熱管復合式制冷機組的研發與應用

王鐵軍　趙 麗　呂繼祥　趙紹博　劉廣輝　王景暉　夏興祥

(1合肥工業大學機械與汽車工程學院　合肥　230009； 2滁州揚子空調器有限公司　滁州　239000；3 曙光信息產業(北京)有限公司　北京　100094)

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熱管復合式制冷機組的研發與應用

王鐵軍1趙 麗1呂繼祥1趙紹博2劉廣輝3王景暉1夏興祥1

(1合肥工業大學機械與汽車工程學院合肥230009； 2滁州揚子空調器有限公司滁州239000；3 曙光信息產業(北京)有限公司北京100094)

研發了一種適用于數據中心等電子設備全天候環境控制的新型高效制冷機組HKF-60FH，其集成蒸氣壓縮制冷系統、分離式熱管系統于一體，具有壓縮制冷、復合制冷和熱管制冷三種工作模式。壓縮制冷單元由4臺渦旋式壓縮機兩兩并聯構成2個獨立的制冷回路，通過變容量控制實現制冷量調節；熱管單元使用第二制冷劑，由液泵驅動強制循環；風冷側采用組合式換熱器，其由熱管單元的換熱器、壓縮制冷單元的冷凝器和風機構成。高溫季節運行壓縮制冷模式，壓縮制冷系統的第一制冷劑通過冷凝蒸發器為第二制冷劑提供全部冷量；過渡季節運行復合制冷模式，熱管單元滿負荷工作，不足冷量由壓縮制冷單元提供；低溫季節運行熱管模式，全部使用自然冷源。HKF-60FH配套應用于某高性能計算機的空調系統，蒸發器設置在服務器桁架內，采用水平送風、閉式循環的氣流組織方式，回風溫度設定為33 ℃。性能測試顯示：制冷工況(環境溫度35 ℃)和熱管工況(環境溫度10 ℃)的制冷量/COP分別為61.3 kW/3.23和59.8 kW/11.3。

數據中心空調；熱管復合式制冷機組；研發；應用

信息技術在商業、金融、通信、工業、軍事、教育和科學研究等領域的廣泛應用推動了數據中心建設規模快速增長，ICT research統計數據顯示，2014年我國數據中心保有量約5萬個，總面積1300萬m2。數據中心是典型的大規模、高密度電子設備集成區，發熱量大，為維持熱平衡空調系統必須全天候運行。中國數據中心的PUE普遍在2.0以上，相對于先進數據中心的PUE值1.2[1]，空調系統的節能潛力巨大。高效空調技術研發是綠色數據中心建設的重要工作，高效利用自然冷源是數據中心空調系統節能的最佳技術路徑[2]。典型案例有：適合干燥氣候地區的蒸發冷卻空調系統[3-4]，水資源豐富地區的具有水冷經濟器的雙冷源冷水系統，應用區域較為廣泛的風冷雙冷源冷水系統[5-6]，適用于基站和小型機房的重力型分離式熱管的復合空調系統[7-9]等，應用自然冷卻技術實現數據中心空調系統節能減排已成為業內共識。近年來，熱管復合制冷空調技術的研究成為熱點，清華大學石文星等[10]研發的重力型熱管/蒸氣壓縮空調機組、中國科學院理化技術研究所張海南等[11]研發的機械制冷/回路熱管一體式機房空調系統，能效指標先進。筆者針對某高性能計算機系統大功率、高熱密度閉式機柜的空調需求，在全天候寬溫帶精密溫度控制系統[12]研究的基礎上，以節能、小型化、高可靠性和良好的調節性能為目標，提出了熱管/蒸氣壓縮復合制冷的機房空調技術方案[13-14]，進行了熱管復合式機組的開發和應用研究工作。

1 熱管復合式制冷機組

1.1 熱管復合式制冷機組結構原理和特點

熱管復合制冷系統(見圖1)由蒸氣壓縮制冷單元與分離式熱管單元通過蒸發冷凝器耦合構成。制冷單元以壓縮機、冷凝器、節流機構、蒸發冷凝器的蒸發通道等構成第一制冷劑的循環回路。鑒于可靠性和調節性的要求，制冷單元為2個以上獨立制冷回路冗余配置的并聯、變流量系統，具備能量調節、輪值運行、故障自鎖、安全保護等自動功能。熱管單元以室內換熱器、主電磁閥、風冷換熱器、蒸發冷凝器的冷凝通道、儲液器和液泵等構成第二制冷劑主回路；在室內換熱器的出口與蒸發冷凝器冷凝通道的入口之間設置了以電磁閥控制的旁通支路，即第二制冷劑的支回路。控制系統可根據室外環境溫度、被調對象熱負荷狀況，運行蒸氣壓縮制冷、蒸氣壓縮/熱管復合制冷和熱管制冷3種工作模式。

