重力式熱管空調機組運行特性試驗研究

王愛輝，羅高喬，汪韓送

（中國電子科技集團公司第十六研究所,合肥 230043）

0 引言

信息機房空調耗能非常高，平均占了整個機房設備總耗電量的40%[1]，而熱管是一種簡易而高效的換熱裝置，將其用于電子計算機與數據處理機房，可滿足機房內設備密度大、發熱量高，計算機系統對環境的溫、濕度及含塵濃度等要求。與普遍蒸汽壓縮式機房專用空調相比，熱管空調耗能小，尤其在冬季寒冷地區，發熱量大的機房，熱管空調節能效果更為出色[2]。對于我國北方地區來說，冬季及春秋過渡季節大部分時間內的氣溫低于20℃，當室外環境溫度低于室內溫度時，若用室外冷空氣直接或間接冷卻機房[3]，停用壓縮式制冷機組，則可以在節約能源的同時延長壓縮式制冷機組的使用壽命[4]。為此，李奇賀等[5]對不同室內外溫差下的熱管空調能效比進行了研究；金鑫等[6]以室外環境平均溫度20℃為基礎，對分離式熱管空調運行COP 和節電率進行了研究，但他們的研究中對熱管換熱特性的研究較少。

本文以室外溫差10℃為基礎，自行設計了一套重力式熱管空調系統，著重考慮不同的風機風量和不同的熱管結構對熱管空調運行特性的影響。

1 工作原理

熱管機房空調系統工作原理如圖1，它由室內換熱芯、室內風機、室外換熱芯、室外風機及連接管組成，熱管式機房空調機組的風系統由室內熱風循環系統和室外冷風循環系統組成。

機房內熱空氣在熱側循環風機的作用下流過熱管式空調機組的熱側，經過降溫后被重新送入機房；室外冷風循環為開式循環，室外冷空氣以室外散熱風機為動力，流過熱管換熱器時帶走熱量。熱管機房空調系統機組完全依靠重力為循環動力，利用室內外的溫差及制冷劑吸熱（或放熱）的相變過程間接地將室內的熱量排出室外，起到空調的作用，同時，室外冷風流過室外換熱芯后流出，對基站內的含濕量及潔凈度影響較小。

圖1 系統工作原理

2 結構設計及優點

對以上方案進行芯體結構設計，取冷熱側進出口溫差10℃，采用整體式熱管設計方法[7]，設計傳熱量為4000 W，設計風量為3500 m3/h。熱管選用R134a 為工質，管殼為φ10×0.5 mm 的紫銅管，翅片為厚度0.15 mm 的波紋型整張鋁制套片。換熱管排數的計算公式如下：

式中：

Qh——設計傳熱量，W；

Δtm——換熱對數溫差，℃；

UH——總的傳熱系數，W/(m2·K)；

n——換熱管排數；

L——熱管管長，m。

將設計的芯體組裝成機柜，安裝于機房有以下主要優點：室內外空氣相互獨立，避免了室內外濕度的擴散，減小了進入機房的有害粒子，保證了機房的潔凈度；針對于基站空調室外機容易被盜的現象，該機組安裝在機房內部，增加了機組的防盜能力。

3 試驗裝置

按照設計結果進行試驗，圖2 為試驗裝置原理圖，環境1 為模擬室外溫度，環境2 為模擬機房溫度。試驗在合肥某12 kW 焓差實驗室內進行，主要測試環境1、環境2 的溫度、環境2 的熱風到風道的出口溫度和風道內的風速。該實驗室的軟、硬件均由合肥通用機械研究院設計建造，達到了國家相關的標準要求。

為了進行對比，試驗中采用兩組熱管芯體，一組為設計的120 根，另一組為將設計換熱管擴大1倍的240 根。由于進行試驗的實驗室條件有限，環境1 冷風流經熱管后的出風未能引出環境2，對試驗效果產生了一定的影響，另外，實驗室風量最大值只能達到3200 m3/h，而此時的風管承受能力很脆弱，所以，由于條件的限制，試驗風量取為2800 m3/h。

