重力式热管空调机组运行特性试验研究

王爱辉，罗高乔，汪韩送

（中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥 230043）

0 引言

信息机房空调耗能非常高，平均占了整个机房设备总耗电量的40%[1]，而热管是一种简易而高效的换热装置，将其用于电子计算机与数据处理机房，可满足机房内设备密度大、发热量高，计算机系统对环境的温、湿度及含尘浓度等要求。与普遍蒸汽压缩式机房专用空调相比，热管空调耗能小，尤其在冬季寒冷地区，发热量大的机房，热管空调节能效果更为出色[2]。对于我国北方地区来说，冬季及春秋过渡季节大部分时间内的气温低于20℃，当室外环境温度低于室内温度时，若用室外冷空气直接或间接冷却机房[3]，停用压缩式制冷机组，则可以在节约能源的同时延长压缩式制冷机组的使用寿命[4]。为此，李奇贺等[5]对不同室内外温差下的热管空调能效比进行了研究；金鑫等[6]以室外环境平均温度20℃为基础，对分离式热管空调运行COP 和节电率进行了研究，但他们的研究中对热管换热特性的研究较少。

本文以室外温差10℃为基础，自行设计了一套重力式热管空调系统，着重考虑不同的风机风量和不同的热管结构对热管空调运行特性的影响。

1 工作原理

热管机房空调系统工作原理如图1，它由室内换热芯、室内风机、室外换热芯、室外风机及连接管组成，热管式机房空调机组的风系统由室内热风循环系统和室外冷风循环系统组成。

机房内热空气在热侧循环风机的作用下流过热管式空调机组的热侧，经过降温后被重新送入机房；室外冷风循环为开式循环，室外冷空气以室外散热风机为动力，流过热管换热器时带走热量。热管机房空调系统机组完全依靠重力为循环动力，利用室内外的温差及制冷剂吸热（或放热）的相变过程间接地将室内的热量排出室外，起到空调的作用，同时，室外冷风流过室外换热芯后流出，对基站内的含湿量及洁净度影响较小。

图1 系统工作原理

2 结构设计及优点

对以上方案进行芯体结构设计，取冷热侧进出口温差10℃，采用整体式热管设计方法[7]，设计传热量为4000 W，设计风量为3500 m³/h。热管选用R134a 为工质，管壳为φ10×0.5 mm 的紫铜管，翅片为厚度0.15 mm 的波纹型整张铝制套片。换热管排数的计算公式如下：

式中：

Qh——设计传热量，W；

Δtm——换热对数温差，℃；

UH——总的传热系数，W/(m2·K)；

n——换热管排数；

L——热管管长，m。

将设计的芯体组装成机柜，安装于机房有以下主要优点：室内外空气相互独立，避免了室内外湿度的扩散，减小了进入机房的有害粒子，保证了机房的洁净度；针对于基站空调室外机容易被盗的现象，该机组安装在机房内部，增加了机组的防盗能力。

3 试验装置

按照设计结果进行试验，图2 为试验装置原理图，环境1 为模拟室外温度，环境2 为模拟机房温度。试验在合肥某12 kW 焓差实验室内进行，主要测试环境1、环境2 的温度、环境2 的热风到风道的出口温度和风道内的风速。该实验室的软、硬件均由合肥通用机械研究院设计建造，达到了国家相关的标准要求。

为了进行对比，试验中采用两组热管芯体，一组为设计的120 根，另一组为将设计换热管扩大1倍的240 根。由于进行试验的实验室条件有限，环境1 冷风流经热管后的出风未能引出环境2，对试验效果产生了一定的影响，另外，实验室风量最大值只能达到3200 m³/h，而此时的风管承受能力很脆弱，所以，由于条件的限制，试验风量取为2800 m³/h。

图2 试验装置系统

4 试验结果及分析

4.1 风量与制冷量

在冷热侧进风温差10℃时增大进口风量，样机空调制冷量的变化情况如图3 所示。从图中可以看出，空调运行情况与设计结果符合的较好，在风量3500 m³/h 时的制冷量可达到4000 W；另外，在维持冷热侧进出口温差一定的条件下，制冷量是随进口风量的增加而增加的，但是，在风量较小的情况下，风量的增加对制冷量的影响较大，在风量接近设计的风量时，制冷量增长趋势变得较平缓，此时再增大风量，制冷量增大很小。

图3 风量对制冷量的影响

可以得出，在冷热侧温差一定的情况下，确定结构的热管空调制冷量有一个最佳值，超过这个最佳值后风量的增大对制冷量影响很小，而风机风量的增大需要更大的功率，也会产出更大的风管阻力，所以，选取最佳风量对系统的成本和运行费用都很重要。

4.2 热管结构与制冷量

为了研究热管结构不同对制冷量的影响，试验中采用比设计管数扩大一倍的热管结构进行对比试验，结果如图4 所示。

图4 温差对制冷量的影响

图4 为风量为2800 m³/h 下冷热侧进风温差变化对制冷量的影响情况。从图中可以看出，制冷量随着冷热侧进风温差的增大而增大；增大换热管数量可以使制冷量增加，但增加量有限，而且，这种增加随着冷热侧进风温差的增大而减小。

这说明在热管空调中并不是热管数量越多越好的，试验数据显示，在冷热侧进风温差10℃下，热管数量增加1 倍，制冷量只增加14%，而机组成本增加30%以上，这是很不经济的。所以，在设计的基础上为了增大制冷量而增加热管数量的方法是不够实际的，合理的设计最为关键。

4.3 换热器效率

换热器效率是评价换热机组性能的重要指标，本机组采用显热传热，无相变送风，故可用温度效率指标进行评价，计算式[8]为：

式中：

ε——温度效率；

t1——冷侧空气进口温度，℃；

t2——热侧空气进口温度，℃；

t3——热侧空气出口温度，℃。

对试验样机保持冷热侧10℃温差的情况下研究风量变化对温度效率的影响，结果如图5 所示。由图可见，温度效率是随着风量的增大而减小的，但是从图3 的结果来看，制冷量是增加的，这就是说风量变化对温度效率的具体大小影响较小，对制冷量的影响主要来源还是偏重于风量的变化。

图5 风量对温度效率的影响

5 结论

(1)该型热管空调在冷热侧进风温差10℃，风量3500 m³/h 时的制冷量可达到4000 W，与设计结果符合的较好。

(2)空调制冷量是随进口风量的增加而增大的，但在风量较小的情况下，风量的增加对制冷量的影响较大，在风量接近设计的风量时，制冷量增长趋势变的较为平缓，此时再增大风量，制冷量增大很小。

(3)在冷热侧进风温差10℃下，热管数量增加1倍，制冷量只增加14%，而机组成本增加30%以上，经济效益较差。

(4)确定冷热侧温差的情况下，机组温度效率随着风量的增大而减小，但风量变化对温度效率的具体值影响较小，制冷量的变化主要影响来源于风量的差异。

[1]胡伟,何杞鑫,俞震.通信机房节能平台及其应用[J].电源技术应用,2008,5:50-56.

[2]田浩,刘晓华,江亿.信息机房热管空调系统应用研究[J].建筑科学,2010,26(10):141-145.

[3]李长云.利用自然冷源进行隔绝换热的节能措施[J].电信技术,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]李奇贺,黄虎,张忠斌.热管式机房空调性能实验研究[J].暖通空调,2010,40(4):145-148.

[6]金鑫,瞿晓华,祁照岗,等.分离式热管型机房空调性能实验研究[J].暖通空调,2011,41(9):133-136.

[7]庄俊,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[8]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002.