泵驱动两相冷却机组及其节能效果实验研究

王 绚 马国远 周 峰

(北京工业大学 北京 100124)

泵驱动两相冷却机组及其节能效果实验研究

王 绚 马国远 周 峰

(北京工业大学 北京 100124)

当气温较低时，泵驱动两相冷却机组较之传统的蒸气压缩式空调能耗更低，EER更高，在数据中心节能降耗方面具有很大的应用潜力。但粗糙的控制策略不仅阻碍了冷却机组性能的提高，还严重影响了室内温控精度，对其实际应用极为不利。为了使其更好的应用于小型数据中心，本文研制了相应的控制系统，研究了其在某小型数据中心中实际应用时的运行性能，拟合了换热特性曲线，并进行节能性分析。结果表明：当室内温度设定为22 ℃、室外温度低于10 ℃时，采用此机组对数据中心机房进行散热能够满足室内负荷要求，与采用空调散热相比节省电能至少26.77%，具有良好的节能效果。

空调；节能；数据中心；泵驱动；自然冷却

随着社会不断发展，各行各业信息化速度不断加快，数据中心和通信基站等设施数量不断增长的同时，其能耗面临巨大挑战。有资料显示，数据中心的耗能设备单元中，制冷系统的能耗占总耗能的40%左右，是数据中心的第二大耗能单元[1]。因此，降低制冷系统能耗成为数据中心节能的关键措施之一。

数据中心机房内设备全年运转，热负荷较高，为了保证机房内的温湿度符合要求，传统的蒸气压缩空调需要全年运行并维持一个稳定的恒温恒湿环境，即使在寒冷的冬季，空调仍须维持较高的冷凝温度。然而，对于我国大部分地区来说，全年大部分时间室外环境温度低于数据中心的安全运行温度。因此，在寒冷的季节，以直接或间接的自然冷却方式为数据中心降温，从而减少蒸气压缩空调的运行时间，就可以有效降低机房空调系统能耗[2]。

自然冷却方式主要可以分为空气侧自然冷却、水侧自然冷却和热管自然冷却[3]，按其对新风的利用形式可以划分为直接新风冷却和间接新风冷却[4]。其中，直接新风冷却存在温湿度控制困难和送风洁净度无法保证等问题[5]，不适合用于机房降温；而间接新风冷却中液体冷却又在冬季防冻方面缺点明显。相较之下热管自然冷却方式则不存在上述缺点，逐渐发展成最具潜力的数据机房自然冷却方式。在数据中心热管冷却的相关研究中，吕继祥等[6]理论分析了热管复合制冷机组和另外两种风冷机组在数据机房中的使用效果，验证了其作为数据中心空调的优越性；张海南等[7]利用三介质换热器耦合制冷回路和热管回路形成复合制冷机组，并进行了实验研究，发现其节能效果显著。但是在热管冷却方式应用优势明显的同时，常规的以毛细力或者重力为驱动力的热管也存在启动困难、启动时间长、启动条件苛刻等问题[8]，为提高其驱动力，部分研究人员提出了泵驱动回路热管的概念，并进行了相关研究。

