雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)傳熱性能實驗研究與應(yīng)用*

黃鳥林, 羅武生, 朱志軍, 鮑元昊, 廖曙光

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,湖南 長沙 410004； 2.長沙麥融高科股份有限公司,湖南 長沙 410000)

0 引 言

當(dāng)前國內(nèi)數(shù)據(jù)機房行業(yè)主要通過以下兩大方式進(jìn)行節(jié)能：采用變頻技術(shù)、空調(diào)機組自適應(yīng)控制技術(shù)等來提高空調(diào)系統(tǒng)效率；采用全熱交換器、熱管換熱等利用自然冷源進(jìn)行冷卻。其中對熱管換熱技術(shù)的研究方面,郝瑩等人[1]對采用蛇形翅片管作為分離式熱管的換熱器的情況進(jìn)行了研究,實驗表明,隨著蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度的升高,蒸發(fā)器與冷凝器換熱系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。朱玉琴等人[2]對分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱特性進(jìn)行了試驗研究,結(jié)果表明:隨著熱流密度的增加,換熱系數(shù)增加；工作溫度增大,換熱系數(shù)也增大；傾角增加時,換熱系數(shù)增大；合理充液率為65 %～90 %。陳嵐等人[3]對以丙酮為工質(zhì),充液率為32 %～179 %之間的水平排管串聯(lián)型分離式熱管進(jìn)行了實驗研究,并分析了不同充液率下熱管的工作狀態(tài),結(jié)果表明,在設(shè)定的加熱功率為1 400 W、空氣流速1.3 m/s的工況下,該分離式熱管最佳充液率為70 %～114 %。綜合其他相關(guān)文獻(xiàn)[4～9]可知，目前對分離式熱管的實驗研究主要采用蛇形翅片管作為冷凝段和蒸發(fā)段,對微通道換熱器作為分離式熱管蒸發(fā)段的研究比較少；其次缺乏將分離式熱管系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合組成復(fù)合空調(diào)為機房提供冷量的研究,對其在現(xiàn)實環(huán)境中運行狀態(tài)、節(jié)能率和性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)等因素隨時間變化規(guī)律的研究更是很少。

本文根據(jù)熱管換熱的工作原理,結(jié)合以往學(xué)者的研究[10～12],研制出雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng),通過實驗研究了充液率、傾角、高度差和溫差等因素對雙源式熱管空調(diào)傳熱性能的影響,并以某通信機房改造應(yīng)用雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng),將雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合對機房制冷,對整個機房在現(xiàn)實環(huán)境中運行狀態(tài)、節(jié)能率進(jìn)行研究并分析其經(jīng)濟(jì)性。

1 雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)工作原理

雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)外觀與普通空調(diào)相似,分為室內(nèi)機、室外機和連接管路,雙源式熱管空調(diào)室內(nèi)機、室外機均使用微通道型換熱器,通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的紫銅管將蒸汽上升管和液體下降管連通起來,熱管中充有一定量的R134a制冷劑,形成一個自然循環(huán)回路,如圖1(a)所示。該系統(tǒng)為無動力設(shè)備,通過風(fēng)機獲得空氣輸送動力來利用室外的天然冷源,故室內(nèi)機和室外機分別裝有軸流風(fēng)機,風(fēng)機風(fēng)量為4 500 m3/h,風(fēng)機總功率為260 W,室內(nèi)機采用下送側(cè)回的方式對散熱設(shè)備制冷,如圖1(b)所示。

圖1 雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)工作原理

該空調(diào)系統(tǒng)的室外機具有利用自然冷源風(fēng)、水兩種冷卻方式。當(dāng)室外符合熱管換熱系統(tǒng)工作條件時,利用風(fēng)冷和水冷對室外機內(nèi)的散熱器進(jìn)行冷卻；當(dāng)室外氣溫過低時,關(guān)閉室外機的水冷系統(tǒng),以防水冷系統(tǒng)結(jié)冰。在空調(diào)系統(tǒng)運行的過程中,機房內(nèi)外只有熱量交換,無冷凝水產(chǎn)生,因此空氣潔凈度和濕度不會發(fā)生變化,能最大限度地利用外在的自然冷源,增加全年可用時間。

2 空調(diào)系統(tǒng)性能測試

為保證并驗證雙源式熱管空調(diào)的冷卻性能,雙源式熱管空調(diào)采用風(fēng)冷方式散熱。為研究方便,引入空調(diào)制冷系數(shù)EER,EER=Q/N,Q為熱管的換熱量,N為系統(tǒng)的輸入功率。熱管工作時的輸入功率即為兩風(fēng)機的輸入功率之和。

換熱量Q為Q=ρvACpΔT,ρ為空氣密度,kg/m3;ν為風(fēng)速,m/s;A為風(fēng)道截面積,m2;Cp為空氣定壓比熱容,kJ/kg;ΔT為蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)空氣溫差,℃。

