室內(nèi)工況對蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)的影響

王 飛,楊 柳

(1.蘇州英維克溫控技術(shù)有限公司,江蘇 蘇州 215412;2.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

伴隨“30·60”雙碳任務(wù)及國家“東數(shù)西算”工程的啟動,數(shù)據(jù)中心步入新的發(fā)展期,2021年我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模占GDP約39.2%[1],成為高載能行業(yè)。為維持?jǐn)?shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運(yùn)行,數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)承擔(dān)起及時將服務(wù)器產(chǎn)生的熱量排出的任務(wù),在保障數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時消耗了大量電能。根據(jù)中國制冷學(xué)會統(tǒng)計,2021年中國數(shù)據(jù)中心耗電量達(dá)到了2 166億度[1],占社會用電量的2.6%,而數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的耗電量僅次于IT設(shè)備的耗電量,因此降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能耗可降低數(shù)據(jù)中心的電源使用效率(power usage effectiveness,PUE),充分利用自然冷源是目前最好的方式[1]。分離式熱管是一種高效間接利用自然冷源的技術(shù),它不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高效、低成本散熱,還能兼顧數(shù)據(jù)中心內(nèi)空氣品質(zhì),當(dāng)分離式熱管與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)相結(jié)合時,不僅能夠降低成本,還能提高散熱能效。在重力型、液泵動力型、氣泵動力型3種分離式熱管復(fù)合技術(shù)中氣泵驅(qū)動熱管復(fù)合技術(shù)成本最低、系統(tǒng)最簡單。石文星等研究發(fā)現(xiàn)一種氣體增壓熱管復(fù)合空調(diào)(或稱氣泵驅(qū)動型熱管復(fù)合空調(diào)),在不增加成本的情況下節(jié)能率可以達(dá)到40%[2];王飛等研究了不同類型壓縮機(jī)作為氣泵時能效情況,以及各類氣泵熱管復(fù)合空調(diào)的PUE[3-4];文獻(xiàn)[5-6]將旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)作為氣泵進(jìn)行性能研究,結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)作為氣泵使用具有優(yōu)異的節(jié)能效果。林郁聰?shù)仍O(shè)計了一套氟泵增壓空調(diào)系統(tǒng),實驗結(jié)果表明當(dāng)室外溫度低于-5℃時,使用單氟泵驅(qū)動可滿足額定制冷量,并且COP值超過19[7]。WANG等研究了一種具有蒸發(fā)冷凝的微通道分離式熱管制冷系統(tǒng),與標(biāo)準(zhǔn)冷卻系統(tǒng)和服務(wù)器機(jī)房冷卻系統(tǒng)相比每年可節(jié)省62.04%的能源,其年平均COP為9.43[8]。YUE研究了數(shù)據(jù)中心微通道分離熱管蒸發(fā)端的流量分布和傳熱特性,建立了蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡化百葉翅片平行管的完整CFD模型,仿真結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)的最佳制冷劑充注率為65.27%時,所研究的系統(tǒng)最大制冷量可達(dá)9 610 W[9]。BAI等研究表明,分離式熱管適當(dāng)?shù)某渥⒘渴怯绊憘鳠嵝阅艿淖钪匾蛩豙10]。LIU介紹了露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器與熱管相結(jié)合的復(fù)合冷卻系統(tǒng),結(jié)果表明,復(fù)合制冷系統(tǒng)的年平均COP分別為33和34,與蒸汽壓縮制冷相比,可節(jié)省近90%的能源[11]。白延斌等改造了白家渠風(fēng)井場地的供熱熱源,對比了3種不同熱源系統(tǒng)的特點(diǎn)、成本和適用性,改造后熱源系統(tǒng)碳排放從9 576 t/a降至1 180 t/a[12]。

