自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)研究

(1 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 合肥 230009； 2 滁州揚(yáng)子空調(diào)器有限公司 滁州 239000； 3 曙光信息產(chǎn)業(yè)(北京)有限公司 北京 100094)

數(shù)據(jù)中心素有現(xiàn)代“能源黑洞”之稱，其耗電量目前已達(dá)全球總耗電量的2%[1]。據(jù)ICTresearch咨詢公司研究顯示，2016年中國數(shù)據(jù)中心總耗電量高達(dá)1 200億kW·h，是三峽水電站同期發(fā)電量的1.2倍。PUE(power usage effectiveness，總能耗與IT設(shè)備能耗之比)是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)，美、歐先進(jìn)數(shù)據(jù)中心的PUE通常為1.3～1.5，而中國普遍約為2.5[2]，主要原因是機(jī)房輔助設(shè)備能耗過大，其中數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗占比高達(dá)30%～50%[3-5]。提高數(shù)據(jù)中心的能源效率關(guān)鍵之一是降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)全天候運(yùn)行，維持IT設(shè)備安全、可靠和高效工作。除數(shù)據(jù)中心建設(shè)選址盡可能在低溫地區(qū)、電力資源豐富和價(jià)廉的要求外，在低溫季節(jié)或低溫時(shí)段，利用自然冷源部分或完全代替機(jī)械制冷是空調(diào)節(jié)能的重要途徑。自然冷卻技術(shù)可分為空氣側(cè)自然冷卻、水側(cè)自然冷卻和熱管自然冷卻3類[6]。熱管以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小溫差高效傳熱的特性，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的自然冷卻具有明顯優(yōu)勢(shì)。近年來，從彼此獨(dú)立的熱管環(huán)路、蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，到熱管/蒸氣壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)，基于熱管的自然冷卻技術(shù)取得了較大的進(jìn)步。T. Okazaki等[7-8]較早提出機(jī)械制冷與熱管一體式機(jī)組，但熱管模式制冷效率較低，不足以發(fā)揮自然冷卻的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。馬國遠(yuǎn)等[9-10]對(duì)熱管自然冷卻的節(jié)能潛力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證。呂繼祥等[11]基于氣象數(shù)據(jù)和相關(guān)制冷系統(tǒng)特性進(jìn)行了風(fēng)冷壓縮式機(jī)組、風(fēng)冷雙冷源冷水機(jī)組和熱管復(fù)合式制冷機(jī)組的能效對(duì)比研究，結(jié)果顯示我國長江流域及以北地區(qū)應(yīng)用熱管復(fù)合式制冷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能30%～50%。重力型分離式熱管復(fù)合空調(diào)[12-14]應(yīng)用于小型機(jī)房和通訊基站的節(jié)能效果顯著，但在冷量遠(yuǎn)距離輸送、能量調(diào)節(jié)等方面，受重力型分離式熱管工作特性的制約。Yan Gang等[15-16]實(shí)驗(yàn)研究了采用液泵驅(qū)動(dòng)熱管的復(fù)合制冷機(jī)組，克服了重力型熱管的技術(shù)不足。本課題組于2012年和2014年相繼提出了蒸氣壓縮/熱管復(fù)合式制冷系統(tǒng)和復(fù)合制冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)方案[17-18]，解決了蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)與熱管自然冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、協(xié)同運(yùn)行、聯(lián)合控制、多機(jī)并聯(lián)和能量調(diào)節(jié)等關(guān)鍵問題，并進(jìn)行了應(yīng)用示范等研究工作。

1 自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)

1壓縮機(jī)；2冷凝器；3節(jié)流機(jī)構(gòu)；4蒸發(fā)冷凝器(4 A蒸發(fā)通道，4B冷凝通道)；5液泵；6室內(nèi)蒸發(fā)器；7電磁閥Ⅰ；8電磁閥Ⅱ；9風(fēng)冷換熱器；10風(fēng)機(jī)；11風(fēng)冷換熱總成；12復(fù)合制冷模塊。圖1 復(fù)合制冷系統(tǒng)流程Fig.1 Process of the integrated refrigeration system

