热管复合式制冷机组的研发与应用

王铁军　赵 丽　吕继祥　赵绍博　刘广辉　王景晖　夏兴祥

(1合肥工业大学机械与汽车工程学院　合肥　230009； 2滁州扬子空调器有限公司　滁州　239000；3 曙光信息产业(北京)有限公司　北京　100094)



热管复合式制冷机组的研发与应用

王铁军1赵 丽1吕继祥1赵绍博2刘广辉3王景晖1夏兴祥1

(1合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥230009； 2滁州扬子空调器有限公司滁州239000；3 曙光信息产业(北京)有限公司北京100094)

研发了一种适用于数据中心等电子设备全天候环境控制的新型高效制冷机组HKF-60FH，其集成蒸气压缩制冷系统、分离式热管系统于一体，具有压缩制冷、复合制冷和热管制冷三种工作模式。压缩制冷单元由4台涡旋式压缩机两两并联构成2个独立的制冷回路，通过变容量控制实现制冷量调节；热管单元使用第二制冷剂，由液泵驱动强制循环；风冷侧采用组合式换热器，其由热管单元的换热器、压缩制冷单元的冷凝器和风机构成。高温季节运行压缩制冷模式，压缩制冷系统的第一制冷剂通过冷凝蒸发器为第二制冷剂提供全部冷量；过渡季节运行复合制冷模式，热管单元满负荷工作，不足冷量由压缩制冷单元提供；低温季节运行热管模式，全部使用自然冷源。HKF-60FH配套应用于某高性能计算机的空调系统，蒸发器设置在服务器桁架内，采用水平送风、闭式循环的气流组织方式，回风温度设定为33 ℃。性能测试显示：制冷工况(环境温度35 ℃)和热管工况(环境温度10 ℃)的制冷量/COP分别为61.3 kW/3.23和59.8 kW/11.3。

数据中心空调；热管复合式制冷机组；研发；应用

信息技术在商业、金融、通信、工业、军事、教育和科学研究等领域的广泛应用推动了数据中心建设规模快速增长，ICT research统计数据显示，2014年我国数据中心保有量约5万个，总面积1300万m2。数据中心是典型的大规模、高密度电子设备集成区，发热量大，为维持热平衡空调系统必须全天候运行。中国数据中心的PUE普遍在2.0以上，相对于先进数据中心的PUE值1.2[1]，空调系统的节能潜力巨大。高效空调技术研发是绿色数据中心建设的重要工作，高效利用自然冷源是数据中心空调系统节能的最佳技术路径[2]。典型案例有：适合干燥气候地区的蒸发冷却空调系统[3-4]，水资源丰富地区的具有水冷经济器的双冷源冷水系统，应用区域较为广泛的风冷双冷源冷水系统[5-6]，适用于基站和小型机房的重力型分离式热管的复合空调系统[7-9]等，应用自然冷却技术实现数据中心空调系统节能减排已成为业内共识。近年来，热管复合制冷空调技术的研究成为热点，清华大学石文星等[10]研发的重力型热管/蒸气压缩空调机组、中国科学院理化技术研究所张海南等[11]研发的机械制冷/回路热管一体式机房空调系统，能效指标先进。笔者针对某高性能计算机系统大功率、高热密度闭式机柜的空调需求，在全天候宽温带精密温度控制系统[12]研究的基础上，以节能、小型化、高可靠性和良好的调节性能为目标，提出了热管/蒸气压缩复合制冷的机房空调技术方案[13-14]，进行了热管复合式机组的开发和应用研究工作。

1 热管复合式制冷机组

1.1 热管复合式制冷机组结构原理和特点

热管复合制冷系统(见图1)由蒸气压缩制冷单元与分离式热管单元通过蒸发冷凝器耦合构成。制冷单元以压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发冷凝器的蒸发通道等构成第一制冷剂的循环回路。鉴于可靠性和调节性的要求，制冷单元为2个以上独立制冷回路冗余配置的并联、变流量系统，具备能量调节、轮值运行、故障自锁、安全保护等自动功能。热管单元以室内换热器、主电磁阀、风冷换热器、蒸发冷凝器的冷凝通道、储液器和液泵等构成第二制冷剂主回路；在室内换热器的出口与蒸发冷凝器冷凝通道的入口之间设置了以电磁阀控制的旁通支路，即第二制冷剂的支回路。控制系统可根据室外环境温度、被调对象热负荷状况，运行蒸气压缩制冷、蒸气压缩/热管复合制冷和热管制冷3种工作模式。

1压缩机 2风机 3冷凝器 4节流机构 5蒸发冷凝器(5-1蒸发通道，5-2冷凝通道) 6储液器 7液泵 8室内换热器 9主电磁阀 10风冷换热器 11旁通电磁阀 图1 热管复合式制冷机组原理图Fig.1 Principle of composite refrigeration unit with heat pipe