1壓縮機 2風機 3冷凝器 4節流機構 5蒸發冷凝器(5-1蒸發通道，5-2冷凝通道) 6儲液器 7液泵 8室內換熱器 9主電磁閥 10風冷換熱器 11旁通電磁閥 圖1 熱管復合式制冷機組原理圖Fig.1 Principle of composite refrigeration unit with heat pipe

熱管復合式制冷機組能量管理規劃如圖2所示，將環境溫度由低至高分為3個溫區。A0～A1溫區運行熱管制冷模式，壓縮制冷單元不運行，通過調節熱管單元的換熱能力實現制冷量與熱負荷的匹配；A1～A2溫區運行復合制冷模式，熱管單元滿負荷運行，不足冷量由壓縮制冷單元提供；A2～A3溫區運行壓縮制冷模式，熱管單元不運行，第二制冷劑通過旁通支路，由壓縮制冷單元提供所需冷量。

圖2 熱管復合式制冷機組能量規劃Fig.2 Energy planning of compound refrigeration unit with heat pipe

以額定熱負荷Qe為例分析不同類型空調的能耗變化。傳統機房精密空調能耗隨室外環境溫度的變化為W1-W2-W3-W4，壓縮制冷與熱管制冷不兼容運行的熱管復合式機組的能耗變化為W1-W2-W3-W6-W7。圖1所示制冷系統的特征是壓縮制冷與熱管制冷可以兼容運行，如M工況點，二者所提供的制冷量分別為Q1和Q2，其能耗的變化為W1-W2-W5-W6-W7。根據用戶所在地氣候條件的差異，A1～A2溫區的年度時數占比約為1/4～3/4，熱管與壓縮制冷兼容運行技術可有效擴大熱管的運行溫區，提升系統的綜合效率。

1.2 熱管復合式制冷機組研制

1.2.1 總體設計

熱管復合式制冷系統研發工作主要包括：熱力循環系統設計、循環過程模擬研究、關鍵部件設計與選型、換熱器優化設計、輔助設備設計與選型、控制系統研發和系統集成等。

依據制冷循環熱力計算和循環過程模擬分析，蒸氣壓縮制冷單元配置4臺5匹渦旋式壓縮機，兩兩并聯構成2個獨立的制冷回路，以充分利用兩器的換熱面積，提高制冷系統的可靠性、調節性和效率。根據用戶所在地的空氣質量，風冷側可采用管片式或平行流式換熱器；蒸發冷凝器可采用板式或殼管式換熱器，以優化機組的性能和結構設計；根據環保、傳熱和安全要求選擇R410A或其他制冷劑；鑒于可靠性要求，配置2臺屏蔽泵作為液泵，一用一備。研發的HKF-60FH熱管復合式制冷機組如圖3(a)所示。

圖3 HKF-60FH熱管復合式制冷機組Fig.3 HKF-60FH heat pipe compound refrigeration unit

1.2.2組合式風冷換熱器

基于結構緊湊和氣流組織的需要設計了風冷組合式換熱器總成，實驗樣機的風冷側均采用平行流式換熱器[15-16]，充分發揮其換熱系數高、結構緊湊、質量輕、制冷劑充灌量小、成本低的優點，熱管單元的風冷換熱器和壓縮制冷單元的冷凝器分別設置在進風側和出風側，平行流式冷凝器的規格參數：長×高×厚度為932 mm×1000 mm×25.4 mm。

1.2.3 蒸發冷凝器

采用殼管式換熱器作為蒸發冷凝器[17]，如圖4所示，換熱器的管程為蒸發側，由2個相互獨立的蒸氣壓縮制冷回路的蒸發管簇組成，通過調節制冷壓縮機的排量以適應熱負荷的寬幅變化；殼程為冷凝側，進入殼程的第二制冷劑的熱工參數隨著外界環境溫度及空調熱負荷的變化在較寬的范圍內波動，通過進液口、均流板和蒸發管簇，被冷凝和過冷后儲存在殼體內的儲液區。其主要功能是：1)高、中溫季節將壓縮制冷單元的制冷量傳遞給第二制冷劑，滿足空調對象熱負荷和設定供液參數的要求；2)兼為儲液器，滿足第二制冷劑動力循環的儲液量要求，維持適量的過冷度和蓄冷能力，提升系統的安全性。

