磁力泵驱动两相冷却复合制冷系统特性分析和实验研究

马跃征　许树学　马国远　张 双

(北京工业大学环境与能源工程学院　北京　100124)



磁力泵驱动两相冷却复合制冷系统特性分析和实验研究

马跃征许树学马国远张 双

(北京工业大学环境与能源工程学院北京100124)

为降低数据中心制冷系统的能耗，搭建了一种磁力泵驱动的两相冷却复合制冷装置，并对其进行了实验研究。结果表明，室外温度15 ℃时，泵循环模式的EER随冷凝器迎面风速先增大后减小，当风速为1 m/s时EER获得最大值。在热负荷为7.3 kW条件下，实验获得了两种运行模式的最佳转换温度；最后以哈尔滨和石家庄地区为例，模拟计算出泵驱动模式的全年最佳运行时间比。

制冷系统；能效比；运行模式；压缩式制冷循环；两相冷却

数据中心等IT设备空间的能耗问题越来越引起人们的重视，测试结果显示，其能耗密度高达传统办公建筑的40倍[1]。在数据中心的耗能设备单元中，制冷系统能耗占总能耗的38%左右，为数据中心的第二大耗能单元[2]。因此，降低制冷系统的能耗成为数据中心节能的关键。

为保证数据中心的安全运行，传统的压缩式制冷循环需要全年连续运行。这样即便是在寒冷的季节，压缩机也处在一个高冷凝压力的水平，使得能耗居高不下。对于我国大部分地区，全年多数时间室外温度低于数据中心的安全运行温度。因此，在寒冷季节，利用自然冷源冷却数据中心，减少蒸气压缩空调的运行时间，是一种行之有效的系统节能方法[3-6]。

泵驱动两相冷却是近年来的研究热点，主要应用于空间热控领域[7-9]。泵驱动两相冷却系统的换热系数远高于泵驱动单相冷却系统以及毛细泵循环系统，并且相比以重力或毛吸力为动力的传统热管在结构形式上具有更大的灵活性[10]。在数据中心节能方面，张双等[11-12]设计了一种泵驱动环路热管，获得了较好的性能特性，并将其应用到某小型数据中心，实测其节电性能达36.75%以上。但在室外温度较高的季节，仍然需要传统空调为数据中心降温。因此，使用两个独立的系统无疑增加了空间和经济上的困难。近年来，许多学者提出并开发了分离式热管和蒸气压缩复合冷却系统，系统通过电磁阀控制蒸气压缩模式和热管模式的切换，并且对充液率、高度差、换热器结构等进行研究，获得了良好的节能效果[13-14]。但是对于这种复合系统，冷凝器安装位置必须高于蒸发器，并且热管内部制冷剂流速远小于泵驱动热管模式，在复杂空间应用存在很大限制。Yan G等[15]设计一种工质泵驱动两相冷却和蒸气压缩复合系统，从系统制冷量和能效比(EER)分析，室外温度-5 ℃是系统模式切换的最佳点。但由于其系统阻力的影响，导致热管模式蒸发器内显热换热比例过大，在一定程度上影响系统整体性能。为解决现有系统的不足，提出一种磁力泵驱动两相冷却复合系统，并在不同工况下的对其性能进行测试，分析系统的全年能耗及节能特性。有关结论为进一步优化研究磁力泵驱动两相冷却复合系统提供依据。

1 工作原理及实验设置

磁力泵驱动两相冷却复合系统如图1所示。系统主要由蒸发器、冷凝器、储液罐、磁力泵、压缩机、膨胀阀、电磁阀及连接管路组成。其工作过程如下：1)当室外温度足够低时，通过开启电磁阀1～4并关闭电磁阀5～7，运行泵循环模式。储液罐内的液态工质经泵输送至蒸发器内；液态工质在蒸发器内吸热并相变为两相或过热状态；两相或过热状态工质在冷凝器内放热并冷凝为液态，进入储液器。2)当室外温度较高或者泵循环冷却能力低于数据中心需求时，通过开启电磁阀5～7并关闭电磁阀1～4，运行压缩制冷模式。蒸发器出口过热蒸气经压缩机压缩成高温高压气态工质；高温高压工质在冷凝器中放热冷凝为液态；液态工质经过膨胀阀变为两相状态进入蒸发器；工质在蒸发器内吸热相变并在蒸发器出口达到过热状态。