热管复合式制冷机组能量管理规划如图2所示，将环境温度由低至高分为3个温区。A0～A1温区运行热管制冷模式，压缩制冷单元不运行，通过调节热管单元的换热能力实现制冷量与热负荷的匹配；A1～A2温区运行复合制冷模式，热管单元满负荷运行，不足冷量由压缩制冷单元提供；A2～A3温区运行压缩制冷模式，热管单元不运行，第二制冷剂通过旁通支路，由压缩制冷单元提供所需冷量。

图2 热管复合式制冷机组能量规划Fig.2 Energy planning of compound refrigeration unit with heat pipe

以额定热负荷Qe为例分析不同类型空调的能耗变化。传统机房精密空调能耗随室外环境温度的变化为W1-W2-W3-W4，压缩制冷与热管制冷不兼容运行的热管复合式机组的能耗变化为W1-W2-W3-W6-W7。图1所示制冷系统的特征是压缩制冷与热管制冷可以兼容运行，如M工况点，二者所提供的制冷量分别为Q1和Q2，其能耗的变化为W1-W2-W5-W6-W7。根据用户所在地气候条件的差异，A1～A2温区的年度时数占比约为1/4～3/4，热管与压缩制冷兼容运行技术可有效扩大热管的运行温区，提升系统的综合效率。

1.2 热管复合式制冷机组研制

1.2.1 总体设计

热管复合式制冷系统研发工作主要包括：热力循环系统设计、循环过程模拟研究、关键部件设计与选型、换热器优化设计、辅助设备设计与选型、控制系统研发和系统集成等。

依据制冷循环热力计算和循环过程模拟分析，蒸气压缩制冷单元配置4台5匹涡旋式压缩机，两两并联构成2个独立的制冷回路，以充分利用两器的换热面积，提高制冷系统的可靠性、调节性和效率。根据用户所在地的空气质量，风冷侧可采用管片式或平行流式换热器；蒸发冷凝器可采用板式或壳管式换热器，以优化机组的性能和结构设计；根据环保、传热和安全要求选择R410A或其他制冷剂；鉴于可靠性要求，配置2台屏蔽泵作为液泵，一用一备。研发的HKF-60FH热管复合式制冷机组如图3(a)所示。

图3 HKF-60FH热管复合式制冷机组Fig.3 HKF-60FH heat pipe compound refrigeration unit

1.2.2组合式风冷换热器

基于结构紧凑和气流组织的需要设计了风冷组合式换热器总成，实验样机的风冷侧均采用平行流式换热器[15-16]，充分发挥其换热系数高、结构紧凑、质量轻、制冷剂充灌量小、成本低的优点，热管单元的风冷换热器和压缩制冷单元的冷凝器分别设置在进风侧和出风侧，平行流式冷凝器的规格参数：长×高×厚度为932 mm×1000 mm×25.4 mm。

1.2.3 蒸发冷凝器

采用壳管式换热器作为蒸发冷凝器[17]，如图4所示，换热器的管程为蒸发侧，由2个相互独立的蒸气压缩制冷回路的蒸发管簇组成，通过调节制冷压缩机的排量以适应热负荷的宽幅变化；壳程为冷凝侧，进入壳程的第二制冷剂的热工参数随着外界环境温度及空调热负荷的变化在较宽的范围内波动，通过进液口、均流板和蒸发管簇，被冷凝和过冷后储存在壳体内的储液区。其主要功能是：1)高、中温季节将压缩制冷单元的制冷量传递给第二制冷剂，满足空调对象热负荷和设定供液参数的要求；2)兼为储液器，满足第二制冷剂动力循环的储液量要求，维持适量的过冷度和蓄冷能力，提升系统的安全性。

1壳体 2视液管 3储液器 4第二制冷剂出口 5蒸发管簇 6均流板 7第二制冷剂进口图4 壳管式换热器Fig.4 Shell and tube heat exchanger

2 性能实验

2.1 实验系统

热管复合式制冷机组的性能实验在安徽滁州扬子空调器有限公司的焓差法实验室进行，实验系统如图3所示。制冷机组置于室外侧，室内侧布置直接蒸发式空气冷却器，室、内外侧环境条件由各自的工况机组提供。

2.2 实验方案

实验设计兼顾了应用对象某高性能计算机系统的环控要求，其服务器的CPU集成密度大，设计热负荷60 kW，具有热流密度大、热负荷变化幅度大及变化频繁的特点，设计空调回风温度为33 ℃。实验依据企业标准《蒸气压缩/热管复合式制冷机组》QB1.03.015—2014进行，第二制冷剂饱和温度设定值为17 ℃±1 ℃，定供液量，回风干/湿球温度设定为33 ℃/24 ℃，蒸发器出口静压恒定，被测机组工作在自动控制状态，调整室外侧环境温度，分别测量和记录第一制冷剂蒸发温度(压力)、回气温度，第二制冷剂回气(或气液混合状态)总管温度、储液温度和压力及机组输入功率等，通过测量室内侧空气冷却器的进出口焓差和风量计算制冷量，并考核蒸发冷凝器和控制系统的工作性能。

