数据中心气泵驱动复合冷却机组工作特性

周 峰,徐步青,薛连政,马国远,晏祥慧

(北京工业大学 制冷与低温工程系,北京 100124)

0 引 言

近年来,随着计算机和电子技术的进步,人们对数据处理存储和数字通信的需求增加,数据中心行业发展迅速[1-2]。数据中心主要由IT设备、冷却设备和供配电设备等组成[3]。冷却设备是数据中心中最重要的耗能辅助设施,其能耗通常占总能耗的30%～50%[4-6]。自然冷却技术是指当室外温度低于室内温度时,利用室外自然冷源对数据中心内部进行冷却的节能技术[7]。在数据中心的自然冷却方式中,热管式自然冷却技术具有优越的控温特性,能以较小的温差传递热量,换热安全可靠,无交叉污染,因此,得到较快发展并具有很好的应用潜力[8-9]。在系统管路复杂或路由较长时,仅靠重力常规热管无法保证回路循环的稳定可靠运行,而机械泵驱动的动力型热管能够较好地解决循环驱动力不足的问题,同时能够突破冷凝与蒸发换热装置所需的高度差限制,适用范围更加广泛。机械泵驱动目前主要包括液泵驱动和气泵驱动2种类型。王飞等提出了一种串联换热器的蒸汽压缩与热管复合系统,热管回路中的板式换热器与风冷换热器串联。为克服流动阻力,在热管回路中增加了泵驱动[10]。ZHANG、周峰等为数据中心设计了一种氟泵驱动两相冷却装置,当室内外温差为10 ℃时,机组COP为5.88;当温差20 ℃时,机组COP可达10.41[11-12]。SUN等提出了一种动力式分体热管制冷系统,室内外温差23 ℃时,制冷量为31 kW,COP为14.8[13]。ZHOU等将液泵驱动回路系统应用于某小型数据中心,对其实际运行性能进行研究,评估了液泵驱动回路系统在全国不同气候区城市应用的节能率和投资回收期[14-15]。

液泵驱动热管系统虽解决了驱动力不足的问题,但在小温差下的能效提升、自身空化对系统稳定可靠运行的影响均是其面临的新挑战。比较而言,气泵驱动既可避免液泵由于空化和汽蚀破坏带来的性能恶化或断流,同时气相工质的可压缩性更好,同等体积流量下气体的输送功更小,可进一步降低循环驱动耗功和系统充注量,缓解蒸发器缺液和冷凝器积液,改善系统启动性能。王越采用斜盘式压缩机对机械驱动分离式热管进行了实验,驱动装置压差在0.04 MPa范围内,可实现冷热源之间远距离换热[16]。魏川铖研究发现,在通讯基站采用气泵循环回路热管可在满足传热的同时实现节能,并通过实验分析了储液罐和蒸发器进口相对高度对系统性能的影响[17]。石文星等提出了一种气体加压分离热管循环方案,当室内外温差为20 ℃时,可替代常规蒸汽压缩制冷循环,满足散热要求[18]。李少聪等研制了一种用于小型数据中心的旋转气泵驱动热管冷却装置,在室内外温差为25 ℃时性能最佳,机组能效比为15.1;与标准压缩机相比,旋转气泵可以更好地利用自然冷却源实现冷却节能[19]。王飞等设计并加工了额定制冷量为13 kW的管型机房空调样机,能够根据室内负荷需求与室外温度切换运行模式。结果表明:当室内外温差高于23 ℃时,系统运行热管模式,EER提高35%以上;热管型机房空调全年能效比较同容量定速型、变频型空调系统分别提高40%和20%以上[20]。

从热力学理论和机理的角度来看,目前在热力循环上与气泵循环机理最为相似的是压缩机循环,且均为气相驱动做功,二者的系统复合具有较好的理论基础,具有良好的适配性。虽然气泵驱动冷却系统表现出很好的特性以及与蒸汽压缩制冷循环复合的良好适配性,但是关于核心部件气泵的专门研究主要是基于常规压缩机的变频调控,专门的气泵及其在系统中的性能表征还有待进一步研究。为此,本文研制了2种型号的转子式气泵,对其压力输出特性进行实验测试和比较分析,研究其吸排气压力、压比以及质量流量特性的变化规律,并对其在复合冷却系统中的整体性能进行测试,为下一步气泵及其复合系统的改进提供重要依据。