基于分離式熱管實(shí)現(xiàn)自然冷卻的復(fù)合制冷系統(tǒng)流程如圖1所示。壓縮制冷回路與自然冷卻環(huán)路通過蒸發(fā)冷凝器耦合，分別采用第一制冷工質(zhì)和第二制冷工質(zhì)，第二制冷工質(zhì)由液泵提供循環(huán)動(dòng)力。室內(nèi)空氣冷卻器和室外風(fēng)冷換熱器分別作為自然冷卻環(huán)路的吸熱端和放熱端，通過管道連接構(gòu)成第二制冷工質(zhì)的主回路。電磁閥Ⅱ位于第二制冷工質(zhì)的主回路上，在蒸發(fā)冷凝器冷凝通道的入口與回氣口之間設(shè)置了以電磁閥Ⅰ控制的旁通支路。鑒于可靠性和調(diào)節(jié)性的要求，制冷機(jī)組由數(shù)個(gè)復(fù)合制冷模塊組成，各模塊的制冷回路彼此獨(dú)立，分別對(duì)應(yīng)蒸發(fā)冷凝器中的一組蒸發(fā)管簇；各模塊的自然冷卻環(huán)路并聯(lián)連接在電磁閥Ⅰ和電磁閥Ⅱ的出口端。

控制系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度、被調(diào)對(duì)象熱負(fù)荷狀況，運(yùn)行壓縮制冷、自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷和自然冷卻3種工作模式。當(dāng)環(huán)境溫度與室內(nèi)溫度的差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電磁閥Ⅱ開、電磁閥Ⅰ關(guān)，室內(nèi)側(cè)返回的制冷工質(zhì)氣體通過電磁閥Ⅱ在風(fēng)冷換熱器放熱，如進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器的制冷工質(zhì)達(dá)到設(shè)定的熱工參數(shù)，不需要壓縮制冷提供輔助冷量，即為自然冷卻工作模式；如進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器的制冷工質(zhì)未達(dá)到設(shè)定的熱工參數(shù)，需要運(yùn)行壓縮制冷提供輔助冷量，即為復(fù)合制冷工作模式；當(dāng)環(huán)境溫度與室內(nèi)溫度的差值小于設(shè)定值時(shí)，電磁閥Ⅱ關(guān)、電磁閥Ⅰ開，室內(nèi)側(cè)返回的制冷工質(zhì)氣體直接進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器放熱冷凝，由壓縮制冷提供全部冷量，即為壓縮制冷工作模式。

2 復(fù)合制冷機(jī)組研制

根據(jù)工程應(yīng)用對(duì)象北京某“國家級(jí)EB級(jí)云存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室”環(huán)控系統(tǒng)的技術(shù)要求，研發(fā)制冷量為200 kW的自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷機(jī)組。

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)制冷循環(huán)設(shè)計(jì)計(jì)算和空調(diào)系統(tǒng)模擬分析，壓縮制冷系統(tǒng)配置6臺(tái)10 HP制冷壓縮機(jī)構(gòu)成3個(gè)獨(dú)立的制冷單元。風(fēng)冷側(cè)將制冷冷凝器與熱管換熱器集成為組合式結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)冷凝器采用殼管式，殼管下部空間兼為儲(chǔ)液器以優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)并具有一定的蓄冷能力。鑒于可靠性要求，配置2臺(tái)屏蔽泵(一用一備)驅(qū)動(dòng)第二工質(zhì)循環(huán)。

2.2 風(fēng)冷換熱器

基于結(jié)構(gòu)緊湊、氣流組織和模塊化制造的需要，風(fēng)冷換熱器與制冷冷凝器的截面尺寸相同、平行并列，構(gòu)成的2只換熱器組件“V”形布置如圖2(a)所示，與共用風(fēng)機(jī)集成為組合式風(fēng)冷換熱器總成[19]。熱管換熱器和制冷冷凝器分別設(shè)置在進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)，提高自然冷源的利用率。在復(fù)合制冷工況經(jīng)熱管換熱器加熱后的空氣，再與制冷冷凝器換熱，對(duì)提高蒸氣壓縮循環(huán)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率有益。換熱器組件局部如圖2(b)所示，熱管換熱器與冷凝器立管之間設(shè)有絕熱密封帶，避免換熱器間的傳熱干擾，適當(dāng)?shù)膿Q熱器間距有助于減小氣流阻力。

1風(fēng)機(jī)；2換熱器組件；3熱管換熱器；4制冷冷凝器；5絕熱密封件。圖2 風(fēng)冷組合式換熱器Fig.2 The composite air-cooled heat exchanger

2.3 蒸發(fā)冷凝器

蒸發(fā)冷凝器為殼管式結(jié)構(gòu)，如圖3所示[20]，管程為蒸發(fā)側(cè)，由3組彼此獨(dú)立的蒸發(fā)管簇組成；殼程為冷凝側(cè)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，第二工質(zhì)通過進(jìn)液口、均流板和蒸發(fā)管簇被冷凝和過冷后儲(chǔ)存在殼體下部的儲(chǔ)液區(qū)。其主要功能是：1)高、中溫季節(jié)將蒸氣壓縮制冷的冷量傳遞給第二工質(zhì)，滿足設(shè)定供液參數(shù)的要求；2)滿足第二工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)的儲(chǔ)液量要求，維持適量的過冷度和蓄冷量，提升系統(tǒng)的安全性。