張景衛(wèi)等發(fā)現(xiàn)板式蒸發(fā)式冷凝器采用逆風(fēng)形式將降低熱濕交換效率,而順風(fēng)和錯風(fēng)操作能夠強(qiáng)化傳熱[13]。劉振宇等將蒸發(fā)冷卻、蒸發(fā)冷凝、機(jī)械制冷融合在一起,設(shè)計了一臺新型數(shù)據(jù)中心用蒸發(fā)冷卻(凝)空調(diào)機(jī)組并進(jìn)行了測試,分析了樣機(jī)在不同城市的自然冷源利用時長[14]。吳磊等介紹了國內(nèi)外不同地鐵站使用的蒸發(fā)冷卻(凝)空調(diào)系統(tǒng)實際工程,得出只有延長自然冷源的利用時長,因地制宜采取蒸發(fā)冷卻空調(diào)的不同系統(tǒng)形式,才能最大程度降低能耗[15]。傅耀瑋等設(shè)計了一款蒸發(fā)冷凝式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組,實驗測試得出機(jī)組最佳二/一次風(fēng)量比區(qū)間為2.2～2.4,間接蒸發(fā)冷卻段效率在干燥地區(qū)、中濕度地區(qū)、高濕度地區(qū)分別為72%、61%、53.45%[16]。

MANSKE等優(yōu)化了一套結(jié)合單螺桿壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)、蒸發(fā)式冷凝器和直膨式蒸發(fā)器系統(tǒng),開發(fā)了現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并提出了一種實施最佳控制策略的方法[17]。HEYNS等發(fā)現(xiàn)水膜傳熱系數(shù)與空氣流速、噴淋水流量和噴淋水溫度相關(guān)[18];空氣和水之間的傳質(zhì)系數(shù)、管束的壓降都與空氣流速、噴淋水流量兩因素相關(guān)。KOHATA等研發(fā)了一種結(jié)合壓縮制冷系統(tǒng)和泵驅(qū)動制冷循環(huán)的系統(tǒng),經(jīng)過對比,這種新型制冷系統(tǒng)在紐約和芝加哥比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省50%的能耗[19]。

上述研究中的風(fēng)冷冷凝器比較適用于北方寒冷氣候,而對于南方,尤其是干濕球溫差較大地區(qū),利用蒸發(fā)冷凝技術(shù)可以使氣泵驅(qū)動熱管復(fù)合空調(diào)技術(shù)發(fā)揮出更高的能效。故而將蒸發(fā)冷凝技術(shù)、壓縮制冷技術(shù)與氣泵熱管技術(shù)融合一體,在夏季高溫季節(jié)采用蒸發(fā)冷凝(噴淋/噴霧)裝置,充分利用空氣中干球與濕球溫度的溫差(干空氣能)。

本文通過研究蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)在室內(nèi)不同的回風(fēng)空氣參數(shù)、不同負(fù)荷率影響下的CLF值以及平均PUE值,為蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)原理

蒸發(fā)冷凝型氣泵熱管復(fù)合空調(diào)是將氣泵驅(qū)動熱管循環(huán)和蒸氣壓縮制冷循環(huán)結(jié)合在一起,由壓縮機(jī)、冷凝器(含噴霧/噴淋裝置)、流量裝置(電子膨脹閥)、蒸發(fā)器等構(gòu)成,其中流量裝置具有寬幅調(diào)節(jié)流量功能,包括2個電子膨脹閥,同時室外冷凝器帶有噴淋裝置,當(dāng)室外干/濕球溫差較大時,利用噴淋/霧蒸發(fā)冷強(qiáng)化蒸氣壓縮制冷循環(huán)效率。系統(tǒng)根據(jù)不同的室外氣象參數(shù)和不同的室內(nèi)負(fù)荷需求切換不同的運(yùn)行模式:噴淋/霧制冷模式、風(fēng)冷制冷模式以及氣泵熱管模式。在室外干/濕球溫差大、干球溫度高時運(yùn)行噴淋/霧制冷模式;在室外干/濕球溫差小時運(yùn)行風(fēng)冷制冷模式;在室外氣溫較低時運(yùn)行氣泵熱管模式,此時壓縮機(jī)以低轉(zhuǎn)速低壓比運(yùn)行,只提供氣體流動所需要的動力充分利用自然冷源,避免室內(nèi)、外機(jī)組安裝位置帶來的不利影響。

2 蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)性能

2.1 實驗系統(tǒng)

蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合系統(tǒng)實驗在焓差法實驗室進(jìn)行,實驗時設(shè)定室內(nèi)回風(fēng)溫度為24、30、35 ℃。

實驗系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):制冷量測量范圍10 000～50 000 W,測量精度≥98%;溫度測量精度≤±0.1 ℃;室內(nèi)側(cè)風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍2 000～15 000 m3/h;當(dāng)室外側(cè)溫度調(diào)節(jié)范圍-20～55 ℃。