1 气泵驱动复合冷却机组实验系统

1.1 实验系统

图1为气泵驱动复合冷却机组及测试系统图,蒸发器、电磁阀、电子膨胀阀等构成室内机部分,气泵、压缩机、冷凝器、气液分离器等构成室外机部分;T为干球温度测点,P为压力测点。复合系统具有气泵循环模式和蒸汽压缩循环模式2种工作模式。1)当室外温度较低时(≤20 ℃),开启气泵驱动循环冷却模式,循环工质在蒸发器吸收室内热量汽化,气态的循环工质由气泵提供动力后在室外冷凝器放热后形成液体,随后进入室内蒸发器,完成循环;2)当室外温度较高时(≥20 ℃),开启蒸汽压缩制冷循环模式,在蒸发器吸收室内热量汽化,气态的循环工质经过压缩机压缩转化为高温高压气体,进入冷凝器向室外放热,冷凝成高压液体,最后通过电子膨胀阀节流,转化成低压液体回到室内蒸发器完成循环。该复合系统保证了全年范围内将室内热量源源不断转移到室外,达到为数据机房冷却散热的目的。

图 1 气泵驱动复合冷却机组及测试系统Fig.1 Booster-driven hybrid cooling unit and testing system

1.2 机组主要部件

1.2.1 气泵

气泵相较于常规压缩机的改进主要在于吸排气压比,而压比的改进涉及到排气阀片厚度及选材等一系列变化,以及气泵内部驱动电机的改进,气泵结构如图2所示。本文针对转子式气泵进行改进,研制得到大力矩气泵(1#)与小力矩气泵(2#)2种气泵,气泵额定运行频率为50 Hz,额定转速为2 880 r/min,额定排气量为36 cm3。

图 2 转子式气泵结构示意图Fig.2 Schematic diagram of a rotary booster

1.2.2 换热器

实验用换热器为铜-铝管翅式换热器,换热器结构参数如表1所示。翅片管换热器空气流通方向上管排数为2,每排并联管数为43。

表 1 管翅式换热器结构参数

1.3 测试系统及仪表

实验测试是在空调焓差实验室进行,实验中室内温度保持恒定,室外温度模拟夏季、过渡季节以及冬季的温度。实验时将温度设定在室内干球温度25 ℃,相对湿度45%。室外温度范围设定为-5 ℃～35 ℃之间。

根据机组性能测试要求,需要测得蒸发器的进口与出口的温度;为了研究气泵的压力情况则需要测量气泵的吸气压力与排气压力;系统内工质的循环流量的测定用于研究不同气泵的性能;蒸发器风机功率、冷凝器风机功率、气泵功率的测量用于分析系统制冷量、能效比以及气泵的功耗性能。8个热电偶均匀布置于蒸发器或者冷凝器的圆形风机的进风口与出风口,流过蒸发器的空气流量由风速仪测量间接计算得到,压力传感器用于测量气泵进出口的压力,液体侧流量由超声波质量流量计测得,气泵功率、压缩机功率和风机功率由功率计测得。所用的测量设备如表2所示。

表 2 使用的仪表主要参数

2 结果与讨论

2.1 机组性能指标

气泵驱动复合冷却机组制冷量为

Q=mair(he,in-he,out)

(1)

式中:Q为机组制冷量,kW;mair为蒸发器送风量,kg/s;he,in为蒸发器进风侧的焓,kJ/kg;he,out为蒸发器出风侧的焓,kJ/kg。蒸发器室内送风量为

mair=ρvA

(2)

式中:ρ为空气密度,kg/m3;v为空气流速,m/s;A为蒸发器送风面积,m2。能效比为

(3)