1殼體 2視液管 3儲液器 4第二制冷劑出口 5蒸發管簇 6均流板 7第二制冷劑進口圖4 殼管式換熱器Fig.4 Shell and tube heat exchanger

2 性能實驗

2.1 實驗系統

熱管復合式制冷機組的性能實驗在安徽滁州揚子空調器有限公司的焓差法實驗室進行，實驗系統如圖3所示。制冷機組置于室外側，室內側布置直接蒸發式空氣冷卻器，室、內外側環境條件由各自的工況機組提供。

2.2 實驗方案

實驗設計兼顧了應用對象某高性能計算機系統的環控要求，其服務器的CPU集成密度大，設計熱負荷60 kW，具有熱流密度大、熱負荷變化幅度大及變化頻繁的特點，設計空調回風溫度為33 ℃。實驗依據企業標準《蒸氣壓縮/熱管復合式制冷機組》QB1.03.015—2014進行，第二制冷劑飽和溫度設定值為17 ℃±1 ℃，定供液量，回風干/濕球溫度設定為33 ℃/24 ℃，蒸發器出口靜壓恒定，被測機組工作在自動控制狀態，調整室外側環境溫度，分別測量和記錄第一制冷劑蒸發溫度(壓力)、回氣溫度，第二制冷劑回氣(或氣液混合狀態)總管溫度、儲液溫度和壓力及機組輸入功率等，通過測量室內側空氣冷卻器的進出口焓差和風量計算制冷量，并考核蒸發冷凝器和控制系統的工作性能。

2.3 實驗結果與分析

圖5所示為熱管復合式制冷機組在室內側空氣冷卻器進口風量和溫度不變條件下制冷性能隨室外環境溫度的變化。在室外環境溫度>35 ℃時，隨著環境溫度提高，冷凝溫度上升，致使制冷量和COP呈下降趨勢。在室外環境溫度≤35 ℃的溫區，制冷量在60 kW附近小幅波動。其中，在10 ℃≤環境溫度≤35 ℃的溫區，通過調節壓縮機的排量控制制冷量的輸出；在環境溫度<10 ℃的溫區，通過調節室外風機的風量(熱管的換熱能力)控制制冷量的輸出。在環境溫度小于16 ℃區間，熱管復合式制冷機組的COP隨著環境溫度的下降而加速上升。

圖6所示為熱管復合式制冷機組熱管單元獨立工作的制冷性能，此時空調機組的耗能部件主要有：室外風機、液泵、電控系統和室內側風機。根據環控對象技術要求，設定室外環境溫度10～16 ℃為復合區，熱管單元滿負荷運行，機組的制冷量和COP隨室外環境溫度的降低快速上升，10 ℃時分別為59.8 kW和11.3。隨著室外環境溫度的進一步降低，室外風機逐級卸載，維持制冷量穩定，COP小幅增大，室外環境溫度為-5 ℃時，制冷量和COP分別為61.4 kW和15.5，此時室外風機的功率幾乎減半。

圖5 制冷性能隨室外環境溫度的變化Fig.5 Refrigeration performance versus outdoor temperature

圖6 熱管制冷量和COP隨環境溫度的變化Fig.6 Refrigeration capacity and COP of heat pipe versus outdoor temperature

分析圖5和圖6的性能曲線可知，熱管復合式制冷技術的節能優勢主要在于低溫和過渡季節利用自然冷源替代或部分替代蒸氣壓縮制冷，這一特性尤其適用于數據中心、基站等全天候運行的電力電子設備的環控。性能實驗結果同時表明：筆者研發的熱管復合式制冷機組能夠響應運行環境的變化，自動調節工作模式和制冷量輸出，在寬溫區內穩定、可靠和節能運行。

3 應用分析

大連市某高校數據中心的高性能計算機系統(見圖7(a))使用HKF-60FH熱管復合式制冷機組作為空調冷源，采用熱損和輸送功均較小的閉式循環、水平送風的氣流組織方式(見圖7(b))，空氣處理裝置的蒸發器如圖4所示，回風溫度設定為33 ℃。熱管復合式制冷空調系統于2014年7月啟用，截至2015年10月已安全、可靠地自動運行了15個月。

圖7 計算機系統及內部氣流組織Fig.7 Computer system and its internal air flow organization

根據DEST隨機氣候模型，統計了大連市全年溫度逐時變化數據，如圖8所示，經分析得到熱管復合式制冷空調系統壓縮制冷、復合制冷和熱管制冷三種工作模式的運行時間占比分別為38.1%，15.9%和46.0%，圖8中線段A-A以下均為熱管運行時區，全年61.9%的時間熱管制冷單元運行。