图1 磁力泵驱动两相冷却复合系统Fig.1 Hybrid system with magnetic pump-driven two phase cooling

利用空气焓差量热法对其性能进行测试。蒸发器处于室内侧，冷凝器、储液罐、磁力泵和压缩机处于室外侧，蒸发器和冷凝器放置于同一水平高度，并且采用相同结构参数的翅片换热器，具体结构参数如表1所示。连接管道为标准φ19.05 mm紫铜管，工质为R22。蒸发器和冷凝器风机采用轴流风机。储液罐容量为16 L。压缩机选用3 HP滚动转子式压缩机。室内外测试间分别模拟室内外环境。室内外的干球温度和湿球温度以及蒸发器的出风干球温度和湿球温度分别由6个温度传感器测量，蒸发器风量由喷管式流量计测量。磁力泵、风机、变频器和压缩机的功耗由功率计测量。磁力泵出口管路设置质量流量传感器测量系统流量。数据采集仪为Agilent 34970A，每5 s采集一次数据。测试装置各传感器精度如表2所示。

室内环境温湿度是数据中心或通信基站设备安全运行的一个重要参数。为了模拟数据中心的实际运行环境并具体研究复合系统的性能特性，室内测试间环境干球温度和湿球温度分别设置为25 ℃和17 ℃。

表1 翅片管换热器几何参数

表2 传感器精度

2 实验结果与分析

泵循环模式的性能对复合系统的影响很大。设定室外测试间干球温度为15 ℃，泵频率保持12 Hz，蒸发器迎面风速1 m/s时，冷凝器迎面风速对制冷量、EER的影响如图2所示。其中系统能效比EER由公式(1)计算得到。

(1)

系统制冷量随着冷凝器迎面风速的增大也逐渐增大，但是增幅逐渐减小，逐渐趋于平缓。EER随着迎面风速的增加后迅速降低，在1 m/s时出现最佳值，达到13.01。这是由于冷凝器迎面风速的提高，空气侧的换热系数迅速增大，使冷凝器的换热量迅速增加，但随着冷凝器内工质温度逐渐接近环境温度，导致系统制冷量增加速率逐渐减少。而又由于风机功率增长趋势是逐渐增大的，引起系统EER出现最佳值。

图2 泵驱动模式冷凝器迎面风速对制冷量和EER的影响Fig.2 Cooling capacity and EER of pump-driven mode varies with the face velocity of condenser

图3 泵驱动模式制冷量和功率随室外温度的变化Fig.3 Cooling capacity and input power of pump-driven mode varies with the outdoor temperature

图4 蒸气压缩模式制冷量和功率随室外温度的变化Fig.4 Cooling capacity and input power of vapor compression mode varies with the outdoor temperature

设定蒸发器和冷凝器迎面风速为1 m/s，泵循环模式和制冷压缩模式的制冷量和功率如图3和图4所示。泵循环模式下，泵仅提供给系统循环的动力，因此系统功率变化较小；而系统制冷量随室外温度的降低迅速增加，当室外温度为0 ℃时，制冷量达到9.24 kW，EER达到29.71，当室外温度为20 ℃时，制冷量达到1.37 kW，EER达到5.46。而室外温度较高时系统制冷量很低，这时仍然需要机械制冷为数据中心降温。压缩制冷模式的制冷量随室外温度的降低同样逐渐升高，在测试范围内当室外温度从40 ℃降低到20 ℃时，制冷量由7.75 kW增长到9.63 kW，EER分别达到3.02和5.51，这是由于压缩机在炎热的季节需要为系统提供高的冷凝温度，因此压缩制冷模式的功率远高于泵循环模式。值得注意的是，由于数据中心的热量以显热为主，压缩制冷模式通过控制蒸发器出口过热度为10 ℃左右，蒸发器内工质的蒸发温度达到9.6 ℃左右，接近于室内环境的露点温度，这可以有效降低室内除湿量。

图5 哈尔滨和石家庄全年日平均气温分布Fig.5 The annual daily average temperature distribution of Harbin and Shijiazhuang