式中:ε为能效比EER;P为泵功耗,kW。

2.2 气泵吸排气压力特性

机组测试时控制室外温度范围为-5 ℃～20 ℃,室内环境温度25 ℃。图3为1#与2#气泵吸排气压力以及气泵进出口压差、压比随室内外温差的变化。由图3可知:1#与2#气泵的排气压力均随着室内外温差的增大而逐渐降低,当室内外温差为-10 ℃时,1#气泵与2#气泵的排气压力均为1.8 MPa;随着室内外温差的增大,当室内外温差为30 ℃时,1#气泵的排气压力为0.7 MPa,2#气泵的排气压力为0.6 MPa;当室内外温差大于0 ℃时,1#气泵与2#气泵的排气压力开始出现差异,此时2#气泵的排气压力大多数情况下低于1#气泵排气压力。1#气泵相较2#气泵具有较为平稳的吸气压力,而吸气压力是影响系统制冷量的重要因素,因此1#气泵系统的制冷量相比2#气泵系统的制冷量较大,而2#气泵系统制冷量会产生衰减。

图 3 气泵吸排气压力随温差的变化Fig.3 Variations of suction and discharge pressure with temperature difference in booster

1#气泵与2#气泵的吸气压力的变化情况略有差异,1#气泵的吸气压力随室内外温差的增大而略有波动,但基本保持在0.6 MPa左右,而2#气泵的吸气压力随室内外温差的增大迅速下降。当室内外温差为-10 ℃时,1#气泵与2#气泵的吸气压力近似相等均为0.6 MPa,1#气泵的吸气压力最大值为室内外温差为5 ℃时的0.62 MPa,最小值为室内外温差30 ℃时的0.51 MPa。2#气泵的吸气压力由0.6 MPa逐渐降低至0.3 MPa。这表明2#气泵的吸气压力会因室内外温差的增大而降低至较低值,较低的吸气压力不利于系统制冷量的增加,2#气泵的性能在回气表现上较1#气泵差。

图4为2种气泵的吸排气压力比随温度的变化。可以看出:1#与2#气泵的排气压力以及吸气压力的比值随室内温差增大而逐渐减小,在下降趋势上1#气泵的下降速度较快。当室内温差为-10 ℃时,1#气泵的吸排气压比为2.95;当室内外温差为30 ℃时,1#气泵的吸排气压比为1.37,压比下降53.56%,压比的迅速下降导致其功率随室内外温差的增加随之下降,但是较小的压比影响系统工质的循环量。2#气泵的吸排气压比下降的趋势较缓,吸排气压比由室内外温差为-10 ℃时的2.98降为室内外温差为30 ℃时的2,压比下降32.89%。

图 4 气泵吸排气压力比随温差的变化Fig.4 Variations of suction and discharge pressure ratio with temperature difference for booster

图5为气泵吸排气压力差随温度的变化,可以看出:二者气泵的吸排气压力差随室内外温差的增大而逐渐降低。1#气泵的吸排气压力差由1.19 MPa逐渐降低至0.19 MPa,2#气泵的吸排气压力差由1.19 MPa逐渐降低至0.3 MPa。结合图4说明二者的吸排气压比具有明显差异,但是吸排气压差的差异并不明显。

图 5 气泵吸排气压力差随温差的变化Fig.5 Variations of suction and discharge pressure difference with temperature difference for booster

2.3 气泵质量流量特性

图6为不同气泵驱动冷却系统质量流量随室内外温差变化的规律。可以看出:1#气泵驱动冷却系统的质量流量随室内外温差的增大而逐渐增大,2#气泵驱动冷却系统的质量流量随室内外温差的增大而逐渐减小。当室内外温差为-10 ℃时,1#气泵的质量流量为226.4 kg/h,2#气泵的质量流量为206.6 kg/h。当室内外温差为30 ℃时,1#气泵的质量流量达到最大值为261.0 kg/h,此时2#气泵的质量流量降低至最小值为151.2 kg/h。

图 6 不同气泵质量流量随温差变化Fig.6 Variations of mass flow with temperature difference for different booster