刘杰等[9]提出了一种空间项目用机械泵CO2两相流冷却系统，系统采用泵驱动热管回路，同时在蒸发段入口前添加了一台预热器来保证进入蒸发器的液体为饱和状态。该系统在蒸发段具有较高的等温性和较稳定的传热特性，控温精度高，温度稳定性好。莫冬传等[10]对以CO2为工质的泵驱动两相回路进行了模拟仿真，开发了基于MATLAB/Simulink的两相传热模块，搭建了机械泵驱动的两相回路的实时动态模型，并通过实验校核了模型的可靠性。G.Yan等[11]设计了一种泵驱动两相冷却/蒸气压缩式复合系统，实验分析了其制冷量和能效比(EER)，发现室外温度-5 ℃是该系统的最佳模式切换温度。但由于该系统在换热器和管路选型方面以蒸气压缩模式为基础，无法充分发挥泵驱动模式的冷却效果，从而对系统整体性能造成了影响。张双等[12-13]设计了一种以R22为工质的数据中心自然冷却用泵驱动两相冷却机组，介绍了该机组的构成和工作原理，针对研制的样机搭建实验系统并进行了实验研究。研究表明：当室内外温差为10 ℃时，机组COP为3.75；当室内外温差为25 ℃时，机组COP可达9.37，机组换热量与室内外温差近似呈线性关系。在此基础上，马国远等[14]对此机组用于某小型数据中心的运行性能进行了研究，发现室内外温差是影响机组换热量的最主要因素，工质泵能耗是影响机组EER的最主要因素；室内外温差10 ℃时该机组可满足机房的散热需求，且较之空调散热能耗可节省至少36.57%。但由于该机组运转频率和功率为定值，换热量随室外温度变化较大，与室内热负荷匹配较差，导致室外温度较低时机组冷量过剩，而室外温度较高时又存在冷量不足的可能性。对此，本文提出了一种机组运行功率可自动调节的泵驱动两相冷却机组，并就其应用于某小型数据中心的运行性能及节能效果进行分析。

1 泵驱动两相冷却机组及其控制系统

该泵驱动两相冷却机组的系统组成如图1所示，主要由冷凝器、储液罐、工质泵、蒸发器以及其相互间的连接管道等组成，其中，冷凝器、储液罐和工质泵共同构成了室外机，工质泵为液泵，室内机主要包含蒸发器，蒸发器和冷凝器各含2台风机。系统循环工质为R22。运行时，工质泵将储液罐中的液体工质输送到蒸发器中并在蒸发器中吸热部分汽化，然后气液两相工质进入冷凝器放出热量变成饱和液态，随后工质再次回到储液罐中，如此往复循环，汽化吸热带走室内热量并转移到室外，从而实现数据机房冷却降温。

1冷凝器；2储液罐；3工质泵；4蒸发器图1 泵驱动两相冷却机组系统图Fig.1 System diagram of the pump-driven two phase cooling unit

工质泵的加入极大地改善了传统分离式热管驱动力不足的缺陷，克服了由于系统阻力所造成的回路热管在空间上的应用限制，扩展了回路热管的应用范围。同时，自然冷源的利用相比采用传统的蒸气压缩式制冷系统大幅度降低了能耗，从而大大增加冷却系统的EER，节能效果显著。

但当工质泵和室内外风机全部定频运行时，制冷剂流量和室内外风量始终不变，冷却机组的换热量随室内外温差增大近乎呈直线上升，机组冷量大小几乎完全由室内外温差所决定，这不仅阻碍了系统性能的进一步提高，还严重影响了室内温控精度。

因此，本文为前述泵驱动两相冷却系统配置了相应的控制部件，各主要部件及型号如表1所示。本系统控制采用单输入单输出的控制策略，以温度信号为输入值，以电流信号为输出值进行系统调节。系统调节以变频调节为主，开停调节为辅，不但考虑了室外温度对机组换热量的影响，而且保证了室内温度的稳定和精确。系统中共含有3台温度控制器，分别接收室内外温度传感器传送的温度信号，每台温控器上可分别设置目标温度和报警温度。其中，2台温控器接收室内温度，分别用于控制室内风机和工质泵的变频器，1台温控器接收室外温度，用于控制室外风机的开停。室内温度控制器对变频器的控制主要通过目标温度，温控器采用PID算法，根据实测温度与目标温度的偏离量、偏离趋势和偏离速度不同，输出4～20 mA大小不等的电流。变频器接收此电流信号后，输出对应大小的频率，不过考虑到过高或过低的运转频率容易造成部件损毁，应针对不同部件为变频器设置不同的频率区间。同时，室内温度控制器上设有室内低温报警点和室内高温报警点，当室内温度低于机房最低允许温度时，机组停止工质泵和室外风机，只保留室内风机运转；当室内温度高于机房最高允许温度时，机组报警并开启机房原有空调进行蒸气压缩制冷。室外温度控制器对室外风机开停的调节主要通过设定报警温度，将温控器报警点设置为下限报警，当室外温度低于室外低温报警温度时，报警点发出信号电流，室外风机接触器接收此电流信号后断开，室外风机断电停机。触摸屏的主要作用是显示机组各部件运行状况，并对出现异常的部件进行报警。