从图3和图4可以看出：当室外温度低于5 ℃时，泵循环模式的制冷量大于7.38 kW；压缩制冷模式在测试范围内始终高于7.38 kW。因此对于发热量为7.3 kW的小型数据中心，且室内工作温度为25 ℃时，室外温度为5 ℃可作为该系统的模式转换温度，当室外温度低于5 ℃时开启泵循环模式，室外温度高于5 ℃时开启蒸气压缩模式。

3 全年节能潜力分析

为了进一步分析该复合系统的节能性，以室内温度设定为25 ℃、发热量为7.3 kW的小型数据中心为例，分析计算该复合系统的全年能耗。图5是哈尔滨和石家庄地区全年日平均气温分布图[16]。由图中可以看出，地理位置偏北的哈尔滨泵循环模式运行的时间比远高于石家庄，在哈尔滨泵循环模式运行时间比可达全年的49.3%，在石家庄地区可达29.3%。

根据公式(1)可以推导出复合系统的逐日平均功耗，其中制冷量为7.3 kW，EER由实验测量值拟合得到。哈尔滨和石家庄地区系统功率随时间变化如图6所示。在寒冷季节，该系统泵循环模式制冷量可以满足冷却需求，系统依靠泵循环模式冷却从而功耗大幅降低；在某一时间出现大幅波动，这是由于泵循环模式的EER远大于压缩制冷模式，室外温度低于5 ℃时启动泵循环模式引起的；在冬季日平均气温相对较寒冷的哈尔滨地区，系统的功耗比石家庄地区低，这也是在寒冷地区，泵循环热管模式制冷量更大，节能性更强的优势。

图6 哈尔滨和石家庄地区系统功率随时间变化Fig.6 Variation of input power with time in Harbin and Shijiazhuang

4 结论

本文提出一种将磁力泵驱动两相冷却复合制冷系统，基于空气焓差法建立了复合系统的实验装置，对其性能进行实验研究并以哈尔滨和石家庄地区为例分析其节能效果。主要结论如下：

1)室外温度为15 ℃时，泵循环模式的EER随冷凝器迎面风速先增大后迅速降低的趋势，EER在冷凝器迎面风速1 m/s时出现最佳值。

2)室外温度为0 ℃时，泵循环模式的制冷量达到9.24 kW，能效比EER达到29.71。在室外温度为40 ℃时，压缩制冷模式制冷量达到7.75 kW，EER达到3.02。复合机组存在最佳转换温度，在实验条件下为室外温度5 ℃。

3)对于哈尔滨和石家庄的气候环境，该系统节电性能明显。在哈尔滨泵循环模式运行时间比可达全年的49.3 %，在石家庄地区可达29.3 %，并且较寒冷的哈尔滨地区系统功耗更低，节能潜力更大。

[1]Greenberg S, Mills E, Tschudi B, et al. Best practices for data centers: Lessons learned from benchmarking 22 data centers[C] // Proceedings of the ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings in Asilomar. CA, ACEEE, 2006: 76-87.

[2]Cho J, Lim T, Kim B S. Viability of datacenter cooling systems for energy efficiency in temperate or subtropical regions: case study [J]. Energy and Buildings, 2012, 55: 189-197.

[3]Chen Y, Zhang Y, Meng Q. Study of ventilation cooling technology for telecommunication base stations in Guangzhou[J]. Energy and Buildings, 2009, 41(7): 738-744.

[4]Bao L L, Wang J G, Kang L G. The applied effect analysis of heat exchanger installed in a typical communication base station in Beijing of China[J]. Energy Procedia, 2012, 14: 620-625.

[5]Khodabandeh R. Thermal performance of a closed advanced two-phase thermosyphon loop for cooling of radio base stations at different operating conditions[J]. Applied Thermal Engineering, 2004, 24(17/18): 2643-2655.

[6]周锦鹏, 黄臻成, 王直鑫, 等. 面向可热插拔式通讯机柜的两相自然循环系统的能力研究[J]. 制冷学报, 2012, 33(1): 41-45.(ZHOU Jinpeng, HUANG Zhencheng, WANG Zhixin, et al. Study on the capability of a two phase natural convection system for hot-swappable communication cabinets[J]. Journal of Refrigeration, 2012, 33(1): 41-45.)

[7]Chen I Y, Chyu M C. Two-phase active thermal control systems for spacecrafts[C] // Energy Conversion Engineering Conference, Proceedings of the 31st Intersociety, IEEE, 1996: 1488-1493.