2.4 复合机组制冷量

图7为不同的气泵驱动循环冷却机组的制冷量随着室内外温差不同的变化规律。

图 7 不同气泵机组制冷量随温差变化Fig.7 Variations of cooling capacity with temperature difference for different booster units

可以看出:1#气泵驱动冷却系统的制冷量大于2#气泵驱动冷却系统的制冷量,1#气泵驱动冷却系统的制冷量随室内外温差的增大而逐渐增大。当室内外温差为-10 ℃时,1#气泵驱动冷却系统的制冷量为10.4 kW;当室内外温差为30 ℃时,1#气泵驱动冷却机组的制冷量为14.8 kW。2#气泵驱动冷却系统的制冷量随室内外温差的增大而先增大后减小,当室内外温差为-10 ℃时,2#气泵驱动冷却系统的制冷量为9.7 kW;当室内外温差为30 ℃时,2#气泵驱动冷却系统的制冷量为9.2 kW;当室内外温差为0 ℃时,2#气泵驱动冷却系统的制冷量有最大值11.6 kW。从制冷量的变化规律可知,1#气泵的性能优于2#气泵,结合前面所得到关于二者吸排气压力、吸排气温度的数据分析可知,2#气泵的吸气压力受室外温度影响较大,当室内外温差较大时,过低的吸气压力使系统工质循环量降低,气泵性能恶化,最终导致系统制冷量减小。

1#气泵与2#气泵在制冷量随室内外温差变化的趋势不同,其原因在于1#气泵的吸气压力随着室内外温差的增大可以保持在0.51 MPa到0.6 MPa之间,但是2#气泵在相同的室内外温差变化范围内吸气压力从0.6 MPa下降至0.3 MPa,吸气压力的下降以及吸气比容的增大造成了2#气泵机组制冷量先增大后降低,而1#气泵机组制冷量在测试范围内一直呈上升趋势。

2.5 复合机组能效比

图8为不同的气泵驱动环路机组的EER随着室内外温差不同的变化规律。EER是制冷量与机组功率的比值,结合图7可知,1#气泵制冷量大于2#气泵制冷量。由图8可知,当室内外温差大于10 ℃时,1#气泵机组的EER高于2#气泵机组EER,并且随着室内外温差的增大,1#气泵机组的EER优势越明显,原因是在1#、2#气泵的功率差值较小的情况下,EER更多地取决于制冷量,而此时由于1#气泵的制冷量高于2#气泵,则1#气泵机组EER高于2#机组EER。随室内外温差的增大,1#气泵机组EER逐渐增大,2#气泵机组EER随室内外温差的增大呈现先增大后减小的趋势。当室内外温差在-10～30 ℃范围内,1#气泵机组EER由4.60增长到12.16,2#气泵机组EER从4.19增至7.51。2#气泵机组在室内外温差为15 ℃时,EER达到峰值为7.88。最后综合比较EER曲线,1#气泵性能较优。

图 8 不同气泵机组EER随温差变化Fig.8 Variations of EER for different booster units

3 结 论

1) 1#与2#气泵的排气压力均随着室内外温差的增大而逐渐降低,当室内外温差大于0 ℃时,1#气泵与2#气泵的排气压力开始出现差异,此时2#气泵的排气压力大多数情况下低于1#气泵排气压力。相同工况下,1#气泵吸排气压比小于2#气泵,1#气泵的吸排气温度低于2#气泵。

2) 实验温差工况范围内(-10 ℃～30 ℃),1#气泵的吸排气压比下降53.56%,而2#气泵吸排气压比下降32.89%。在质量流量方面,1#气泵的质量流量随温差增大逐渐增大,而2#气泵则逐渐减小。

3) 1#气泵驱动冷却系统的制冷量大于2#气泵驱动冷却系统的制冷量,1#气泵驱动冷却系统的制冷量随室内外温差的增大而逐渐增大,而2#气泵呈现先增后减的变化,当室内外温差大于10 ℃时,1#气泵机组的EER高于2#气泵机组EER,并且随着室内外温差的增大,1#气泵机组的EER优势越明显。从制冷量表征来看,1#气泵性能优于2#气泵。