表1 泵驱动两相冷却机组主要控制部件

对机组中室内风机风速、功率以及工质泵功率随频率的变化进行了实验测定，其特性表如表2和表3所示。由表2可知，工质泵的功率随频率增加而迅速增大，这对系统的EER有直接影响：制冷剂流量随工质泵转速增加而增大，当制冷剂流量过小时，蒸发器会出现干涸甚至过热，冷凝器出口制冷剂过冷度增大，蒸发器前半段显热换热比例增加，相变换热比例降低，对换热不利；当制冷剂流量过大时，系统内部流动阻力大幅增加，换热器内部压差增大，导致蒸发器入口制冷剂过冷度增大，显热换热比例上升，同样不利于换热，使EER随着工质泵功率的增加而降低。实际运行时，考虑到工质泵和风机电机的工频都是50 Hz，工质泵的运行频率区间设为30～50 Hz，室内风机的运行频率也是30～50 Hz。

目标温度依数据机房负责人的要求设定为22 ℃，机房最低允许温度为18 ℃，最高允许温度为26 ℃，据前述控制系统的控制策略来进行调节。另外前文提到，机组换热量在定频运转时与室内外温差近乎呈线性关系，由于室内目标温度为22 ℃不变，故室外温度与机组换热量近乎线性相关。室内温度为22 ℃时，经实验验证，12 ℃的启动温差能够满足室内冷量的需求，故设定室外温度低于10 ℃为机组启动温度，即室外温度小于10 ℃时机组通电运行。机组运行时，室外风机一台常开，另一台在室外温度大于0 ℃时开启，小于0 ℃时关闭，同时设有1 ℃的报警回差，以防室外温度在报警温度附近波动时造成室外风机频繁启停。

表2 工质泵功率随频率变化表

表3 风机功率及风速随频率变化表

2 测试仪表及测试方法

2.1 仪表参数

使用的仪器主要参数列于表4中。

2.2 测试方法

泵驱动两相冷却机组的现场测试照片如图2所示。对机组的运行性能进行测试时须直接测量的量为：室外环境温度(共2个测点取平均值)、室内机出风温度(共8个测点取平均值)、室内机进风温度(共8个测点取平均值)、室内机出风口尺寸、机组总功率、出风口空气流速。其中，室内机出风口尺寸即室内风机尺寸为已知量，机组总功率由三相电参数采集模块实时读取，出风口空气流速由风速仪实时采集，室外环境温度和室内机进出风温度由热电偶采集并送入数据采集器保存。在测点布置方面，由于室内风机是轴流式风机，因此室内机的正面和背面可分别视为出风侧和进风侧，理想情况下，室内机进风温度等于室内温度，室内机出风温度就是室内风机出风温度。实际测量时，室内机出风温度的8个测点分别布置在2台风机的出风口，每台风机上下左右呈90°选定4个点，每点布置一个；室内机进风温度的8个测点分别布置在室内机背面与出风温度测点对应的位置。须间接测量的量为：室内机进出风温差、室内机送风风量、机组换热量和机组EER。

表4 使用的仪表主要参数

图2 泵驱动两相冷却机组现场测试图Fig.2 Field test figure of the pump-driven two phase cooling unit

直接测量量测得后，可对间接测量量进行如下计算，室内机进出风平均温差为：

(1)

式中：tii为室内机进风平均温度，℃；toj为室内机出风平均温度，℃。

2 台室内风机总送风风量为：

M=2ρv(0.25πd2-l2)

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；v为空气流速，m/s；d为室内风机出风口直径，m；l为风机中心正方形电机边长，m。