[8]刘杰, 李廷勋, 郭开华, 等. 并行蒸发器机械泵驱动两相冷却系统特性的实验研究 [J]. 制冷学报, 2008, 29(6): 5-8.(LIU Jie, LI Tingxun, GUO Kaihua, et al. Experiment on two-phase cooling system with dual-evaporator driven by mechanical pump [J]. Journal of Refrigeration, 2008, 29(6): 5-8.)

[9]刘杰, 李杨, 裴念强, 等. 二氧化碳两相冷却系统的特性[J]. 上海交通大学学报, 2008, 42(1): 133-137.(LIU Jie, LI Yang, PEI Nianqiang, et al. Theoretical and experimental investigation on characteristics of CO2mechanically pumped two phase cooling system[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2008, 42(1): 133-137.)

[10] 刘杰, 裴念强, 郭开华, 等. 机械泵驱动两相冷却系统特性分析和实验研究[J]. 制冷学报, 2007, 28(2): 27-31.(LIU Jie, PEI Nianqiang, GUO Kaihua, et al. Theoretical and experimental investigation on characters of mechanical pumped two phase cooling system [J]. Journal of Refrigeration, 2007, 28 (2): 27-31.)

[11] 张双, 马国远, 周峰, 等. 数据机房自然冷却用泵驱动回路热管换热机组性能实验研究[J]. 土木建筑与环境工程, 2013, 35(4): 145-150.(ZHANG Shuang, MA Guoyuan, ZHOU Feng, et al. Experimental analysis on function of free cooling unit with a pump-driven loop heat pipe for internet data center[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2013, 35(4): 145-150.)

[12] 马国远, 魏川铖, 张双, 等. 某小型数据中心散热用泵驱动回路热管换热机组的应用研究[J]. 北京工业大学学报, 2015, 41(3): 439-445. (MA Guoyuan, WEI Chuancheng, ZHANG Shuang, et al. Application of a pumped loop heat pipe heat exchanger unit for a small data center [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2015, 41(3): 439-445.)

[13] Lee S, Kang H, Kim Y. Performance optimization of a hybrid cooler combining vapor compression and natural circulation cycles [J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(5): 800-808.

[14] Han L, Shi W, Wang B, et al. Development of an integrated air conditioner with thermosyphon and the application in mobile phone base station [J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 36(1): 58-69.

[15] Yan G, Feng Y, Peng L. Experimental analysis of a novel cooling system driven by liquid refrigerant pump and vapor compressor[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 49: 11-18.

[16] Song F T, Zhu Q F, Wu R H, et al. Meteorological data set for building thermal environment analysis of China[C]//Proceedings of the 10th International Building Performance Simulation Association Conference and Exhibition. Beijing: IBPSA, 2007: 9-16.

About the author

Ma Guoyuan, male, professor, College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, +86 10-67391613, E-mail: magy@bjut.edu.cn. Research fields: new type refrigeration of natural refrigerants, heat pump circulation and air source heat pump technology on large temperature difference, new and special type compressor.

Characteristic Analysis and Experimental Study on a Hybrid System with Magnetic Pump-driven Two Phase Cooling System

Ma YuezhengXu ShuxueMa GuoyuanZhang Shuang

(College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China)

In order to reduce the energy consumption of data center cooling system, a hybrid system combining vapor compression and magnetic pump-driven two phase cooling system was proposed. The results show that the energy efficiency ratio (EER) of the pump-driven mode increases firstly then decreases with the increasing of the condenser air face velocity at the outdoor temperature of 15 ℃, and it obtains the maximum value when the condenser air face velocity is 1 m/s. Under the condition of 7.3 kW heat load, the proper switch temperature of two operating modes is obtained by the experiments. Finally, taking Harbin and Shijiazhuang as the example, the best running time ratios of the pump-driven mode are calculated from the simulation.

refrigerating system; energy efficiency ratio; operating mode; compression refrigeration cycle; two phase cooling

0253- 4339(2016) 03- 0001- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.001

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

2015年7月14日

TB61+5; TB61+1; TU 831.6

A

马国远，男, 教授，北京工业大学环境与能源工程学院，(010)67391613，E-mail: magy@bjut.edu.cn。研究方向：自然工质新型制冷设备相关技术，适合大温差工况使用的热泵循环及空气源热泵新技术，新型及特种压缩机。