1 殼體；2視液管；3儲(chǔ)液器；4第二工質(zhì)出口；5蒸發(fā)管簇；6均流板；7第二工質(zhì)進(jìn)口。圖3 殼管式冷凝發(fā)器Fig.3 The shell and tube evaporative condenser

3 實(shí)驗(yàn)與分析

復(fù)合制冷機(jī)組的性能實(shí)驗(yàn)在揚(yáng)子空調(diào)器公司的制冷機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以額定制冷量作為熱負(fù)荷，測(cè)試制冷機(jī)組的能效與室外環(huán)境溫度的變化關(guān)系，評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)性能，考核控制系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)合制冷機(jī)組的性能實(shí)驗(yàn)依據(jù)《GB/T 21363—2008容積式制冷壓縮冷凝機(jī)組》中二次流體量熱器法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。研發(fā)的HKF-200FH實(shí)驗(yàn)樣機(jī)置于人工環(huán)境室(室外側(cè)環(huán)境)，環(huán)境溫度(即被測(cè)機(jī)組的室外側(cè)環(huán)境)由工況機(jī)組控制；采用干式殼管式蒸發(fā)器作為量熱器，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出的第二工質(zhì)在管程中蒸發(fā)吸熱，殼程通過的供熱介質(zhì)水被冷卻。殼管式蒸發(fā)器外表面經(jīng)絕熱處理，漏熱量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。主要測(cè)量參數(shù)有：儲(chǔ)液器出口第二工質(zhì)溫度、壓力，第二工質(zhì)回氣溫度、壓力，量熱器的水流量和進(jìn)出口溫差，制冷機(jī)組輸入功率，相關(guān)儀器儀表的型式和準(zhǔn)確度如表1所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 The experiment system

類別型式準(zhǔn)確度溫度水銀玻璃溫度計(jì)空氣干濕球溫度±1.0 ℃熱電偶其它溫度±1.0 ℃壓力壓力表、變送器±1.0%流量積算式±1.0%電量積算式1.0級(jí)精度

實(shí)驗(yàn)過程中被測(cè)機(jī)組工作在自動(dòng)控制狀態(tài)，調(diào)節(jié)人工環(huán)境室溫度為給定值，第二工質(zhì)R22的供液飽和溫度設(shè)定為16 ℃，制冷機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量，控制R22的飽和溫度穩(wěn)定在設(shè)定值；保持量熱器的進(jìn)水溫度和流量恒定，調(diào)節(jié)R22流量，確保進(jìn)出口水的溫差≥6 ℃。

測(cè)得相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，復(fù)合制冷機(jī)組的制冷量Q根據(jù)式(1)計(jì)算：

Q=cMΔt+Ql

(1)

式中：c為供熱介質(zhì)水的平均比熱容，kJ/(kg·℃)；M為供熱介質(zhì)水質(zhì)量流量，kg/s；Δt為供熱介質(zhì)水進(jìn)出口溫差，℃；Ql為量熱器的漏熱量，kW，依據(jù)GB/T 21363—2008附錄B測(cè)量和計(jì)算。

復(fù)合制冷機(jī)組的EER為：

(2)

式中：P為機(jī)組的輸入功率，kW。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)EER與室外環(huán)境溫度的變化如圖5所示。室外環(huán)境溫度>35 ℃，制冷量和EER隨室外環(huán)境溫度的升高均呈下降趨勢(shì)。室外溫度在10～35 ℃溫區(qū)時(shí)，制冷量在200 kW附近有小幅波動(dòng)，EER隨著室外環(huán)境溫度的下降，由35 ℃時(shí)的3.5逐漸提高，在室外溫度達(dá)到16 ℃時(shí)EER升至9，機(jī)組自動(dòng)進(jìn)入自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷工作模式；之后，隨著室外環(huán)境溫度的進(jìn)一步下降，自然冷卻的產(chǎn)冷量加速增大，壓縮機(jī)處于不斷減載狀態(tài)，EER加速上升，室外溫度為10 ℃時(shí)EER達(dá)到15.3，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)入自然冷卻工作模式，壓縮制冷系統(tǒng)不運(yùn)行。室外溫度≤10 ℃溫區(qū)時(shí)，通過調(diào)節(jié)室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)冷換熱器的換熱能力，實(shí)現(xiàn)制冷量的控制；隨著傳熱溫差增大，風(fēng)機(jī)能耗減小，EER保持上升趨勢(shì)，在室外溫度為-5 ℃時(shí)，EER達(dá)到19.7。