實驗測試過程中,通過采用裝有新型溫濕度傳感器以及光電信號采集系統(tǒng)[13,14]的焓差實驗平臺來控制室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)的溫度模擬機房內(nèi)外溫度,使雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)運行過程中形成穩(wěn)定的內(nèi)外溫差,測試過程中所有溫度結(jié)果均為穩(wěn)定后一段時間內(nèi)多個時刻測點溫度的平均值。

2.1 充液率對系統(tǒng)性能的影響

熱管充液率R定義為:在冷態(tài)條件下,充入液相工質(zhì)的體積與蒸發(fā)器管內(nèi)容積之比值,R=V1/Ve,V1為充入液相工質(zhì)的體積,m3;Ve為蒸發(fā)器管內(nèi)容積,m3。

在高度差為1 000 mm,傾角10°的工況下,通過測量室內(nèi)機蒸發(fā)器進(jìn)出口的溫度分布,可以看出,系統(tǒng)充液率的不同引起室內(nèi)機蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度的變化,進(jìn)而影響蒸發(fā)器的換熱量,同時說明室內(nèi)外溫差越大,換熱效果越好,如圖2,可以看出,以空調(diào)EER為指標(biāo),雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)的最佳充液率介于100 %～125 %,在此區(qū)間內(nèi)的系統(tǒng)EER最高,說明蒸發(fā)器單位面積換熱量最大。在70 %～100 %的充注率范圍內(nèi),空調(diào)能效比(energy efficiency ratio,EER)的增長趨勢較為明顯,這是因為當(dāng)充注率非常小時,換熱過程中管壁面出現(xiàn)干涸,所有的液態(tài)工質(zhì)全部用于系統(tǒng)的換熱循環(huán)；隨著充注率的增加,液體工質(zhì)不斷潤濕壁面,系統(tǒng)換熱性能不斷提高,制冷系數(shù)變化趨勢較為明顯。當(dāng)充注率繼續(xù)增大時,出現(xiàn)蒸發(fā)段的沸騰傳熱極限,造成管內(nèi)氣液相互接觸,阻礙回流液體從冷凝段回到蒸發(fā)段,影響熱量的傳遞[15],使得系統(tǒng)換熱效率隨著工質(zhì)充注率增大而降低,造成EER的變化趨勢也降低。

圖2 不同充液率與制冷系數(shù)EER的關(guān)系

2.2 傾斜角對系統(tǒng)性能的影響

在雙源式熱管空調(diào)充注率100 %,高度差1 000 mm時,在不同溫差的工況下,實驗測試結(jié)果如圖3所示,表明雙源式熱管空調(diào)制冷系數(shù)隨著傾角的增大先升高后降低,溫差越大換熱效果越好。在傾角10°～12°時能效比達(dá)到最大,即為系統(tǒng)的最佳傾角。這是因為在0°～10°傾角范圍內(nèi),對于一定的工質(zhì)充注率,當(dāng)傾角增大時,熱管兩端垂直高度也增大。在循環(huán)換熱的過程中,冷凝段中的工質(zhì)冷卻后能及時回流到蒸發(fā)段,使系統(tǒng)的整體換熱效率變高,EER值變化明顯。當(dāng)傾角過大時,系統(tǒng)的蒸發(fā)段的靜壓差變大,液態(tài)工質(zhì)汽化壓力升高,傳熱受阻,使得系統(tǒng)換熱效果不明顯,整個系統(tǒng)的制冷系數(shù)降低。

圖3 不同傾角下的EER

2.3 高度差對系統(tǒng)性能的影響

在傾角為10°,雙源式熱管空調(diào)充注率為100 %,不同室內(nèi)外溫差的工況下,高度差對系統(tǒng)的影響如圖4所示。當(dāng)高度差為1 000～1 100 mm時,EER值最大說明系統(tǒng)的換熱效果最好,同時隨室溫差增大,系統(tǒng)的制冷系數(shù)也越大。在一定范圍內(nèi), EER會隨著高度差的增加而增大,但當(dāng)高差大于1 100 mm時,蒸發(fā)段的工質(zhì)流動阻力以及由密度差引起的熱管驅(qū)動力均隨著高度差的增加逐漸增大[16],因此,系統(tǒng)的高度差存在一個最佳范圍,調(diào)整高度差是提高系統(tǒng)制冷效果的一種有效方式。

圖4 不同高度差下的EER

2.4 室內(nèi)外溫差對系統(tǒng)性能的影響

由上得出在傾角為10°,高度差為1 000 mm,充注率為100 %時,在不同溫度差的工況下測得系統(tǒng)的EER如圖5所示,表明隨著溫差越大系統(tǒng)的EER也越大,在溫差15 ℃時比溫差5 ℃時EER約增加了106 %,說明雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)是一種非常節(jié)能的系統(tǒng),具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 不同溫差下的EER

