數(shù)據(jù)中心自然冷卻用泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)火用分析

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

近年來，我國數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷增大，數(shù)據(jù)中心總量已超過40萬個，年耗電量超過全社會用電量的1.5%[1]，每年用于服務(wù)器電源和冷卻的總開支已超過20億美元?！笆濉睍r期，國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家發(fā)展和改革委員會編制了《公共機(jī)構(gòu)節(jié)約能源資源“十三五”規(guī)劃》，要求“加強(qiáng)機(jī)房節(jié)能管理，開展綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)，實(shí)施數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造，改造后機(jī)房能耗平均降低8%以上，平均PUE值達(dá)到1.5以下”[2]，因此對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造已刻不容緩。目前，制冷空調(diào)系統(tǒng)已成為數(shù)據(jù)中心主要能耗來源之一，占到數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右[3]，幾乎與IT設(shè)備相當(dāng)，因此降低制冷空調(diào)系統(tǒng)能耗是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心提高能源效率的重要環(huán)節(jié)。

作為一種利用室外自然冷源對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行降溫的系統(tǒng)，泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)具有傳熱能力高、傳輸距離遠(yuǎn)、適用性廣、啟動速度快、變負(fù)荷系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且由于泵功率遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)，故系統(tǒng)EER較高，節(jié)能效果顯著。王越[4]對一種解決逆重力情況的機(jī)械力驅(qū)動的分離熱管系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)模型分析。劉杰[5]研究了真空、微重力狀態(tài)下機(jī)械驅(qū)動兩相回路冷卻裝置，以便為航天領(lǐng)域提供高精度的控溫和良好的溫度穩(wěn)定性。Yan Gang等[6-8]對泵和其他裝置復(fù)合驅(qū)動回路熱管的相關(guān)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為可提高系統(tǒng)的性能以及應(yīng)用的廣泛性。K.M.Kelkar等[9]提出一種泵驅(qū)動回路熱管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，搭建了實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行驗(yàn)證。本課題組馬國遠(yuǎn)等[10-14]提出了用于數(shù)據(jù)中心自然冷卻的泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)，分析了泵驅(qū)動兩相回路的流量特性和換熱特性，結(jié)果表明，當(dāng)室內(nèi)和室外的溫差為10 ℃和25 ℃時，系統(tǒng)EER分別為12.9和29.7；在工程應(yīng)用方面，實(shí)測EER可達(dá)11.88，目標(biāo)機(jī)房全年節(jié)能率可達(dá)22.7%。上述對泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)的相關(guān)研究主要著眼于熱力學(xué)第一定律角度的性能分析，而熱力學(xué)第一定律僅從數(shù)量上說明了能量在轉(zhuǎn)化過程中的總量守恒關(guān)系，未涉及能量的變化。熱力學(xué)第二定律卻規(guī)定了熱力過程發(fā)生的方向性與限制，特別指出了能量轉(zhuǎn)化的條件和限制，指出能量在轉(zhuǎn)移過程中具有部分乃至全部失去其使用價值的客觀規(guī)律。

火用平衡分析從能的“量”與“質(zhì)”兩個方面進(jìn)行評價，既能辨別火用損的性質(zhì)，即內(nèi)部不可逆性與外部排放性，也能揭示火用損的分布規(guī)律，從而能很好地指明系統(tǒng)性能改進(jìn)方向。早在1868年，通過對熱力學(xué)第二定律的研究，已經(jīng)有了“可用性”的概念[15]。而隨著火用理論的不斷發(fā)展和完善，火用分析方法在各個領(lǐng)域越來越受到重視，針對換熱器，趙蔚琳等[16-19]對相關(guān)換熱器分別進(jìn)行了火用效率和無因次熵產(chǎn)率的分析，給出了換熱器的火用效率變化影響因素。針對蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，相關(guān)學(xué)者[20-28]對各自的系統(tǒng)進(jìn)行了火用分析，并得出各自系統(tǒng)火用變化的影響因素。在有機(jī)朗肯循環(huán)方面，曹園樹等[29]對中溫地?zé)崮茯?qū)動跨臨界有機(jī)朗肯-蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的火用效率進(jìn)行了分析。張軍輝[30]等計(jì)算分析了10種不同工質(zhì)在亞臨界狀態(tài)下有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)最大做功能力和火用效率的相關(guān)特性。為有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇和性能優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，對相關(guān)換熱器的研究主要集中在其本身參數(shù)對換熱火用效率的影響以及采用相關(guān)換熱器對其系統(tǒng)整體火用效率的改善情況。對蒸氣壓縮式系統(tǒng)的研究中，雖然換熱器和泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)中的換熱器基本一致，但是從系統(tǒng)循環(huán)機(jī)理開展的火用分析相差較大。在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，其循環(huán)機(jī)理和泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)基本一致，但應(yīng)用對象、運(yùn)行工況和系統(tǒng)工作的目的不一致。因此對于數(shù)據(jù)中心自然冷卻用的泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)而言，利用火用平衡分析法，對能的量和質(zhì)以及系統(tǒng)熱力學(xué)性能開展研究，對改善系統(tǒng)性能很有必要。