實驗方法:開啟系統(tǒng)循環(huán),控制室內(nèi)回風(fēng)溫度24、30、35 ℃,在每一個室內(nèi)工況下,改變室外溫度。當(dāng)室外溫度為20～45 ℃時開啟噴霧裝置;當(dāng)室外溫度為-10～15 ℃時,關(guān)閉噴霧裝置,每隔5 ℃進(jìn)行1次測試,并記錄100%負(fù)荷以及75%負(fù)荷下的制冷量、消耗功率。

冷凝溫度通過冷凝器上布置的壓力表的相關(guān)數(shù)據(jù)計算得出,機(jī)組制冷量、輸入功率等參數(shù)通過焓差實驗室直接采集。

2.2 實驗分析

24 ℃回風(fēng)工況下蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)性能測試如圖1所示。

(a) 冷凝溫度和濕球溫度 (b) 壓縮機(jī)COP

(c) 100%負(fù)荷時整機(jī)EER (d) 75%負(fù)荷時整機(jī)EER

圖1中,設(shè)定室外溫度為35/28 ℃、室內(nèi)溫度24 ℃作為樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn),控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速90 Hz,此時樣機(jī)制冷量30 kW,能效比2.72,顯熱比為0.9,此時冷凝溫度47±1 ℃。打開噴霧裝置,當(dāng)達(dá)到相同制冷量時壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速僅僅需要82 Hz,此時冷凝溫度僅40±1 ℃,能效比達(dá)到3.18;而在75%負(fù)荷率時使用蒸發(fā)冷凝運(yùn)行模式能效比達(dá)到3.6。通過分析壓縮機(jī)性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)可知,在室外20 ℃以上時,空氣中干濕球溫差≥5 ℃,具備一定節(jié)能潛力,故而一直開啟噴霧裝置,采用蒸發(fā)冷凝+氣泵驅(qū)動熱管的運(yùn)行方式,即盡量提高外風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)壓縮機(jī)在更低壓縮比的情況下運(yùn)行,提升整機(jī)性能。隨著室外溫度降低,壓縮機(jī)COP呈線性增長,并且達(dá)到16～17,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)壓縮機(jī)工況(常規(guī)壓縮機(jī)需要壓縮比≥1.5,COP大約8左右)。

通過對機(jī)組100%負(fù)荷以及75%負(fù)荷工況下能效比(energy efficiency ratio,EER)分析可知,隨著室外溫度的降低,機(jī)組EER呈線性增長趨勢,在室外溫度為5 ℃時整機(jī)能效超過7;在75%負(fù)荷工況下,整機(jī)能效提升更為顯著,在室外溫度為10 ℃時整機(jī)能效超過7。

30 ℃回風(fēng)工況下氣泵驅(qū)動熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)性能測試數(shù)據(jù)如圖2所示。

(a) 冷凝溫度和濕球溫度

(b) 壓縮機(jī)COP

(c) 100%負(fù)荷時整機(jī)EER

(d) 75%負(fù)荷時整機(jī)EER

從圖2可以看出,控制與24 ℃回風(fēng)工況同樣的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試,在30 ℃回風(fēng)溫度、室外干濕球35/28 ℃工況下樣機(jī)制冷量達(dá)到35±1 kW,EER達(dá)到3.65,在75%負(fù)荷率時EER達(dá)到4.09。通過壓縮機(jī)COP可以看出,壓縮機(jī)COP最高接近20,室內(nèi)回風(fēng)溫度提高后,壓縮機(jī)整體COP高于室內(nèi)回風(fēng)24 ℃工況,這是因為回風(fēng)溫度提高,壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度提高,壓縮比降低壓縮機(jī)性能提升。

通過對機(jī)組100%負(fù)荷以及75%負(fù)荷工況下EER分析可知,隨著室外溫度的降低,機(jī)組EER幾乎呈線性增長趨勢,在室外15 ℃時整機(jī)能效超過7;在75%負(fù)荷工況下,整機(jī)能效提升更為顯著,在室外15 ℃時整機(jī)能效接近8。

35 ℃回風(fēng)工況下氣泵驅(qū)動熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)性能測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

