數(shù)據(jù)中心混合工質(zhì)氟泵自然冷卻系統(tǒng)性能分析

周 峰，申超亞，馬國遠(yuǎn)，晏祥慧

(北京工業(yè)大學(xué) 制冷與低溫工程系，北京 100124)

0 引 言

受大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字經(jīng)濟(jì)等發(fā)展帶動，數(shù)據(jù)中心數(shù)量和能耗迅速增長。作為重要新型基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心，面臨著數(shù)據(jù)需求旺盛和能耗雙控要求嚴(yán)格的矛盾，已成為我國數(shù)字化發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)達(dá)成面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和迫切需求。鑒于制冷能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中占比達(dá)37%左右[1]，僅次于IT設(shè)備，國家《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》中的10項(xiàng)重點(diǎn)工程有2項(xiàng)明確提出：推進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色建設(shè)，提升制冷系統(tǒng)能效水平。國家發(fā)改委等七部委在《綠色高效制冷行動方案》中更是明確要求：“實(shí)施數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能效提升工程，因地制宜采用自然冷源等制冷方式，推動與機(jī)械制冷高效協(xié)同，大幅提升數(shù)據(jù)中心能效水平”。

在數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗技術(shù)中，以熱管[2]、氟泵[3]、蒸發(fā)冷卻[4-5]、液冷等為代表的自然冷卻技術(shù)，因其顯著的節(jié)能優(yōu)勢而被廣泛研究。研究人員對熱管[6,7]、氟泵[8-11]及復(fù)合系統(tǒng)[12-14]等進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并研究了其實(shí)際應(yīng)用[15-17]、不同地區(qū)的PUE值[18]和不同氣候區(qū)的節(jié)能潛力[19]等方面。但是，上述系統(tǒng)所用工質(zhì)多為R22[20]、R32[21-22]、R600a[23]、CO2[24-25]、R134a[26]等單一工質(zhì)。隨著PUE限值日益趨緊，在面對數(shù)據(jù)中心大溫差跨度、多運(yùn)行模式的全年冷卻情景時(shí)，很難滿足這類復(fù)合冷卻系統(tǒng)實(shí)時(shí)動態(tài)高效運(yùn)行的實(shí)際需求。

為此，本文針對數(shù)據(jù)中心氟泵冷卻系統(tǒng)，以混合工質(zhì)R410A為制冷劑，對多種工況條件下氟泵系統(tǒng)的工作特性開展實(shí)驗(yàn)研究，探討混合工質(zhì)對氟泵系統(tǒng)性能的影響及其變化規(guī)律，從而為系統(tǒng)性能改進(jìn)和工質(zhì)替代提供參考。

1 氟泵系統(tǒng)工作原理

氟泵自然冷卻系統(tǒng)主要由氟泵(工質(zhì)泵)、蒸發(fā)器、冷凝器、儲液罐以及閥門和管道等組成，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖 1 氟泵自然冷卻系統(tǒng)原理Fig. 1 Working mechanism of refrigerant pump-driven free cooling system

當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度并滿足工作溫差時(shí)，該系統(tǒng)開始工作。此時(shí)，液態(tài)工質(zhì)從儲液罐流入氟泵，經(jīng)泵內(nèi)輸送后，工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器并發(fā)生相變吸熱，之后工質(zhì)進(jìn)入冷凝器，被冷凝為液態(tài)工質(zhì)，重新流回儲液罐，由此完成一個(gè)工作循環(huán)。其中蒸發(fā)器置于數(shù)據(jù)中心室內(nèi)側(cè)吸收熱量。通過上述循環(huán)將熱量輸送至冷凝器并散發(fā)到大氣環(huán)境中，以此實(shí)現(xiàn)對室外自然冷源的利用。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與評價(jià)指標(biāo)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于氟泵自然冷卻系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。

該系統(tǒng)主要由氟泵、蒸發(fā)器、冷凝器、儲液罐、熱源水箱、冷源水箱以及連接管道等組成，所用混合工質(zhì)為R410A。系統(tǒng)工作過程為：工質(zhì)泵將過冷工質(zhì)從儲液罐輸送到蒸發(fā)器，工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)通過套管式換熱器與熱源水箱提供的恒溫?zé)崴畵Q熱，吸熱后的工質(zhì)變?yōu)閮上?；然后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)通過套管式換熱器與冷源水箱提供的低溫水換熱，工質(zhì)將熱量排到冷水中從而變?yōu)檫^冷液體，液體工質(zhì)再流入儲液罐，由此完成一個(gè)循環(huán)。

