佟 振 李曉瑞

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 青島 266033)

隨著互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)數(shù)據(jù)中心需求量呈現(xiàn)急速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。數(shù)據(jù)中心散熱量大且相對(duì)集中，空調(diào)系統(tǒng)需要全年不間斷供冷，這使得數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗巨大。由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)存在明顯的缺點(diǎn)，在節(jié)能方面具有較大的潛力。

分離式熱管是一種高效傳熱設(shè)備，在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸發(fā)展成熟[1-4]，錢曉棟等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)，分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)具有較高的能效比和較大的節(jié)能潛力。金鑫等[7]研究了分離式熱管型機(jī)房空調(diào)的性能，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能有效控制發(fā)熱機(jī)柜出口出風(fēng)溫度，保證機(jī)房設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

目前，數(shù)據(jù)中心熱管系統(tǒng)多采用R22、R134a、R410A等氟代烴制冷劑，考慮到環(huán)保性，有學(xué)者[8-9]將CO2作為替代工質(zhì)，研究其用于數(shù)據(jù)中心熱管系統(tǒng)的性能。除了天然環(huán)保的特性，CO2還具有較好的流動(dòng)和傳熱性能，與常規(guī)制冷劑相比， CO2的管內(nèi)沸騰和凝結(jié)換熱系數(shù)明顯更高[10-11]，且流動(dòng)壓力損失更低[12-13]。由此可見，CO2具備替代氟代烴制冷劑應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心熱管系統(tǒng)的潛力。

本文將通過具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比CO2熱管與傳統(tǒng)R22熱管的性能差異，從最大傳熱能力、正常工作負(fù)荷范圍、傳熱熱阻等方面分析CO2熱管的性能優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某數(shù)據(jù)中心案例與不同地區(qū)的氣候條件，將CO2熱管系統(tǒng)與傳統(tǒng)的集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和R22熱管系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算分析CO2熱管應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用相同的熱管系統(tǒng)，對(duì)CO2和R22兩種工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。雖然R22屬于逐漸淘汰的氟代烴制冷劑，但在過去應(yīng)用較多，關(guān)于其熱物性參數(shù)和傳熱性能的研究也較為深入，因此選取R22作為代表，與CO2進(jìn)行對(duì)比研究。

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法

圖1所示為實(shí)驗(yàn)裝置。熱管蒸發(fā)器為多通道并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，將厚銅板內(nèi)的孔道作為熱管工質(zhì)的流道，孔道內(nèi)徑為4 mm。蒸發(fā)器采用電加熱板進(jìn)行加熱，加熱功率可通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)工況。熱管冷凝器由內(nèi)徑為4 mm的銅管并聯(lián)構(gòu)成，將冷凝器置于水箱中，利用冷水機(jī)組提供的冷水對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷水機(jī)組出口接電加熱器，通過調(diào)節(jié)電加熱器來控制水箱的進(jìn)口水溫。蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱面積基本相同，約為0.42 m2，冷凝器和蒸發(fā)器之間的高差為1.23 m。熱管的絕熱管段(上升管和下降管)內(nèi)徑相同，分別進(jìn)行了9 mm絕熱管段和12 mm絕熱管段兩種不同熱管結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了觀測(cè)管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)及氣液分布情況，在蒸發(fā)器出口和下降管垂直管段的底部各安裝了一段透明管段，除透明管段外，熱管的上升管、下降管、水箱、電加熱板等其余部分均做了良好的保溫措施。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

表1所示為不同實(shí)驗(yàn)工況的參數(shù)范圍。本實(shí)驗(yàn)中選定不同工況下熱管的充液率均為100%(充液率指熱管內(nèi)充入的液體工質(zhì)體積與熱管蒸發(fā)段容積之比)，傳熱量大小通過調(diào)節(jié)加熱板的功率實(shí)現(xiàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)范圍

1.2 誤差分析

表2所示為實(shí)驗(yàn)使用的儀器精度。利用冷凝側(cè)冷水的進(jìn)出口溫差及水流量可以計(jì)算得到熱管的傳熱量，根據(jù)儀器的測(cè)量誤差分析得到該傳熱量的測(cè)試誤差為3.58%[14]。

