機械制冷/回路熱管一體式機房空調系統分析

董健

摘要：當今時代，節能減耗成了一個至關重要的問題，機房冷卻系統的耗能降低更是迫在眉睫的需要。想要解決此項問題，熱管自行冷卻是行之有效的方案之一。針對熱管自然冷卻在高溫氣候中需要機械制冷幫助作用的問題，挖掘熱管自然冷卻更多的減耗實力，文章對新穎的機械制/回路熱管一體式機房空調系統從原理出發，配合實驗測試，進行了分析與探討。將機械制冷及回路熱管通過三介質換熱器聯合為整體，使得其能夠共同或獨自工作，同時消除舊式空調系統因電磁閥的切換而造成的穩定性隱患。通過焓差室煙臺，我們對該空調系統的機能展開了測試，系統最佳充液率位于100%左右，所有運行模式方案都表現出優秀的制冷能力，20℃溫差下，EER值在熱管模式中達到了20.9，在未來有著極其廣泛的應用前景。

關鍵詞：機房空調系統；機械制冷；熱管制冷；雙啟制冷

人類的生活因信息技術的崛起而日新月異，與此同時，以機房為代表的數據中心的建設也逐漸受到重視。大量機房的出現也帶來了愈發嚴重的能源問題。舊有的機械制冷/回路熱管一體式空調在氣候過渡的時間段，其節能效果遭到很大程度上的限制；而且亦有安全問題因電磁閥的頻繁開啟及閉合而產生。為使現有系統問題得到解決，本研究提供了一類對系統充液率進行提升的新式機械制冷/回路熱管一體式機房空調系統，并在不同工作狀況下對系統性能進行了實驗與測試。

1 系統原理

系統原理如圖l所示。

機械制冷/回路熱管一體式機房空調系統由制冷回路和熱管回路這兩個主要部分組成。除蒸發器，其他設備裝置均搭建在室外。系統通過熱管回路和制冷回路兩者間不同的工作方案，組合出3種工作模式。模式的選用可視機房設定溫度及室外溫度的不同而確定。（l）制冷模式在周圍氣溫較高時工作，壓縮機開始運轉，機械制冷回路中的制冷工質使得熱量從回路熱管工質中向其轉移，機房產出的熱量在室內蒸發器中被回路熱管回路的工質吸收蒸發后流進三介質蒸發器，從而進行進一步蒸發。（2）熱管模式在環境氣溫過低時啟動工作，壓縮機停止工作，這時只有風機運轉，只有室外空氣通路中的冷空氣同回路熱管回路的工質進行換熱冷凝，并在重力的作用下回流。（3）雙啟動模式在環境溫度適中時運作，壓縮機和三介質換熱器的風機開始運作，當回路熱管供冷不足時則使用冷卻材料和環境冷空氣共同冷卻熱管工質，即由機械制冷進行跟進，與回路熱管共同制冷。

2 性能測試

此測試使用焓差實驗臺完成，室內環境室中放置蒸發器，將其余裝置都置于室外環境室中。為克服內部自然循環流動阻力，需使換熱器設備和蒸發器設備之間維持必要的高低差。實驗工作狀況如表1所示。

熱管模式下的制冷量多少是能夠代表系統性能的重要標準，熱管模式下的制冷量受到充液率的明顯影響，故研究的首要目標便為系統的最佳充液率。當環境溫度為17℃，機房內溫度為27℃時，熱管模式下的制冷量因充液率增減而造成的變化如圖2所示。

熱管模式制冷量隨著充液率增加先上升后下降，當充液率低時，蒸發器壁面不能完全被液膜覆蓋，造成了過熱的情況，而當充液率過大會導致大量液體在蒸發器內聚集，使得換熱過程無法完全進行。當充液率大約為l00%時制冷量最高，即最佳充液率的數值應大約處于l00%。

據此將充液率設定為100%，熱管工作模式測試結果如圖3所示，制冷模式和雙啟工作模式測試結果分別如圖4和圖5所示。

圖3顯示，熱管模式下，隨著內外環境溫差的增加，系統制冷量接近線型增長，這種情況下除風機外不存在其他設備耗能，故功率維持在0.3kW。當溫差在20℃時，制冷量為6.6 kW，能效比為20.9。自然冷卻能力充足且擁有較高的能效比。當室外溫度降低使得室內外溫度差距增大時，制冷模式的制冷量也隨之微微上升。在實驗溫度區間內，制冷量一直高于4.8 kW，能夠確保在夏季高溫情況下可靠的制冷能力。將機械制冷和室外自然制冷結合使用的雙啟動工作模式擁有最大的制冷量，在15℃的內外環境溫差下，制冷量能夠達到8.0kW。制冷量根據內外環境溫度差距的增加有一定的上升趨勢差與熱管模式的增大。

結合圖4圖5可判定，處于5℃環境溫度差值下，雙啟模式能夠帶來的制冷量并不如制冷模式優秀。原因是處于雙啟饃式下時，若外部氣溫高于三介質換熱器溫度，冷量反倒會因風扇的開啟而導致流失。深入的測試表明，當內外環境溫度差距小于7℃時會出現這種情況。故雙啟模式工作時環境溫度差值應該高出臨界溫度值，以免帶來資源的無謂損耗。制冷工作模式中，當外環境溫度處于較高值，冷量會因三介質換熱器與空氣自然對流而產生散失。這一過程中的冷量散失經過測試不超過6%。在夏季或其他高溫時期，為減小冷量散失，應將三介質換熱器翅片覆蓋絕熱材料為宜。

3 結語

本研究對新穎的機械制冷/回路熱管一體式機房空調系統進行了分析與探討，發掘到其具有的優秀適配性和節能功效，同時，通過實驗對該系統的機能進行了測試，系統的最佳充液率應該位于100%上下，所有工作模式都表現出優秀的制冷能力，20℃溫差下，EER值在熱管模式中達到了20.9，在未來有著極其廣泛的應用前景。