本文以數(shù)據(jù)中心自然冷卻用的泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)為目標(biāo)，從火用分析的角度建立系統(tǒng)及部件的火用平衡模型，采用理論和實(shí)驗(yàn)分析了系統(tǒng)在不同工況下的火用變化規(guī)律，研究系統(tǒng)各部分火用損失的大小及分布規(guī)律，以便為系統(tǒng)性能改進(jìn)提供參考。

1 系統(tǒng)工作原理及理論模型

1.1 工作原理

圖1所示為泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)原理。泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)主要由工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、冷凝器和儲液罐組成。工作過程：工質(zhì)泵將過冷工質(zhì)輸送到蒸發(fā)器，工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收室內(nèi)空氣的熱量，溫度升高并伴隨部分工質(zhì)汽化。從蒸發(fā)器出來的兩相工質(zhì)進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝放熱，工質(zhì)將自身攜帶的熱量排到室外環(huán)境中從而變?yōu)檫^冷液體，液體進(jìn)入儲液罐后被吸入工質(zhì)泵中進(jìn)行下一次循環(huán)。

1.2 火用平衡模型

為了便于分析兩相回路系統(tǒng)中各個部件的火用變化，忽略了次要因素的影響。

圖1 泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of pump-driven two-phase loop system

對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主回路作以下假設(shè)：1)工質(zhì)在系統(tǒng)中的流動為穩(wěn)定流動；2)將系統(tǒng)中并聯(lián)的蒸發(fā)器和冷凝器作為一個整體考慮分析；3)工質(zhì)僅在蒸發(fā)器和冷凝器中與環(huán)境發(fā)生熱量交換，在連接管和儲液器中不與外界發(fā)生熱量交換，即工質(zhì)在泵到蒸發(fā)器、蒸發(fā)器到冷凝器以及冷凝器到儲液器的過程中為等焓過程；4)儲液器內(nèi)有氣液分界面，認(rèn)為工質(zhì)從進(jìn)入儲液器到出儲液器過程中始終為飽和狀態(tài)；5)忽略儲液器到泵之間的阻力和換熱損失，保證泵所需的氣蝕余量。

圖2 系統(tǒng)循環(huán)壓焓圖Fig.2 Cycle pressure-enthalpy diagram of the system

圖2所示為系統(tǒng)循環(huán)壓焓圖，圖3所示為火用平衡模型。壓焓圖各個過程如下：1)工質(zhì)泵壓縮過程(1-2)；2)等焓過程(2-3)，對于液體而言等焓線與等溫線幾乎重合，因此認(rèn)為工質(zhì)溫度不變；3)蒸發(fā)吸熱過程(3-4)，逆流換熱；4)絕熱過程(4-5)；5)冷凝放熱過程(5-6)，逆流換熱；6)絕熱過程(6-7)；7)從儲液罐進(jìn)口到出口為絕熱過程(7-8)，穩(wěn)定運(yùn)行時儲液罐內(nèi)有氣液分界面，忽略儲液罐阻力；8)忽略沿程和局部阻力(8-1)。