在蒸發(fā)器側(cè)裝有6臺規(guī)格相同的套管式換熱器，每臺蒸發(fā)器工質(zhì)的進(jìn)出口都裝有鉑電阻和壓力變送器測量工質(zhì)的溫度和壓力。冷凝器側(cè)與蒸發(fā)器側(cè)布置相同，通過高低溫水箱分別為蒸發(fā)器和冷凝器提供恒溫的高溫水和恒溫的低溫水。在各個(gè)換熱器進(jìn)出口裝有測量水溫的鉑電阻，并且在蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)口都裝有水流量計(jì)測量高低溫水的流量；工質(zhì)泵進(jìn)出口也都裝有鉑電阻和壓力變送器，在工質(zhì)泵的出口還裝有工質(zhì)質(zhì)量流量計(jì)，氟泵通過變頻器調(diào)節(jié)控制頻率。

根據(jù)系統(tǒng)流程圖(圖2)搭建了實(shí)驗(yàn)臺，如圖3所示。為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集用的測量儀器進(jìn)行了標(biāo)定。表1為主要的測量儀器參數(shù)及其精度。

PP,in、PP,out—工質(zhì)泵進(jìn)、出口壓力；TP,in、TP,out—工質(zhì)泵進(jìn)、出口溫度；MF—流量計(jì)；PR—工質(zhì)側(cè)壓力；TR—工質(zhì)側(cè)溫度；PW—水側(cè)壓力；TW—水側(cè)溫度；E1～E6—蒸發(fā)器；C1～C6—冷凝器。圖 2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程Fig.2 Experimental system flow

(a) 蒸發(fā)器、冷凝器和儲液罐 (b) 氟泵 (c) 高溫水箱 (d) 低溫水箱圖 3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device

表1 主要儀器參數(shù)及精度

2.2 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)及評價(jià)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)過程中，分別以高、低溫水箱的進(jìn)口水溫代表數(shù)據(jù)中心室內(nèi)和室外溫度，涉及到的變量主要有室內(nèi)外溫差、換熱面積及氟泵頻率等。設(shè)定室內(nèi)溫度為26 ℃，室外溫度為8～20 ℃，每間隔2 ℃為一個(gè)工況；換熱面積的控制是通過閥門的開閉控制換熱器的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，本實(shí)驗(yàn)主要考察了4個(gè)換熱器(4個(gè)蒸發(fā)器+4個(gè)冷凝器)或6個(gè)換熱器(6個(gè)蒸發(fā)器+6個(gè)冷凝器)下系統(tǒng)的性能；氟泵頻率通過變頻器調(diào)節(jié)，主要對氟泵頻率在5～30 Hz時(shí)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。室內(nèi)溫度為26 ℃時(shí)，部分測試工況如表2所示。

表2 測試工況Tab.2 Test conditions

系統(tǒng)的主要性能的評價(jià)指標(biāo)有換熱量(Q)和能效比(ε)。其中，系統(tǒng)換熱量由蒸發(fā)器進(jìn)、出口水焓差與質(zhì)量流量得出，而蒸發(fā)器進(jìn)、出口水焓值依據(jù)其測量溫度、壓力得到;ε則由系統(tǒng)換熱量與系統(tǒng)泵功的比值得到，具體計(jì)算方法如下：

Q=qvρ(hout-hin)

(1)

ε=Q/P

(2)

式中：Q為系統(tǒng)換熱量，kW；qv為流體體積流量，m3/s;ρ為流體密度,kg/m3;hout為蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg;hin為蒸發(fā)器進(jìn)口焓值，kJ/kg;ε為能效比;P為泵功耗；kW。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同室內(nèi)溫度下的系統(tǒng)性能

圖4為相同室外溫度下不同溫差對系統(tǒng)換熱量的影響。圖例中，頻率數(shù)值表示泵頻率大小，加號后面的數(shù)字代表換熱器個(gè)數(shù)。

圖 4 不同工況下溫差對換熱量的影響Fig.4 Effect of temperature difference on cooling capacity

從圖4可以看出，隨著溫差的增大，換熱量總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且不同工況間的差異有增大的趨勢。對于工況5，在溫差7.12～17.67 ℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)換熱量從1.83 kW增加到6.4 kW。在溫差較小的情況下，不同工況之間換熱量的差值為0.72 kW; 當(dāng)溫差增大時(shí)，系統(tǒng)換熱量在不同工況間的差值達(dá)到2.27 kW。