圖2 試驗裝置系統

4 試驗結果及分析

4.1 風量與制冷量

在冷熱側進風溫差10℃時增大進口風量，樣機空調制冷量的變化情況如圖3 所示。從圖中可以看出，空調運行情況與設計結果符合的較好，在風量3500 m3/h 時的制冷量可達到4000 W；另外，在維持冷熱側進出口溫差一定的條件下，制冷量是隨進口風量的增加而增加的，但是，在風量較小的情況下，風量的增加對制冷量的影響較大，在風量接近設計的風量時，制冷量增長趨勢變得較平緩，此時再增大風量，制冷量增大很小。

圖3 風量對制冷量的影響

可以得出，在冷熱側溫差一定的情況下，確定結構的熱管空調制冷量有一個最佳值，超過這個最佳值后風量的增大對制冷量影響很小，而風機風量的增大需要更大的功率，也會產出更大的風管阻力，所以，選取最佳風量對系統的成本和運行費用都很重要。

4.2 熱管結構與制冷量

為了研究熱管結構不同對制冷量的影響，試驗中采用比設計管數擴大一倍的熱管結構進行對比試驗，結果如圖4 所示。

圖4 溫差對制冷量的影響

圖4 為風量為2800 m3/h 下冷熱側進風溫差變化對制冷量的影響情況。從圖中可以看出，制冷量隨著冷熱側進風溫差的增大而增大；增大換熱管數量可以使制冷量增加，但增加量有限，而且，這種增加隨著冷熱側進風溫差的增大而減小。

這說明在熱管空調中并不是熱管數量越多越好的，試驗數據顯示，在冷熱側進風溫差10℃下，熱管數量增加1 倍，制冷量只增加14%，而機組成本增加30%以上，這是很不經濟的。所以，在設計的基礎上為了增大制冷量而增加熱管數量的方法是不夠實際的，合理的設計最為關鍵。

4.3 換熱器效率

換熱器效率是評價換熱機組性能的重要指標，本機組采用顯熱傳熱，無相變送風，故可用溫度效率指標進行評價，計算式[8]為：

式中：

ε——溫度效率；

t1——冷側空氣進口溫度，℃；

t2——熱側空氣進口溫度，℃；

t3——熱側空氣出口溫度，℃。

對試驗樣機保持冷熱側10℃溫差的情況下研究風量變化對溫度效率的影響，結果如圖5 所示。由圖可見，溫度效率是隨著風量的增大而減小的，但是從圖3 的結果來看，制冷量是增加的，這就是說風量變化對溫度效率的具體大小影響較小，對制冷量的影響主要來源還是偏重于風量的變化。

圖5 風量對溫度效率的影響

5 結論

(1)該型熱管空調在冷熱側進風溫差10℃，風量3500 m3/h 時的制冷量可達到4000 W，與設計結果符合的較好。

(2)空調制冷量是隨進口風量的增加而增大的，但在風量較小的情況下，風量的增加對制冷量的影響較大，在風量接近設計的風量時，制冷量增長趨勢變的較為平緩，此時再增大風量，制冷量增大很小。

(3)在冷熱側進風溫差10℃下，熱管數量增加1倍，制冷量只增加14%，而機組成本增加30%以上，經濟效益較差。

(4)確定冷熱側溫差的情況下，機組溫度效率隨著風量的增大而減小，但風量變化對溫度效率的具體值影響較小，制冷量的變化主要影響來源于風量的差異。

[1]胡偉,何杞鑫,俞震.通信機房節能平臺及其應用[J].電源技術應用,2008,5:50-56.

[2]田浩,劉曉華,江億.信息機房熱管空調系統應用研究[J].建筑科學,2010,26(10):141-145.

[3]李長云.利用自然冷源進行隔絕換熱的節能措施[J].電信技術,2008,8:52-53.

[4]Yau Y H.The use of a double heat pipe heat exchanger system for reducing energy consumption of treating ventilation air in an operating theatre-a full year energy consumption model simulation[J].Energy and Buildings,2008,40(5):917-925.

[5]李奇賀,黃虎,張忠斌.熱管式機房空調性能實驗研究[J].暖通空調,2010,40(4):145-148.

[6]金鑫,瞿曉華,祁照崗,等.分離式熱管型機房空調性能實驗研究[J].暖通空調,2011,41(9):133-136.

[7]莊俊,張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京:化學工業出版社,2000.

[8]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2002.