1)工質(zhì)泵壓縮過程1-2的火用平衡

對于泵的壓縮過程來說，輸入火用為電機(jī)輸入泵的火用和工質(zhì)入口火用，輸出火用為工質(zhì)出口火用，如圖3(a)所示為泵的火用平衡模型示意，建立泵火用平衡方程：

Ib+Ebc=Ebr+Ed

(1)

2)蒸發(fā)吸熱過程3-4的火用平衡

在泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)中，蒸發(fā)器輸入火用為工質(zhì)入口火用，系統(tǒng)吸收室內(nèi)熱量產(chǎn)生的熱量火用，輸出火用為工質(zhì)出口火用，其蒸發(fā)器火用平衡示意如圖3(b)所示，建立火用平衡方程：

Iz+Ezc=Ezr+Eq

(2)

3)冷凝放熱過程5-6的火用平衡

在泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)中，冷凝器雖然向環(huán)境放出了熱量，但這部分能量一般都不再利用，在分析冷凝器火用平衡關(guān)系時，不予考慮。因此冷凝器輸入火用為工質(zhì)入口火用，輸出火用為工質(zhì)出口火用，冷凝器火用平衡示意如圖3(c)所示，建立冷凝器火用平衡方程：

Il+Elc=Elr

(3)

圖3 火用平衡模型Fig.3 Exergy balance models

通過對系統(tǒng)主要部件的火用平衡分析，建立了各個部件的火用平衡方程，匯總系統(tǒng)各個部件的火用及火用損計(jì)算式如表1。

表1 系統(tǒng)各部分火用計(jì)算式Tab.1 Formulae for exergy of the system

2 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

圖4 泵驅(qū)動兩相回路實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 The pump-driven two-phase loop system

泵驅(qū)動兩相回路實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，室內(nèi)側(cè)裝有5臺規(guī)格相同的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器吊裝在長14 m、寬6 m、高3.5 m 的測試房間內(nèi)，每臺機(jī)組額定風(fēng)量為2 700 m3/h。每臺蒸發(fā)器工質(zhì)進(jìn)出口裝有壓力變送器和T型熱電偶，風(fēng)側(cè)進(jìn)出口各布4個熱電偶測點(diǎn)；室內(nèi)總供液管安裝有質(zhì)量流量計(jì)，總供液管和總回液管分別安裝壓力變送器和熱電偶；室外側(cè)處在一個密閉的空間內(nèi)，配備一套空氣處理系統(tǒng)，對環(huán)境溫度進(jìn)行控制，能保證室外環(huán)境溫度滿足實(shí)驗(yàn)要求；冷凝器、儲液罐和工質(zhì)泵安裝于室外側(cè)，其中冷凝器3臺，每臺冷凝器風(fēng)機(jī)可獨(dú)立控制，并有變頻器可變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量，冷凝器風(fēng)側(cè)進(jìn)出口各安裝6個熱電偶；工質(zhì)泵進(jìn)出口裝有壓力變送器和熱電偶，工質(zhì)泵通過變頻器調(diào)節(jié)工質(zhì)質(zhì)量流量；室內(nèi)風(fēng)機(jī)功率和冷凝器風(fēng)機(jī)功率，泵功率通過功率三相電參數(shù)采集模塊采集；系統(tǒng)充注低沸點(diǎn)工質(zhì)R22。

為了更準(zhǔn)確的計(jì)算系統(tǒng)各部分的火用損，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的溫度傳感器、壓力傳感器等進(jìn)行了標(biāo)定，主要測量儀器及精度見表2。測量數(shù)值由數(shù)據(jù)采集器采集并通過電腦顯示保存。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀表及精度Tab.2 Main experimental instruments and accuracy

