【年会回顾】周峰：“数据中心气泵驱动热管冷却系统”
近日，“2023数据中心市场年会”在北京召开，会议以“数据零碳、数字中国”为主题，共同探讨数字经济背景下数据中心行业面临的机遇与挑战。本届数据中心市场年会由中国电子技术标准化研究院、中国电子节能技术协会数据中心节能技术分会、中国电子节能技术协会工程总承包分会强强联手共同主办，打造产学研用各方协作创新、与专家零距离深入交流的技术盛宴，推动数据中心产业健康发展，创建和谐产业生态。
在本次年会的分论坛三——数据中心新型制冷技术论坛上，北京工业大学校聘教授周峰作了题为“数据中心气泵驱动热管冷却系统”的演讲。
周峰老师首先讲到了气泵驱动热冷却系统的研究背景。第一点从技术层面来看，要考虑到冷却的能效会采用各种技术方案，要因地制宜采用不同的自然冷却方案去做节能，最关键的在于全年都要冷却，目前常用冷却方式有机械制冷（蒸汽压缩式制冷）和机械制冷辅以自然冷却（蒸汽压缩制冷+自然冷却技术）。第二点从应用的层面来看，戴在数据中心行业头上的“紧箍咒”是各项指标，包括PUE、WUE等相关的指标，从中央到地方各类的政策里面也在把相关指标不断的细化、收紧，这是我们要去解决的问题，这个问题细细梳理下来，会发现各类大中小型的数据中心面临的政策指标要求是不一样的，在大家所熟知的各类政策里面更多明确提出来的要求是PUE，针对新建大型、超大型数据中心的PUE，这是行业的共识，大家都认为这块很重要，能耗很大要解决。还有中小型的数据中心，就是老、旧、小、散，这一类在现有数据中心体量当中占的比例也不小，这一部分要去改造，改造存量既有的这部分怎么来做，是我们要解决的问题。
中小型数据中心改造怎么解决？这就回到了前面谈到的各项自然冷却技术、机械制冷的技术层面，从技术层面要考虑的是什么呢？一般常规中小型数据中心采用精密空调，也就是蒸汽压缩制冷循环机组。现在主流的技术是机械制冷+自然冷却。自然冷却技术有很多种。从循环理论上看，气泵驱动循环与蒸汽压缩制冷循环两者是最为相似的，把两者更好的结合到一块，理论上是可行的。实际全年冷却面临的关键有三点，一是，专用气泵的研制；二是，围绕专用气泵构建自然冷却系统；三是，自然冷却与蒸汽压缩制冷循环耦合设计。
接下来，周峰老师对研制的专用气泵热力性能进行了详细讲解。分析气泵内部压力场和温度场的特性。从压力场的结果来看，随着转角增大，压缩腔内的压力迅速升高，直至略高于排气压力；排气过程中，压缩腔内的气体压力还会持续升高，转角超过180°后又缓慢降低。
从温度场来看，随着转角增大，压缩腔内的工质温度不均匀性得到改善；吸气腔与压缩腔两处接触间隙位置附近存在内泄漏。
此外，对不同工况条件下气泵热力性能的分析发现，不同的压力下，随着转角的增大，压缩腔内工质压力在排气过程继续升高。其原因是在压缩腔与排气孔口初始联通时,由于排气通道面积相对很小,压缩腔内气体无法及时排出。从整体性能来看，随着温差增大，气泵实际的压比会逐渐偏离设定工况压比，这就意味着实际循环跟理论循环有偏离，这个偏离也是实际循环工作的实际过程。同时排气开角会有一些降低，另外，定义的无效增压率会更高。
以下是不同室内外温差下的质量流量、容积输气量以及容积效率的分析。发现在给定温差范围内，容积效率在82%以上。温差越大，排气温度会下降，同时比功和功率也都会减小。指示功率维持在52%左右。制冷量在9,300-9,600W。这是面向中小型数据中心试验样机的性能情况。
从不同频率分析，40Hz以上时容积效率在80%以上。主要受容积系数和泄露系数的影响。同样排气温度和指示比功率也是呈相似的趋势。但等熵功率与指示功率均随着频率的增大而增大，与温差呈现不同的趋势。指示效率在30Hz时达到最高55%。制冷量呈线性上升趋势，但能效并不是一直增大，反而会先增大后降低，在20℃温差时，30Hz可以达到8左右。
关于变工质的热力性能对比情况见下图。
以下是气泵系统变参数调控。从总体看有前面的变化规律，那怎样去调控呢？调控时以能效EER指标为基准去考虑频率、室内外温差，会发现在频率30-50Hz、温差20~30℃时较大，因此提取频率30~50 Hz、温差20~30℃工况对气泵系统参数进行研究。比如调控在什么工况下有什么样的对应频率去调整，对应的会有不同的频率，包括电机的频率、能效的频率等等。两器频率设置因为涉及到换热器的形状和换热面积，所以按照管长和管程来计算，会发现管程对制冷量和能效的影响是一致的。
从冷凝器的角度来看，也是这样类似的规律。综合来看，会发现，换热器面积越大，换热效果越好，但它总有趋于饱和的情况，不能无限制，加到一定程度时，成本也是有限制的，所以我们要考虑收益。这时会发现，单回路管程设置在1.1米时，效果会比较明显，不同频率间系统的比较结果也有所不同。
演讲的最后，周峰老师对数据中心气泵驱动热管冷却系统进行了总结展望。（1）在热力性能方面，EER在频率30~50Hz、室内外温差20~30℃时较大；在四种工质中，R22的制冷量、能效比表现均比较适中；R134a有着更低的指示功率和较高的容积效率；R32和R410A相接近，适用于冬季温差更大的气候区。（2）对气泵系统参数调控发现，当室外温度为-5℃时频率调至30~45Hz，且换热器采用较长管长时，系统的性能较好，而室外温度0℃时，需将频率调高至45Hz以上，且同时缩短换热器管长。（3）目前仅对复合系统的运行参数调控做了分析，对设计伊始的其他结构参数，如换热器管径、气泵气缸高度等，未展开讨论。（4）后续需以系统整体为目标，对复合系统进行全局性优化，以提高全年系统能效。
【演讲嘉宾简介】
周峰，北京工业大学校聘教授，主要从事制冷空调能源利用与环境控制技术、数据中心低碳节能技术、绿色建筑节能技术、相变传热与流动、制冷剂工质环保替代等方面的研究。主持参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家节能中心课题、北京市自然科学基金等多个科研项目；发表学术论文80余篇；获得授权专利20余项；参编出版学术著作及研究报告9部；主参编技术标准6项。
END
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