根據(jù)能量平衡關(guān)系可知，熱管蒸發(fā)側(cè)吸熱量應(yīng)等于熱管冷凝側(cè)放熱量，因此，可將冷凝側(cè)計(jì)算得到的傳熱量與蒸發(fā)側(cè)的電加熱功率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行能量平衡校核。由于熱管傳熱過程存在不可避免的熱量損失，水溫、流量等的測(cè)試也存在一定誤差，因此，實(shí)測(cè)蒸發(fā)側(cè)加熱量與冷凝側(cè)放熱量之間存在一定偏差。圖2所示為能量平衡校核。由圖2可知，除個(gè)別傳熱量較小的工況，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)工況相對(duì)誤差在10% 以內(nèi)，數(shù)據(jù)可靠性較高。后文分析中，將以蒸發(fā)側(cè)的電加熱功率作為熱管的實(shí)際傳熱量。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器精度

圖2 能量平衡校核

2 CO2熱管與R22熱管的性能對(duì)比

2.1 最大傳熱能力對(duì)比

隨著傳熱量由小到大的變化，CO2熱管先后經(jīng)歷了預(yù)啟動(dòng)運(yùn)行、周期性波動(dòng)運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行三種不同的運(yùn)行狀態(tài)[15]，而在本實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，R22熱管只經(jīng)歷了預(yù)啟動(dòng)運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行兩種狀態(tài)，兩種工質(zhì)下熱管的運(yùn)行狀態(tài)分布如圖3所示。預(yù)啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，管內(nèi)工質(zhì)沒有形成有規(guī)律的循環(huán)流動(dòng)，上升管頂部易出現(xiàn)過熱；周期性波動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)呈周期性振蕩，熱管的運(yùn)行參數(shù)也呈周期性變化；穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，管內(nèi)工質(zhì)形成穩(wěn)定而有規(guī)律的循環(huán)流動(dòng)，此時(shí)，熱管沿程無明顯溫差，直至傳熱量超過熱管的最大傳熱能力，管內(nèi)開始出現(xiàn)過熱或過冷。因此，熱管的正常工作狀態(tài)應(yīng)滿足兩個(gè)條件:1)熱管處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；2)熱管的傳熱量沒有超過其最大傳熱能力。

圖3 不同傳熱量下熱管運(yùn)行狀態(tài)(d=9 mm)

實(shí)驗(yàn)中，可以通過測(cè)量熱管蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫差判斷得到熱管的最大傳熱能力，當(dāng)熱管實(shí)際的傳熱量超過其最大傳熱能力時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)將出現(xiàn)過熱或過冷，由于單相換熱的存在，此時(shí)蒸發(fā)器進(jìn)出口將會(huì)出現(xiàn)較為明顯的溫差。圖4所示為9 mm和12 mm兩種管徑下CO2熱管和R22熱管蒸發(fā)器進(jìn)出口的平均溫差。由圖4可知，當(dāng)上升管和下降管管徑為9 mm時(shí)，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力分別為3.3 kW和1.5 kW，CO2熱管的最大傳熱能力明顯高于R22熱管;當(dāng)上升管和下降管管徑為12 mm時(shí)，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力均有所提高，分別為5.4 kW和2.2 kW。相同的熱管結(jié)構(gòu)下，CO2熱管依然具有較大的傳熱能力。

圖4 熱管最大傳熱能力對(duì)比

結(jié)合熱管的運(yùn)行狀態(tài)變化和其最大傳熱能力，可以進(jìn)一步得到熱管的正常工作負(fù)荷范圍。當(dāng)上升管和下降管直徑為9 mm時(shí)，CO2熱管和R22熱管的正常工作負(fù)荷范圍分別為1.2～3.3 kW和0.5～1.5 kW，可知，CO2熱管的正常工作負(fù)荷范圍更大。當(dāng)熱管實(shí)際傳熱量低于其正常工作負(fù)荷范圍時(shí)，熱管將出現(xiàn)預(yù)啟動(dòng)運(yùn)行、周期性波動(dòng)運(yùn)行等非正常運(yùn)行狀態(tài)；而當(dāng)熱管實(shí)際傳熱量高于其正常工作負(fù)荷范圍時(shí)，熱管將超出其最大傳熱能力，出現(xiàn)管內(nèi)工質(zhì)的過熱或過冷，影響傳熱效率。