3 結(jié)果分析與討論

設(shè)定系統(tǒng)在3種工況條件下運(yùn)行測試，取各實(shí)驗(yàn)工況的室外環(huán)境溫度T0為零火用點(diǎn)，室內(nèi)溫度Ts設(shè)定為298.15 K，由于不能保證室內(nèi)外溫度恒定不變，因此采用各參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)的平均值作為室內(nèi)外溫度的計(jì)算值，考慮行業(yè)內(nèi)泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)的常規(guī)測試工況中，機(jī)組運(yùn)行環(huán)境溫度一般和室內(nèi)溫度相差10 ℃以上，經(jīng)過篩選實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取系統(tǒng)處于臨界開啟溫差即11 ℃時的工況，室內(nèi)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為5 m/s，室外風(fēng)機(jī)的頻率為50 Hz，環(huán)境溫度為287.15 K，室內(nèi)溫度為298.15 K，工況1～工況3的泵頻率分別為50、45、40 Hz。

3.1 泵頻率對系統(tǒng)火用損影響分析

圖5 泵火用損隨泵頻率的變化Fig.5 The pump exergy loss changes with pump frequency

圖5所示為泵火用損隨泵頻率的變化。由圖5可知，泵火用損隨著泵頻率的增大而增加，原因主要是隨著泵的頻率增大，泵進(jìn)出口的溫差和壓差增大，泵從進(jìn)口1到出口2的熱力學(xué)過程線在過冷區(qū)的斜率變大。因此，當(dāng)泵頻率變大時，泵的熱力學(xué)過程線逐漸偏離等熵線，此時兩者熵的差值逐漸變大，由泵的火用平衡方程式即公式(1)可簡化得到Ib=T0(s2-s1)，所以當(dāng)泵的壓縮過程越偏離定熵壓縮過程時，泵火用損越大。

圖6所示為蒸發(fā)器火用損隨泵頻率的變化，由圖6可知，火用損隨著泵頻率的增大而減小，但變化幅度不大。蒸發(fā)器是工質(zhì)和室內(nèi)熱空氣進(jìn)行換熱的裝置，在泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)中，其輸入火用部分主要是進(jìn)口火用和吸收室內(nèi)熱量而產(chǎn)生的熱量火用，輸出火用只有出口火用，由于室內(nèi)吸收熱量產(chǎn)生的熱量火用幾乎相等，蒸發(fā)器火用損的變化主要是由于室內(nèi)熱空氣和工質(zhì)之間的傳熱溫差產(chǎn)生的不可逆損失，而實(shí)測在40、45、50 Hz時蒸發(fā)器的對數(shù)傳熱溫差分別為4.62、4.40、4.26 ℃，從而造成蒸發(fā)器火用損隨著泵的頻率增大而減小。

圖6 蒸發(fā)器火用損隨泵頻率的變化Fig.6 The evaporator exergy loss changes with pump frequency

圖7所示為冷凝器火用損隨泵頻率的變化，由圖7可知，隨著泵頻率的增加，冷凝器的火用損不斷升高。在泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)中，室外冷凝器主要負(fù)責(zé)將工質(zhì)在室內(nèi)吸收的熱量、管路摩擦產(chǎn)生的熱量以及工質(zhì)在泵中吸收的熱量排放到環(huán)境中，在實(shí)際計(jì)算中，忽略了冷凝器內(nèi)部管路摩擦以及排放到環(huán)境中的熱量引起的火用變化，而冷凝器和蒸發(fā)器均為換熱器，換熱器的火用損主要由傳熱溫差產(chǎn)生的不可逆損失造成，在40、45、50 Hz頻率下，冷凝器的對數(shù)傳熱溫差分別為2.11、2.37、2.54 ℃，因此造成冷凝器火用損增大。

圖7 冷凝器火用損隨泵頻率的變化Fig.7 The condenser exergy loss changes with pump frequency

3.2 系統(tǒng)各部分火用損分析

系統(tǒng)中各部分火用損變化如圖8所示，由圖8可知，電動機(jī)和其他部分的火用損均隨著泵的頻率增加而增大。由于前文已經(jīng)分析了系統(tǒng)中泵、蒸發(fā)器、冷凝器等主要部件的火用損及其變化，因此在此只分析電動機(jī)以及其他部分的火用損。隨著頻率的降低，電動機(jī)效率降低，但是其輸入功率和工質(zhì)質(zhì)量流量也隨之降低，對輸入功率和質(zhì)量流量變化進(jìn)行擬合，可以分別得到y(tǒng)=-0.34x+1.7267和y=-0.036x+0.4，即輸入功率的降低趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)量流量降低的趨勢，故公式(6)中Ex降低，且其降低趨勢大于電機(jī)效率降低趨勢，導(dǎo)致電機(jī)的火用損隨頻率的增加而增大。對于其他部分，包括系統(tǒng)各部分連接管路以及閥門變徑等引起的阻力損失產(chǎn)生的火用損，由于當(dāng)泵的頻率增加時，系統(tǒng)的阻力增大，隨之產(chǎn)生的火用損也增大。