计算机组换热量时，由于本机组为全回风机组，对室内相对湿度影响很小，潜热换热可以忽略不计，故认为室内只进行显热换热。

机组单位时间显热换热量为：

Q0=cMΔt

(3)

式中：c为室温下的空气比热容，kJ/(kg·℃)；Δt为蒸发器进出风温差，℃。

机组EER为：

(4)

式中：P为机组运行功率，kW，直接由三相电参数采集模块采集并记录。

3 机组的测试结果与讨论

图3所示为泵驱动两相冷却机组运行时换热量随室外温度的变化。从图中可以看出，在变频控制下，机组换热量与室外温度之间并没有明显的对应关系，这主要是因为室内风机和泵的变频能力使机组换热量对室内热负荷存在匹配和响应的关系。这一点从图4所示机组功率随室外温度的变化上可以更清楚地观察到。

图3 机组换热量随室外温度的变化Fig.3 Variation of the heat exchange amount of the unit with outdoor temperature

图4 机组功率随室外温度的变化Fig.4 Variation of the unit′s power with outdoor temperature

图5 机组EER随室外温度的变化Fig.5 Variation of the unit′s EER with outdoor temperature

图5所示为泵驱动两相冷却机组运行时EER随室外温度的变化。机组EER随室外温度变化的拟合函数式如下：

y=0.001 3x2-1.187 8x+16.714

(5)

通过-4～7 ℃的数据点拟合出EER随着室外温度的变化关系曲线(式(5))，拟合曲线的相关系数为0.971 9，曲线拟合程度较好，可以用于-5～10 ℃进行近似计算。此函数式在下文按小时计算通过室外温度拟合EER从而计算泵机组功率时用到。另外，-5 ℃以下的温度区间内，机组维持最低频率运转，机组功率维持在最低功率不变。

通过曲线可以算出：当室外温度为10 ℃时，机组的EER达到4.966，当室外温度达到0 ℃时，机组的EER高达16.714。

4 应用效果分析

4.1 机组运行情况

GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》指出信息机房内的温度和湿度分别可以划分为3类，如表5所示[15]。根据前述控制逻辑，室外温度小于10 ℃时开启泵驱动两相冷却机组。机房保温良好，不考虑围护结构传热以及辐射造成的热负荷。

表5 机房环境温湿度要求

泵驱动机组运行时，机房内原有空调系统关闭，由工质泵机组独立供冷。

经实际运行测试发现，泵驱动机组单独运行时，整个测量期间内机组未发生室内低温报警和室内高温报警，室内机进风温度的平均值为22.491 ℃，此值近似等于室内温度，因此室内温度能够达到目标温度，温控精度较高，制冷效果良好，且对于室外温度的适应性较强，机组换热量与室内热负荷匹配良好。同时，由于机房内没有特定的湿源，而机组不引入新风，湿负荷主要来自于渗入机房的外部空气以及偶尔进入机房的工作人员，散湿量小，在湿度控制和空气洁净度方面都不会对机房产生额外的负面影响。可见，采用泵驱动机组对机房进行散热能满足机房热负荷需求。

4.2节能降耗情况

要计算节能量，首先需要计量机房原有空调耗电量。对机房原有空调进行电量计量发现，原有空调的调节方式为开停调节，其满载运行时平均功率为3.379 kW，压缩机等部件停止时的平均功率为1.010 kW，空调功率与室外温度之间没有明显的对应关系，故通过测量平均功率的方法来估算机房能耗量。在11月至次年7月期间，分别取3 d时间对机房原有空调进行电量监测，取其平均值作为原有空调当月功率，各月空调平均功率汇总如图6所示。8月平均气温与7月相近，秋季平均气温与春季相近，故用相应月份的平均功率代替8，9和10三个月各自的功率。由此可估算原有空调全年平均功率约为2.594 kW。

图6 机房原有空调各月份平均功率Fig.6 Monthly average power of original air-conditioning unit of data center

