于5 ℃時開啟蒸氣壓縮模式。

3 全年節(jié)能潛力分析

為了進一步分析該復(fù)合系統(tǒng)的節(jié)能性，以室內(nèi)溫度設(shè)定為25 ℃、發(fā)熱量為7.3 kW的小型數(shù)據(jù)中心為例，分析計算該復(fù)合系統(tǒng)的全年能耗。圖5是哈爾濱和石家莊地區(qū)全年日平均氣溫分布圖[16]。由圖中可以看出，地理位置偏北的哈爾濱泵循環(huán)模式運行的時間比遠高于石家莊，在哈爾濱泵循環(huán)模式運行時間比可達全年的49.3%，在石家莊地區(qū)可達29.3%。

根據(jù)公式(1)可以推導(dǎo)出復(fù)合系統(tǒng)的逐日平均功耗，其中制冷量為7.3 kW，EER由實驗測量值擬合得到。哈爾濱和石家莊地區(qū)系統(tǒng)功率隨時間變化如圖6所示。在寒冷季節(jié)，該系統(tǒng)泵循環(huán)模式制冷量可以滿足冷卻需求，系統(tǒng)依靠泵循環(huán)模式冷卻從而功耗大幅降低；在某一時間出現(xiàn)大幅波動，這是由于泵循環(huán)模式的EER遠大于壓縮制冷模式，室外溫度低于5 ℃時啟動泵循環(huán)模式引起的；在冬季日平均氣溫相對較寒冷的哈爾濱地區(qū)，系統(tǒng)的功耗比石家莊地區(qū)低，這也是在寒冷地區(qū)，泵循環(huán)熱管模式制冷量更大，節(jié)能性更強的優(yōu)勢。

圖6 哈爾濱和石家莊地區(qū)系統(tǒng)功率隨時間變化Fig.6 Variation of input power with time in Harbin and Shijiazhuang

4 結(jié)論

本文提出一種將磁力泵驅(qū)動兩相冷卻復(fù)合制冷系統(tǒng)，基于空氣焓差法建立了復(fù)合系統(tǒng)的實驗裝置，對其性能進行實驗研究并以哈爾濱和石家莊地區(qū)為例分析其節(jié)能效果。主要結(jié)論如下：

1)室外溫度為15 ℃時，泵循環(huán)模式的EER隨冷凝器迎面風(fēng)速先增大后迅速降低的趨勢，EER在冷凝器迎面風(fēng)速1 m/s時出現(xiàn)最佳值。

2)室外溫度為0 ℃時，泵循環(huán)模式的制冷量達到9.24 kW，能效比EER達到29.71。在室外溫度為40 ℃時，壓縮制冷模式制冷量達到7.75 kW，EER達到3.02。復(fù)合機組存在最佳轉(zhuǎn)換溫度，在實驗條件下為室外溫度5 ℃。

3)對于哈爾濱和石家莊的氣候環(huán)境，該系統(tǒng)節(jié)電性能明顯。在哈爾濱泵循環(huán)模式運行時間比可達全年的49.3 %，在石家莊地區(qū)可達29.3 %，并且較寒冷的哈爾濱地區(qū)系統(tǒng)功耗更低，節(jié)能潛力更大。

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About the author

Ma Guoyuan, male, professor, College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, +86 10-67391613, E-mail: magy@bjut.edu.cn. Research fields: new type refrigeration of natural refrigerants, heat pump circulation and air source heat pump technology on large temperature difference, new and special type compressor.

Characteristic Analysis and Experimental Study on a Hybrid System with Magnetic Pump-driven Two Phase Cooling System

Ma YuezhengXu ShuxueMa GuoyuanZhang Shuang

(College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China)

In order to reduce the energy consumption of data center cooling system, a hybrid system combining vapor compression and magnetic pump-driven two phase cooling system was proposed. The results show that the energy efficiency ratio (EER) of the pump-driven mode increases firstly then decreases with the increasing of the condenser air face velocity at the outdoor temperature of 15 ℃, and it obtains the maximum value when the condenser air face velocity is 1 m/s. Under the condition of 7.3 kW heat load, the proper switch temperature of two operating modes is obtained by the experiments. Finally, taking Harbin and Shijiazhuang as the example, the best running time ratios of the pump-driven mode are calculated from the simulation.

refrigerating system; energy efficiency ratio; operating mode; compression refrigeration cycle; two phase cooling

0253- 4339(2016) 03- 0001- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.001

國家自然科學(xué)基金(51376010)資助項目。( The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51376010).)

2015年7月14日

TB61+5; TB61+1; TU 831.6

A

馬國遠，男, 教授，北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，(010)67391613，E-mail: magy@bjut.edu.cn。研究方向：自然工質(zhì)新型制冷設(shè)備相關(guān)技術(shù)，適合大溫差工況使用的熱泵循環(huán)及空氣源熱泵新技術(shù)，新型及特種壓縮機。