2.3 实验结果与分析

图5所示为热管复合式制冷机组在室内侧空气冷却器进口风量和温度不变条件下制冷性能随室外环境温度的变化。在室外环境温度>35 ℃时，随着环境温度提高，冷凝温度上升，致使制冷量和COP呈下降趋势。在室外环境温度≤35 ℃的温区，制冷量在60 kW附近小幅波动。其中，在10 ℃≤环境温度≤35 ℃的温区，通过调节压缩机的排量控制制冷量的输出；在环境温度<10 ℃的温区，通过调节室外风机的风量(热管的换热能力)控制制冷量的输出。在环境温度小于16 ℃区间，热管复合式制冷机组的COP随着环境温度的下降而加速上升。

图6所示为热管复合式制冷机组热管单元独立工作的制冷性能，此时空调机组的耗能部件主要有：室外风机、液泵、电控系统和室内侧风机。根据环控对象技术要求，设定室外环境温度10～16 ℃为复合区，热管单元满负荷运行，机组的制冷量和COP随室外环境温度的降低快速上升，10 ℃时分别为59.8 kW和11.3。随着室外环境温度的进一步降低，室外风机逐级卸载，维持制冷量稳定，COP小幅增大，室外环境温度为-5 ℃时，制冷量和COP分别为61.4 kW和15.5，此时室外风机的功率几乎减半。

图5 制冷性能随室外环境温度的变化Fig.5 Refrigeration performance versus outdoor temperature

图6 热管制冷量和COP随环境温度的变化Fig.6 Refrigeration capacity and COP of heat pipe versus outdoor temperature

分析图5和图6的性能曲线可知，热管复合式制冷技术的节能优势主要在于低温和过渡季节利用自然冷源替代或部分替代蒸气压缩制冷，这一特性尤其适用于数据中心、基站等全天候运行的电力电子设备的环控。性能实验结果同时表明：笔者研发的热管复合式制冷机组能够响应运行环境的变化，自动调节工作模式和制冷量输出，在宽温区内稳定、可靠和节能运行。

3 应用分析

大连市某高校数据中心的高性能计算机系统(见图7(a))使用HKF-60FH热管复合式制冷机组作为空调冷源，采用热损和输送功均较小的闭式循环、水平送风的气流组织方式(见图7(b))，空气处理装置的蒸发器如图4所示，回风温度设定为33 ℃。热管复合式制冷空调系统于2014年7月启用，截至2015年10月已安全、可靠地自动运行了15个月。

图7 计算机系统及内部气流组织Fig.7 Computer system and its internal air flow organization

根据DEST随机气候模型，统计了大连市全年温度逐时变化数据，如图8所示，经分析得到热管复合式制冷空调系统压缩制冷、复合制冷和热管制冷三种工作模式的运行时间占比分别为38.1%，15.9%和46.0%，图8中线段A-A以下均为热管运行时区，全年61.9%的时间热管制冷单元运行。

图8 大连全年干球温度的变化Fig.8 Annual dry bulb temperature of Dalian

年综合能效的计算式为:

(1)

式中：ti为数据中心空调运行期间大连逐时温度的小时数；COPi为逐时温度所对应的COP。

根据HKF-60FH热管复合式制冷机组的实验数据计算得：热管复合式数据中心空调系统全年综合能效比为7.9。

4 结论

基于数据中心空气调节需求，以节能、小型化、高可靠性和良好的调节性能为目标，本文提出了压缩制冷系统与分离式热管系统一体化和双系统兼容运行的技术方案，研发了热管复合式制冷机组，通过性能实验和应用考核，得到以下主要结论：

1)自主研发的热管复合式制冷机组及机房空调系统，解决了分离式热管系统与蒸气压缩制冷系统兼容运行、能量调节和自动运行控制等问题，有效地拓宽了热管系统的工作温区，提高了自然冷源的利用率。

2)热管复合式制冷机组的性能测试显示：制冷工况(环境温度35 ℃)和热管工况(环境温度10 ℃)的制冷量/COP分别为61.3 kW/3.23和59.8 kW/11.3。

3)HKF-60FH热管复合式制冷机组采用多台制冷压缩机和多个独立制冷回路的技术，提高了制冷系统的可靠性和部分负荷的能效；采用液泵驱动热管循环，热管运行稳定，能量调节性好，可实现冷量远距离输送。机房空调应用示范工程已运行15个月，高效、可靠的特性明显。

4)热管复合式制冷技术及其空调系统高效、可靠，广泛适用于数据中心、高性能计算机系统、通信基站等全天候运行的电子和能源设备的环境控制。

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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

简介

王铁军，男，教授，合肥工业大学制冷与空调技术研究所所长，13905510159，E-mail：wtj555@sina.com。研究方向：制冷空调系统节能与能源综合利用。