在泵頻率15～30 Hz范圍內(nèi)，隨著氟泵頻率的增加，系統(tǒng)換熱量卻呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。主要原因是氟泵工作頻率與流量變化間的對應(yīng)關(guān)系。理論上來說，當(dāng)運(yùn)行頻率較低時(shí)，制冷劑流量較小，工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)換熱后的狀態(tài)，可能會由過冷向兩相狀態(tài)過渡，甚至可能出現(xiàn)過熱狀態(tài)，導(dǎo)致?lián)Q熱效果弱化，從而使系統(tǒng)換熱量在一定程度上降低。這樣一來，通過增加工作頻率，對于系統(tǒng)整體的換熱效果有較大的改善。不過，一旦超過15 Hz后，又會出現(xiàn)換熱量下降的情況。

圖5進(jìn)一步給出了相同室外溫度下不同溫差對系統(tǒng)能效比ε的影響。

圖 5 不同工況下的溫差對ε的影響Fig.5 Effect of temperature difference on ε

從圖5可以看出：隨著室內(nèi)外溫差的升高，系統(tǒng)的ε呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而隨著泵頻率的增加則呈現(xiàn)下降的趨勢。換熱溫差在7.18～17.67 ℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)的ε由4.73升至25.13。泵頻率為15 Hz時(shí)，ε隨溫差變化的斜率為1.85，變化幅度在30%～40%之間；而當(dāng)頻率為25、30 Hz時(shí)，斜率變?yōu)?.85，變化幅度為5%～8%。即相同溫差條件下較低的頻率對ε的影響更加明顯。這主要由于實(shí)驗(yàn)換熱量是逐漸下降的，而泵功率是逐漸增大的。根據(jù)式(2)，系統(tǒng)的ε在測試工況15～30 Hz范圍內(nèi)呈下降趨勢；隨著冷熱源溫差增大，換熱量增加的趨勢明顯，泵功率基本不變，因此系統(tǒng)的ε隨之增大。此外，對比圖5中工況2、4、6與1、3、5等6條曲線，當(dāng)換熱器個(gè)數(shù)為6時(shí)，換熱量較大，而系統(tǒng)消耗的總功率基本不變，故相對于換熱器為4時(shí)具有更高的ε。

3.2 不同室外溫度下的系統(tǒng)性能

圖6給出了不同工況下?lián)Q熱量隨冷源溫度的變化情況。由圖6可知，在室內(nèi)溫度保持26 ℃不變的情況下，隨著室外溫度的升高，其換熱量是逐漸下降的。進(jìn)一步說明了當(dāng)泵頻率不變時(shí)，溫差越大，系統(tǒng)的換熱量越大。另外，在室外溫度較低(≤18 ℃)時(shí)，換熱量的降幅變化越快，其中泵頻率為15 Hz時(shí)，換熱量下降率可達(dá)0.54 kW/℃；當(dāng)室外溫度較高時(shí)(>18 ℃)時(shí)，換熱量下降率為0.296 4 kW/℃。

當(dāng)室外溫度較低時(shí)，溫差是決定換熱量大小的關(guān)鍵。但是，一旦溫差達(dá)到某一臨界值之后，溫差增大對于換熱量的影響開始減弱，此時(shí)決定換熱量大小的關(guān)鍵因素則是制冷劑流量。如圖6所示，泵頻率為25、30 Hz(工況2、3)時(shí)，下降率變化并沒有因?yàn)闇夭畹淖兓▌雍艽?，平均?.227 kW/℃。

圖 6 室外冷源溫度對換熱量的影響Fig.6 Effect of cold source temperature on cooling capacity

圖7給出了不同頻率、同熱源溫度時(shí)系統(tǒng)能效比隨室外溫度的變化，并考慮了泵的能量損耗。圖6已經(jīng)顯示系統(tǒng)的換熱量隨著室外溫度的升高逐漸下降，并且頻率為25 Hz、30 Hz時(shí)換熱量的變化并不明顯。但從圖7中比較其能效比發(fā)現(xiàn)，由于泵功率隨著頻率的增加而增大，當(dāng)泵在高頻工作時(shí)，能效系數(shù)明顯下降，且其下降的速率幾乎相同，而低頻狀態(tài)時(shí)變化速率趨緩。因此，要獲得較高的能效比ε，可考慮系統(tǒng)低頻運(yùn)行。