(a) 冷凝溫度和濕球溫度

(b) 壓縮機(jī)COP

(c) 100%負(fù)荷時整機(jī)EER

(d) 75%負(fù)荷時整機(jī)EER

從圖3(a)、(b)可以看出,控制與24 ℃回風(fēng)工況同樣的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試,在35 ℃回風(fēng)溫度、室外干濕球35/28 ℃系統(tǒng)制冷量達(dá)到(40±1) kW,EER達(dá)到4.03,在75%負(fù)荷率時EER達(dá)到4.5,并且35 ℃工況下樣機(jī)顯熱比為1,即沒有除濕現(xiàn)象。從壓縮機(jī)COP可以看出,壓縮機(jī)的COP在室外-10 ℃工況下超過24。從圖3(c)、(d)可以看出,隨著室外溫度的降低,機(jī)組EER幾乎呈線性增長趨勢。在室外15 ℃時,100%負(fù)荷工況下整機(jī)能效超過8;在室外15 ℃時,75%負(fù)荷工況下,整機(jī)能效提升更為顯著,整機(jī)能效接近9。

2.3 PUE分析

通過分析數(shù)據(jù)中心PUE可知,電源/照明系統(tǒng)能耗占比約為5%～15%,而在室內(nèi)干/濕球溫度為24/17 ℃、35/20.5 ℃工況下和室內(nèi)干/濕球溫度為38/20.8 ℃工況下,機(jī)組顯熱比SHR(記為ISHR)分別為0.9、0.95、1。PUE與全年能效比AEER記為IAEER,換算公式記為I1=1+(0.05～0.15)+1/(IAEER×ISHR)[1]。制冷負(fù)載系數(shù)CLF的計算公式記為I2=1/(IAEER×ISHR),電源/照明系統(tǒng)能耗取平均值0.1,則平均PUE公式為I3=1.1+1/(IAEER×ISHR)。24 ℃回風(fēng)工況下平均PUE在全國8個典型城市情況如圖4所示。

(a) 100%負(fù)荷時平均PUE

(b) 75%負(fù)荷時平均PUE

從圖4可以看出:當(dāng)采用100%負(fù)荷率時,采用蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)在北京、上海、重慶以及廣州地區(qū)平均PUE分別為1.28、1.3、1.31、1.33,其CLF值分別為0.182、0.201、0.209、0.233;當(dāng)采用75%負(fù)荷率時,蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)在北京、上海、重慶以及廣州地區(qū)平均PUE分別為1.26、1.27、1.28、1.3,其CLF值分別為0.162、0.174、0.179、0.2。30 ℃回風(fēng)工況下PUE在全國8個典型城市情況如圖5所示。

(a) 100%負(fù)荷時平均PUE

(b) 75%負(fù)荷時平均PUE

從圖5可以看出:當(dāng)采用100%負(fù)荷率時,蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)在北京、上海、重慶以及廣州地區(qū)平均PUE分別為1.25、1.26、1.26、1.28,其CLF值分別為0.146、0.157、0.162、0.182;當(dāng)采用75%負(fù)荷率時,蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)在北京、上海、重慶以及廣州地區(qū)平均PUE分別為1.23、1.24、1.25、1.27,其CLF值分別為0.135、0.145、0.149、0.166。

35 ℃回風(fēng)工況下平均PUE在全國8個典型城市情況如圖6所示。

(a) 100%負(fù)荷時平均PUE

(b) 75%負(fù)荷時平均PUE

從圖6可以看出:當(dāng)采用100%負(fù)荷率時,蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)在北京、上海、重慶以及廣州地區(qū)平均PUE分別為1.22、1.23、1.24、1.25,其CLF值分別為0.124、0.133、0.136、0.152;當(dāng)采用75%負(fù)荷率時,蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)樣機(jī)在北京、上海、重慶以及廣州地區(qū)平均PUE分別為1.22、1.22、1.23、1.24,其CLF值分別為0.118、0.124、0.127、0.14。

3 結(jié) 論

1) 蒸發(fā)冷凝氣泵熱管復(fù)合空調(diào)的蒸發(fā)溫度隨著室內(nèi)回風(fēng)工況的升高而增加,復(fù)合空調(diào)進(jìn)入氣泵熱管模式切換溫度點(diǎn)隨之提高。

2) 在相同實驗工況下,提高室內(nèi)回風(fēng)溫度能降低機(jī)組能耗。這是因為提高回風(fēng)溫度也能提高壓縮機(jī)的蒸發(fā)溫度,降低壓縮機(jī)的壓縮比使壓縮機(jī)性能提升,能耗降低。

3) 在相同實驗工況下機(jī)組負(fù)荷率越小平均PUE越低,能耗越低。