通过《中国建筑热环境分析专用气象数据集》可得，北京地区各温度区间的小时数如表6所示[16]。全年共8 760 h，其中有3 641 h小于10 ℃，集中出现在11月份至次年3月份之间，在此区间内可以使用泵驱动两相冷却机组进行机房降温，期间机房原有空调平均功率估算值为2.368 kW，可算得3 641 h共耗电8 621.89 kW·h。按机房原有空调全年平均功率2.594 kW计算可得，全年耗电22 723.44 kW·h。

表6 北京地区处于每个温度区间的时间

为了计算每个温度区间使用泵驱动两相冷却机组降温时的耗电量，本文取每个温度区间的中间值为此区间温度，将各中间值代入式(5)中可计算不同室外温度下冷却机组运行时的EER，另外从图3可以看出，机组换热量在8～10 kW之间波动，在此取其平均换热量为机房热负荷，约为9 kW，结合EER和机房热负荷可以算出机组功率，从而求得相应温度区间的耗电量，进而求和得到总耗电量，如表7所示。需要注意的是，机组变频器下限为30 Hz，故机组总功率下限为0.391 kW，计算功率小于此功率时一律按此功率值计算。

表7 不同室外温度下机组耗电量计算

由表7可知，使用泵驱动两相冷却机组后总耗电量为2 537.721 kW·h，比使用机房原有空调节电6 084.17 kW·h，降低能耗70.57%。在室外温度高于10 ℃使用原有空调的情况下，全年节能率达26.77%。

5 结论

本文设计了一套泵驱动两相冷却机组的控制系统，并测试了应用此控制系统的冷却机组在气温低于10 ℃时替代机房原有空调(一间小型数据机房)进行温度调节的使用效果。

结果表明：整个测试期间机组运行稳定，工作可靠，机房内部冷却效果良好，且室内环境温度能够保持在要求的温度范围内。

通过对监测数据进行分析计算发现，当室内目标温度设定为22 ℃时，该数据机房安装泵驱动两相冷却机组后，每年可节省电量6 084.17 kW·h，冷却机组代替机房原有空调使用时的节电率为70.57%，全年节能率约26.77%。另外，当室内目标温度设定为更高值时，作为机组启动条件的室外温度相应上升，节能率可进一步提高。

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About the corresponding author

Zhou Feng, male, research assistant, Lab of Refrigeration, Beijing University of Technology, +86 10-67391613, E-mail: zhoufeng@bjut.edu.cn. Research fields: environment protection and energy-saving technology of refrigeration and air-conditioning, waste heat recovery technology, energy-saving technology of heat pipe.

Experimental Investigation on a Pump-driven Two Phase Cooling Unit and Its Energy Saving Effect

Wang Xuan Ma Guoyuan Zhou Feng

(Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China)

Compared with the traditional vapor compression air conditioner, the pump-driven two phase cooling unit has a great potential in energy saving of data centers for it consumes less power and has a higher energy efficiency ratio when air temperature is low. However, insufficient control strategies not only hinder the improvement of performance, but also influence the accuracy of indoor temperature controlling, which limits the practical application. For a better application on small data centers, this paper designs a control system for the pump-driven two phase cooling unit, and studies its operating performance using in a small data center. This paper also fits the operating characteristic curves and makes an energy saving analysis. The results show that when the set point of indoor temperature is 22 ℃, the pump-driven system can fit the heat load well and get a good energy saving effect under the condition of an outdoor temperature of 10 ℃ or lower, and it can achieve at least a ratio of 26.77% on energy saving comparing with the existing air conditioner of the data center.

air conditioning; energy saving; data center; pump-driven; natural cooling

0253- 4339(2017) 02- 0082- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.082

国家自然科学基金(51376010、51406002)资助项目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51376010 & No. 51406002).)

2016年7月13日

TB61+1;TU831.3;TP308

A

周峰，男，助理研究员，北京工业大学制冷实验室，(010)67391613，E-mail: zhoufeng@bjut.edu.cn。研究方向：制冷空调环保节能技术、余热回收技术、热管节能技术。