2.2 熱管系統(tǒng)總傳熱熱阻對(duì)比

在一定的傳熱量下，熱管系統(tǒng)的總傳熱熱阻越小，傳熱性能越好。在本實(shí)驗(yàn)中，熱管的總熱阻包括3個(gè)部分:電加熱板與蒸發(fā)器之間的導(dǎo)熱熱阻、冷凝側(cè)水的對(duì)流換熱熱阻、熱管內(nèi)部的傳熱熱阻。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，蒸發(fā)側(cè)電加熱熱阻和冷凝側(cè)水的對(duì)流換熱熱阻基本不受管內(nèi)工質(zhì)種類的影響，管內(nèi)工質(zhì)種類主要影響熱管內(nèi)部的傳熱熱阻。圖5(a)所示為CO2熱管和R22熱管總傳熱熱阻隨傳熱量的變化，可以看出，R22熱管的總傳熱熱阻比CO2熱管更高，這是因?yàn)橄嗤瑮l件下，CO2的管內(nèi)沸騰和凝結(jié)換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯高于R22。圖5(b)所示為CO2熱管和R22熱管所需驅(qū)動(dòng)溫差隨傳熱量的變化，在不同傳熱量下，CO2熱管的驅(qū)動(dòng)溫差比R22熱管平均低約4 ℃，即在相同的條件下，CO2熱管系統(tǒng)所需的冷源溫度可以提高近4 ℃。

圖5 熱管性能對(duì)比

3 數(shù)據(jù)中心使用熱管的節(jié)能分析

與數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用較為廣泛的集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相比，分離式熱管系統(tǒng)可以顯著改善室內(nèi)氣流組織，減少甚至避免冷熱氣流的摻混，從而提高冷源溫度，提高系統(tǒng)能效。由前文分析可知，相同傳熱量下，CO2熱管所需的驅(qū)動(dòng)溫差小于R22熱管，因此兩者所要求的冷源供水溫度也不同，可知CO2熱管應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心將比R22熱管更為節(jié)能。

本文以一小型數(shù)據(jù)機(jī)房為例，對(duì)比分析CO2熱管系統(tǒng)、R22熱管系統(tǒng)和傳統(tǒng)集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。該機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的總散熱功率為2 400 kW，空調(diào)系統(tǒng)在一年中根據(jù)氣候條件采取自然冷卻和機(jī)械制冷兩種模式切換運(yùn)行，當(dāng)采用傳統(tǒng)集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，假設(shè)機(jī)械制冷模式下的平均電源使用效率 (power usage effectiveness，PUE)為1.68，自然冷卻模式下的平均PUE為1.48。PUE的各部分構(gòu)成情況如表3所示。

對(duì)于集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，由于機(jī)房?jī)?nèi)存在冷熱氣流的摻混，在保證IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度不高于27 ℃的情況下，實(shí)際的精密空調(diào)送風(fēng)溫度一般需保持在15～16 ℃，此處，假設(shè)精密空調(diào)送風(fēng)溫度為16 ℃，空調(diào)系統(tǒng)冷源側(cè)供水溫度按9 ℃計(jì)算。相對(duì)而言，當(dāng)采用分離式熱管系統(tǒng)時(shí)，由于將熱管蒸發(fā)器直接安裝在各個(gè)機(jī)柜上就近排熱，避免了冷熱氣流的摻混，因此，所需的冷源供水溫度可以有所提高。表4所示為各系統(tǒng)溫度分布，在相同的IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度下，R22熱管的工作溫度(管內(nèi)工質(zhì)的飽和溫度)約為21 ℃，所需的冷源供水溫度按14 ℃計(jì)算。根據(jù)2.2小節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在同樣的傳熱量下，CO2熱管系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)溫差比R22熱管低約4 ℃，按此溫差進(jìn)行估算，則CO2熱管的工作溫度為23 ℃，冷源供水溫度為18 ℃。