3 熱管空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能研究

3.1 機房改造概況

南方地區(qū)某通信機房長度35 m,寬13.4 m,高3 m,面積469 m2。該機房配置7臺空調(diào)對機房制冷,所有空調(diào)送風(fēng)方式是直風(fēng)且都開啟(開啟設(shè)定溫度22 ℃)；4臺空調(diào)安裝在南側(cè),其余空調(diào)安裝在北側(cè)。由于機房的橫向距離較大,影響空調(diào)的氣流組織導(dǎo)致有局部過熱現(xiàn)象,根據(jù)實際運行記錄,該機房冷負(fù)荷為80～100 kW 之間,局部區(qū)域超過了30 ℃。結(jié)合機房機柜過道上方無橋架,間隔空間較大等機房結(jié)構(gòu)特點,利用實驗優(yōu)化的數(shù)據(jù)對機房進(jìn)行改造。

機房改造完成后,在秋冬過渡季節(jié)工況下,雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)利用機房內(nèi)外的溫差將基站熱量向外排放,通過智能聯(lián)動控制技術(shù)在確保機房內(nèi)部設(shè)備正常運行前提下,熱管與空調(diào)兩套設(shè)備交替運行、互為備份,可以大大節(jié)省能耗,有效保障基站運行的安全性和可靠性,延長空調(diào)設(shè)備使用壽命。

3.2 改造前后節(jié)能性分析

根據(jù)《通信機房環(huán)境安全管理通則》,機房溫度全年控制范圍為18～28 ℃,溫度變化率小于5 ℃并不得結(jié)露,相對濕度控制范圍為40 %～70 %RH,控制精度為±10 %RH。作為雙源式熱管空調(diào)運行要求和理論依據(jù),選取室內(nèi)溫度作為系統(tǒng)控制的第一判斷要素：滿足機房的溫度控制要求；將室內(nèi)外溫差作為第二判斷要素：當(dāng)實際運行時當(dāng)室內(nèi)外溫差低過5℃,采用空調(diào)運行模式。在室內(nèi)外溫差高過5 ℃,根據(jù)室內(nèi)的溫度情況,同時考慮到信息機房內(nèi)設(shè)備對室內(nèi)濕度的特殊要求,控制空調(diào)運行或關(guān)機,減少空調(diào)運行時間；將室內(nèi)及室外濕度作為第三判斷要素：以保障信息機房內(nèi)總體濕度要求。通過3個月的測試機房改造前后用電對比,可知,改造前后平均用電量分別為1068.4度/天,631.8度/天,節(jié)電量為436.6度/天,節(jié)電率為40.8 %。

可知雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)不但具備利用冬季及過渡季節(jié)室外較低的自然環(huán)境溫度進(jìn)行熱交換,最大限度降低機房空調(diào)用電量的優(yōu)勢,具有顯著的節(jié)能減排效果,同時隨著室內(nèi)外工作溫差的增大,其節(jié)能效果將更為顯著。

4 結(jié) 論

1)在高度差為1 000 mm,傾角10°的工況下,隨著充注率的增加,雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng)能效比逐漸增大,增大到某一數(shù)值后,制冷系數(shù)變化趨于平緩。雙源式熱管空調(diào)的最佳充注率范圍為100 %～125 %,同時室內(nèi)外溫差越大,系統(tǒng)換熱效果越好。

2)在雙源式熱管空調(diào)充注率為100 %,高度差為1 000 mm工況下,隨著傾角的增大,雙源式熱管空調(diào)的制冷系數(shù)先增加,當(dāng)超過某一傾角時,有所降低并逐漸趨于平緩。得到最佳傾角范圍為10°～12°,同時室內(nèi)外溫差越大,系統(tǒng)換熱效果越好。

3)在傾角為10°,雙源式熱管空調(diào)充注率為100 %,隨著高度的增大,系統(tǒng)制冷系數(shù)先增大后減少,得到最佳的高度范圍為1 000～1 100 mm,同時室內(nèi)外溫差越大,系統(tǒng)換熱效果越好。

4)在傾角為10°,高度差為1 000 mm,充注率為100 %時,隨著機房室內(nèi)外溫度差不斷增大,雙源式熱管空調(diào)的制冷系數(shù)不斷增大,空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能換熱效果顯著。

5)通過機房改造應(yīng)用雙源式熱管空調(diào)系統(tǒng),并與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)兩套制冷系統(tǒng)聯(lián)合使用,改造后與之前常規(guī)空調(diào)相比,空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到40.8 %,具有顯著的節(jié)能減排效果。