圖5 復(fù)合機(jī)組EER隨室外溫度的變化Fig.5 EER of the integrated system varies with the outdoor temperature

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在獨(dú)立運(yùn)行自然冷卻模式時(shí)EER與室外環(huán)境溫度的變化如圖6所示。此時(shí)壓縮機(jī)停止工作，主要功耗部件為室外冷卻風(fēng)機(jī)、氟泵和控制器(功耗≤200 W)。室外環(huán)境溫度為16 ℃時(shí)熱管制冷開始運(yùn)行，隨著室外環(huán)境溫度的降低制冷量和EER初期上升速率較大；當(dāng)室外環(huán)境溫度<10 ℃時(shí)，制冷量達(dá)到額定值；隨著溫度的進(jìn)一步降低，室外風(fēng)機(jī)逐級(jí)卸載，控制制冷量在200 kW附近，EER達(dá)到較大值后增速逐漸變緩。

圖6 自然冷卻系統(tǒng)制冷性能隨室外溫度的變化Fig.6 Refrigeration performances of the free cooling unit varies with the outdoor temperature

分析圖5和圖6的性能曲線可知，自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷技術(shù)的節(jié)能特性基于自然冷源的高效利用，即在低溫季節(jié)和低溫時(shí)段應(yīng)用自然冷卻替代或部分替代壓縮制冷，特別適用于全天候運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心等電力電子設(shè)備的環(huán)控。性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也表明，研發(fā)的自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合式制冷機(jī)組能夠響應(yīng)內(nèi)外部運(yùn)行環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作模式和制冷量輸出，在寬溫區(qū)內(nèi)穩(wěn)定、可靠和高效運(yùn)行。

4 工程應(yīng)用與分析

復(fù)合制冷機(jī)組空調(diào)應(yīng)用工程如圖7所示。2臺(tái)HKF-200FH復(fù)合制冷機(jī)組安裝在室外，內(nèi)部設(shè)有49個(gè)機(jī)柜(包括配電、空氣處理等)，采用直接蒸發(fā)空氣冷卻，空氣在機(jī)柜內(nèi)水平流動(dòng)、閉式循環(huán)的氣流組織方式?？照{(diào)工程于2014年5月完工，至發(fā)稿時(shí)已安全、可靠地自動(dòng)運(yùn)行了46個(gè)月。用戶報(bào)告顯示“相對(duì)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)年節(jié)能率約為45%，由于年度壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間大幅減小，預(yù)期關(guān)鍵件壓縮機(jī)壽命可有效延長，故障率可相應(yīng)降低”。

圖7 復(fù)合機(jī)組空調(diào)應(yīng)用工程Fig.7 The integrated air-conditioner application engineering

圖8所示為由DeST隨機(jī)氣候模型提供的北京地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)。圖中A線以下均為熱管復(fù)合式制冷系統(tǒng)的熱管運(yùn)行時(shí)區(qū)，全年約60%的時(shí)間可以利用自然冷源，壓縮制冷、復(fù)合制冷和自然冷卻工作模式的運(yùn)行時(shí)間年占比分別為40%、18.5%和41.5%。

圖8 北京地區(qū)全年干球溫度變化Fig.8 Annual dry ball temperature change of Beijing area

5 結(jié)論

本文基于綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)需要，以數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能為目標(biāo)，提出壓縮制冷系統(tǒng)與分離式熱管系統(tǒng)一體化的技術(shù)方案，研發(fā)了自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷機(jī)組，通過性能實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，得出如下結(jié)論：

1)研發(fā)了自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷技術(shù)和空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分離式熱管系統(tǒng)與蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)一體化集成和兼容運(yùn)行。

2)研發(fā)的HKF-200FH復(fù)合制冷機(jī)組，主要性能指標(biāo)為：環(huán)境溫度為35 ℃制冷工況和10 ℃熱管工況的制冷量/EER分別為197.38 kW/3.5、196.89 kW/15.3。

3)HKF-200FH復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用示范工程已運(yùn)行3年多，年節(jié)能率約為45%。應(yīng)用研究和性能考核表明：復(fù)合制冷空調(diào)系統(tǒng)能夠自動(dòng)響應(yīng)內(nèi)外部運(yùn)行環(huán)境的變化，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，相比常規(guī)蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)綜合能效大幅提高。

4)自然冷卻/蒸氣壓縮復(fù)合制冷技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自然冷源的高效利用，廣泛適用于全天候運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心、通訊基站等設(shè)備的環(huán)境控制。