圖 7 室外冷源溫度對系統(tǒng)能效比的影響Fig.7 Effect of outdoor air temperature on ε

3.3 不同頻率下的系統(tǒng)性能

從圖4中分析得到，系統(tǒng)換熱量在15～30 Hz范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，這與理論分析結(jié)果存在矛盾。為了進(jìn)一步分析驗(yàn)證有關(guān)結(jié)果，在上述頻率范圍的基礎(chǔ)上，向低頻范圍進(jìn)行了擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，并得到如圖8所示的泵頻率5～30 Hz范圍內(nèi)系統(tǒng)換熱量的變化規(guī)律。圖8中換熱器個(gè)數(shù)均為6個(gè)。

圖 8 寬頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)換熱量Fig.8 Cooling capacity in a wide frequency range

從圖8可以看出，隨著泵頻率的增加，系統(tǒng)換熱量呈現(xiàn)先增加后略有下降之后趨于平緩的變化趨勢，并且在泵頻率10～15 Hz這一區(qū)間，系統(tǒng)的換熱量存在一個(gè)峰值。在峰值前的增幅范圍為120%～140%，而超過峰值后，變化幅度在6.22%～7.08%之間。這與本課題組前期對于單一工質(zhì)R22的研究結(jié)果是一致的，見圖9。

圖 9 泵頻率對R22系統(tǒng)換熱量的影響Fig.9 Effect of pump frequency on cooling capacity with R22

由圖9可以看出，R22工質(zhì)系統(tǒng)換熱量峰值出現(xiàn)25 Hz左右[27]。結(jié)合R410A的峰值頻率為10～15 Hz，進(jìn)一步表明系統(tǒng)換熱量峰值出現(xiàn)的頻率范圍與工質(zhì)有密切聯(lián)系。

R410A是由R32和R125等2種工質(zhì)按50%和50%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合而成的非共沸混合工質(zhì)。關(guān)于R410A和R22等2種不同工質(zhì)的差異，從物性參數(shù)上可以看出：R410A的工作壓力高于R22，密度低于R22，并且會存在一定程度的溫度滑移現(xiàn)象，可能是造成上述系統(tǒng)換熱量峰值對應(yīng)頻率點(diǎn)不同的主要原因。對于圖8中高于30 Hz的工況下，R410A系統(tǒng)換熱量是否會再次出現(xiàn)峰值，還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

1) 室外溫度固定時(shí)，隨著室內(nèi)外溫差的升高，系統(tǒng)換熱量呈現(xiàn)增大趨勢，并且不同工況間換熱量的差異呈增大趨勢，小溫差下?lián)Q熱量的差值為0.72 kW，而大溫差下差值可達(dá)2.27 kW。系統(tǒng)能效比ε也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，并隨著泵頻率的增加逐漸下降，較低的頻率對ε的影響更加明顯：15 Hz時(shí)其ε隨溫差變化的斜率為1.85；而當(dāng)頻率為25、30 Hz時(shí)，則變?yōu)?.85。

2) 室內(nèi)溫度不變時(shí)，換熱量和ε均隨室外溫度升高而下降。室外溫度較低(≤18 ℃)時(shí)，換熱量降幅較快，可達(dá)0.54 kW/℃；室外溫度較高時(shí)(>18 ℃)時(shí)，換熱量為0.296 4 kW/℃。高頻時(shí)，能效系數(shù)下降明顯，而低頻時(shí)變化速率趨緩，故建議系統(tǒng)低頻運(yùn)行。

3) 泵頻率5～30 Hz范圍內(nèi)，系統(tǒng)換熱量先增加后略有下降，之后趨于平緩，峰值在10～15 Hz。低于峰值時(shí)增幅在120%～141%之間，高于峰值后降幅在6.22%～7.08%之間。這與前期單一工質(zhì)R22的趨勢是一致的，只是R22工質(zhì)的峰值對應(yīng)頻率為25 Hz。