圖8 系統(tǒng)各部分火用損Fig.8 Exergy loss for each parts of the system

圖9 系統(tǒng)各部分火用損比例Fig.9 Ratio of exergy loss for each parts of the system

圖9所示為系統(tǒng)各部分在總火用損中的占比，雖然不同頻率下有波動，但其在各自頻率下的比例基本保持一致，蒸發(fā)器、冷凝器、泵的火用損在系統(tǒng)中占主要部分。其中蒸發(fā)器的火用損比例達(dá)到40%以上，泵和冷凝器也到達(dá)25%左右，3部分占據(jù)了系統(tǒng)火用損的主要部分。由于室內(nèi)溫度設(shè)定為25 ℃，蒸發(fā)器的傳熱溫差較大，不可逆損失也較大，造成其火用損占比最大。雖然冷凝器傳熱溫差小于蒸發(fā)器傳熱溫差，但是由于其排放到環(huán)境的熱量沒有利用，在冷凝器的火用平衡方程中未考慮此部分熱量，造成火用損偏大，使火用損失仍占了相當(dāng)大一部分。對于泵而言，其壓縮過程遠(yuǎn)離定熵壓縮，因此火用損失也較大。綜上所述，對系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化的順序依次為蒸發(fā)器、冷凝器和泵。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)據(jù)中心自然冷卻用泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)工況下的火用損及分布情況進(jìn)行分析，在系統(tǒng)處于臨界開啟溫差時，得到如下結(jié)論：

1)泵驅(qū)動兩相回路系統(tǒng)中，蒸發(fā)器火用損比例最大，達(dá)到40%以上，其次是冷凝器和泵，均達(dá)到20%以上。因此對系統(tǒng)優(yōu)化次序依次為蒸發(fā)器、冷凝器和泵。

2)蒸發(fā)器和冷凝器火用損主要是由于空氣和工質(zhì)之間存在傳熱溫差而產(chǎn)生的不可逆損失造成，對二者進(jìn)行優(yōu)化可采取以下措施：在相同的負(fù)荷需求和經(jīng)濟(jì)性的條件下，提高換熱器的傳熱系數(shù)、在一定程度上增加傳熱面積、合理設(shè)定室內(nèi)溫度等。

3)泵、冷凝器、電動機(jī)和其他部分的火用損隨泵頻率增大而增大，而蒸發(fā)器的火用損隨泵頻率增大而減小，泵圧縮過程的熱力學(xué)過程線偏離等熵線程度隨之變大，在優(yōu)化泵時應(yīng)遵循在滿足系統(tǒng)要求下，其壓縮過程盡量接近定熵壓縮。

符號說明

E——火用，kJ/kg

I——火用損，kJ/kg

M——質(zhì)量流量，kg/s

P——功率，kW

s——比熵，kJ/(kg·K)

T——溫度，K

η——電機(jī)效率

下標(biāo)

b——工質(zhì)泵

bc——泵出口

br——泵入口

d——電機(jī)

l——冷凝器

lc——冷凝器出口

lr——冷凝器入口

q——熱量

s——室內(nèi)

x——系統(tǒng)

z——蒸發(fā)器

zc——蒸發(fā)器出口

zr——蒸發(fā)器入口

0——環(huán)境

1——系統(tǒng)循環(huán)1點(diǎn)

2——系統(tǒng)循環(huán)2點(diǎn)

3——系統(tǒng)循環(huán)3點(diǎn)

4——系統(tǒng)循環(huán)4點(diǎn)

5——系統(tǒng)循環(huán)5點(diǎn)

6——系統(tǒng)循環(huán)6點(diǎn)