表3 PUE各部分組成

CO2熱管系統(tǒng)、R22熱管系統(tǒng)和集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷源溫度不同，因此，三種系統(tǒng)的冷水機(jī)組運(yùn)行能耗也不同。參考集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各部分電耗比例[16]，以及冷水機(jī)組在不同蒸發(fā)溫度下的COP[17]，計(jì)算出三種系統(tǒng)在機(jī)械制冷模式下的各部分耗電功率，如表5所示。其中，根據(jù)實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，熱管系統(tǒng)末端的風(fēng)機(jī)電耗約為集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)精密空調(diào)風(fēng)機(jī)電耗的25%。設(shè)三種系統(tǒng)下數(shù)據(jù)機(jī)房電力損耗與照明等其他部分的電耗均相同，計(jì)算可得機(jī)械制冷模式下，R22熱管的PUE為1.596，降低了5.0%；CO2熱管的PUE為1.580，降低了6.0%。自然冷卻模式下兩種熱管系統(tǒng)的PUE均為1.400，降低了4.2%。

表4 各系統(tǒng)溫度分布

表5 機(jī)械制冷模式下空調(diào)系統(tǒng)各部分耗電功率情況

對(duì)于不同的室外氣候條件，提高冷源供水溫度導(dǎo)致的空調(diào)能耗降低程度不同，本文以上海地區(qū)為例，進(jìn)一步對(duì)比分析集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、R22熱管系統(tǒng)及CO2熱管系統(tǒng)全年能耗情況，以及CO2熱管系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

圖6所示為上海市典型年室外濕球溫度。相比集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，R22熱管系統(tǒng)的冷源供水溫度提高了5 ℃，其全年自然冷卻模式運(yùn)行時(shí)間可延長(zhǎng)1 350 h；CO2熱管系統(tǒng)的冷源供水溫度提高了4 ℃，其全年自然冷卻模式運(yùn)行時(shí)間可進(jìn)一步延長(zhǎng)1 000 h。

圖6 上海市典型年室外濕球溫度

圖7所示為上海市3種系統(tǒng)的全年耗電量，其中，CO2熱管系統(tǒng)相比R22熱管系統(tǒng)節(jié)能9.11%，可節(jié)省電量7.425×105kW·h；CO2熱管系統(tǒng)相比集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能39.05%，全年可節(jié)省電量3.182×106kW·h。從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)角度而言，數(shù)據(jù)中心采用CO2熱管系統(tǒng)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖7 各系統(tǒng)全年耗電量

4 結(jié)論

本文利用同一結(jié)構(gòu)尺寸的熱管系統(tǒng)對(duì)CO2和R22兩種工質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了兩種工質(zhì)熱管的性能差異，并以典型數(shù)據(jù)中心和上海氣候條件為例，計(jì)算分析了CO2熱管應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力。得到如下結(jié)論：

1)相同的熱管結(jié)構(gòu)尺寸下，CO2熱管最大傳熱能力明顯高于R22熱管，當(dāng)上升管和下降管管徑為9 mm時(shí)，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力分別為3.3 kW和1.5 kW；當(dāng)管徑為12 mm時(shí)，CO2熱管和R22熱管的最大傳熱能力分別為5.4 kW和2.2 kW，故CO2熱管更適合于傳熱負(fù)荷較高的場(chǎng)合。

2)當(dāng)上升管和下降管直徑為9 mm時(shí)， CO2熱管和R22熱管的正常工作負(fù)荷范圍分別為1.2～3.3 kW 和0.5～1.5 kW，CO2熱管正常工作負(fù)荷范圍比R22熱管大，說明在實(shí)際負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，CO2熱管的適應(yīng)能力較強(qiáng)，不易出現(xiàn)非正常運(yùn)行狀態(tài)。

3)相同的熱管結(jié)構(gòu)尺寸下，CO2熱管的總傳熱熱阻小于R22熱管，故在傳熱量一定的情況下，CO2熱管所需的驅(qū)動(dòng)溫差更小，不同傳熱量下，其驅(qū)動(dòng)溫差比R22熱管平均低約4 ℃，CO2熱管系統(tǒng)的傳熱效率更高。

4)相比數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和R22熱管系統(tǒng)，因CO2熱管所需的冷源溫度較高，其全年自然冷卻模式運(yùn)行時(shí)間有所延長(zhǎng)，即使在機(jī)械制冷模式下，其運(yùn)行能耗更低,在上海地區(qū)，數(shù)據(jù)中心CO2熱管系統(tǒng)相比集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的年節(jié)電量高達(dá)3.182×106kW·h。