圖8 大連全年干球溫度的變化Fig.8 Annual dry bulb temperature of Dalian

年綜合能效的計算式為:

(1)

式中：ti為數據中心空調運行期間大連逐時溫度的小時數；COPi為逐時溫度所對應的COP。

根據HKF-60FH熱管復合式制冷機組的實驗數據計算得：熱管復合式數據中心空調系統全年綜合能效比為7.9。

4 結論

基于數據中心空氣調節需求，以節能、小型化、高可靠性和良好的調節性能為目標，本文提出了壓縮制冷系統與分離式熱管系統一體化和雙系統兼容運行的技術方案，研發了熱管復合式制冷機組，通過性能實驗和應用考核，得到以下主要結論：

1)自主研發的熱管復合式制冷機組及機房空調系統，解決了分離式熱管系統與蒸氣壓縮制冷系統兼容運行、能量調節和自動運行控制等問題，有效地拓寬了熱管系統的工作溫區，提高了自然冷源的利用率。

2)熱管復合式制冷機組的性能測試顯示：制冷工況(環境溫度35 ℃)和熱管工況(環境溫度10 ℃)的制冷量/COP分別為61.3 kW/3.23和59.8 kW/11.3。

3)HKF-60FH熱管復合式制冷機組采用多臺制冷壓縮機和多個獨立制冷回路的技術，提高了制冷系統的可靠性和部分負荷的能效；采用液泵驅動熱管循環，熱管運行穩定，能量調節性好，可實現冷量遠距離輸送。機房空調應用示范工程已運行15個月，高效、可靠的特性明顯。

4)熱管復合式制冷技術及其空調系統高效、可靠，廣泛適用于數據中心、高性能計算機系統、通信基站等全天候運行的電子和能源設備的環境控制。

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About the corresponding author

Wang Tiejun, male, professor, The Head of Refrigeration and Air Conditioning Institute, +86 13905510159， E-mail: wtj555@sina.com. Research fields: conservation and utilization of energy in refrigeration and air-conditioning system.

Research and Application of Compound Refrigeration Unit with Heat Pipe

Wang Tiejun1Zhao Li1Lü Jixiang1Zhao Shaobo2Liu Guanghui3Wang Jinghui1Xia Xingxiang1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, 230009，China; 2. Chuzhou Yangzi Central Air-conditioning Co., Ltd.，Chuzhou, 239000，China；3.Sugon Information Industry(Beijing) Co., Ltd.，Beijing ,100094，China)

HKF-60FH, a compound refrigeration unit with heat pipe for data center and other electronic equipment has been researched and developed. It contains three work modes: vapor compressing refrigeration, compound refrigeration and refrigeration with heat pipe respectively. Two independent cooling loops are formed by four scroll compressors where two of them are parallel. In this way, this unit can regulate cooling capacity by changing volume of compressors. Heat pipe unit uses the second refrigerant, which is driven by a liquid pump. In the air-cooled side, a combined heat exchanger was used, which contains the heat exchanger of heat pipe unit, condenser of compressing refrigeration unit and fan. Vapor compressing refrigeration begins to work when the ambient temperature is high. In this work mode, the first refrigerant provides total cooling capacity for the second refrigerant by heat transfer in the evaporator-condenser. Compound refrigeration mode works in transition seasons under full load operation of the heat pipe unit and compression refrigeration unit remedies the cooling capacity. When the ambient temperature is low, heat pipe unit operates and makes full use of the natural cold source. HKF-60FH unit is applied to high performance computer system, the evaporators are established in the truss and its internal air-flow distribution uses the method of horizontal air supply and closed circulation. The recirculating air temperature of the evaporators is set to 33 ℃. According to the above parameters, the refrigeration capacity and COP of vapor compressing refrigeration mode can reach 61.3 kW and 3.23(the ambient temperature is 35 ℃). Furthermore, the capacity and COP of heat pipe mode achieve 59.8 kW and 11.3(the ambient temperature is 10 ℃).

data center air-conditioning; compound refrigeration unit with heat pipe; research and development; application

0253- 4339(2016) 04- 0065- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.065

2015年10月9日

TB657；TK172.4

A

簡介

王鐵軍，男，教授，合肥工業大學制冷與空調技術研究所所長，13905510159，E-mail：wtj555@sina.com。研究方向：制冷空調系統節能與能源綜合利用。