(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海200240)

數(shù)據(jù)中心是典型的高密度電子設(shè)備集成區(qū)，具有發(fā)熱密度高(300～2 000 W/m2)、對熱環(huán)境要求嚴格、空調(diào)耗能高(全年供冷，占數(shù)據(jù)中心運行能耗的40%[1])等特點[2]，通常包括服務(wù)器、通訊、存儲、空調(diào)等設(shè)備[3]。數(shù)據(jù)中心電能的消耗主要集中在服務(wù)器等信息設(shè)備，約占數(shù)據(jù)中心能耗的50%[3]，這些熱量需要通過冷卻的方式耗散到周圍環(huán)境中，否則大量熱量的積聚會降低電子元器件的工作效率，嚴重危害服務(wù)器的穩(wěn)定運行。為確保數(shù)據(jù)中心設(shè)備的穩(wěn)定運行，機房溫度需保持在18～28 ℃[4]。目前針對數(shù)據(jù)中心進行余熱回收的研究較少[5]，學(xué)者們主要就如何實現(xiàn)更佳的冷卻進行研究，包括采用變頻風(fēng)機[6]、天花板冷卻器[7]、改變送回風(fēng)方式[8-9]等方案的研究。但隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模高速增長[3]，若僅采用冷卻的方式而不進行數(shù)據(jù)中心的余熱回收利用，一方面會造成極大的能量消耗，另一方面需要消耗額外的能量用于冷卻。因此，目前對于數(shù)據(jù)中心余熱回收的需求迫切。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的計算核心CPU是主要發(fā)熱源，正常工作時一般要求核心溫度<80 ℃。這部分熱量可以采用直接水冷的方式產(chǎn)出50～60 ℃的余熱熱水，從而為數(shù)據(jù)中心的余熱回收利用提供有利的前提條件。目前數(shù)據(jù)中心通常還需要水冷背板系統(tǒng)來解決散熱問題，而大中型數(shù)據(jù)中心的水冷背板系統(tǒng)通常需要7×24 h的低于20 ℃的冷凍水循環(huán)[10]。若能夠高效利用服務(wù)器的余熱熱水進行制冷，將產(chǎn)生的冷凍水用于水冷背板系統(tǒng)，可有效提高能源利用效率，實現(xiàn)良好的節(jié)能效果。

近年來，低溫?zé)嵩打?qū)動吸附式制冷技術(shù)為低品位熱能的回收和高效利用提供了一條有效途徑，并引起了廣泛關(guān)注[11-12]。吸附式制冷可采用天然工質(zhì)，且具有無運動部件、低振動、低噪音的優(yōu)點[13]。采用硅膠-水作為工質(zhì)對的吸附式制冷系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用的方式，其所需的驅(qū)動解吸熱源溫度較低，在55～90 ℃的熱源條件下，可制取5～15 ℃的冷水[14]，滿足數(shù)據(jù)中心余熱制冷的需求。

目前對于硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)的研究，主要針對太陽能空調(diào)的應(yīng)用需求[15]。而對于數(shù)據(jù)中心余熱制冷的超低驅(qū)動溫度和高制冷溫度工況，目前尚未有實驗報道。因此，本文的研究目的是通過將硅膠-水吸附式制冷機與數(shù)據(jù)中心余熱回收相結(jié)合，利用吸附式制冷系統(tǒng)產(chǎn)出的冷水直接接入水冷背板系統(tǒng)進而冷卻服務(wù)器，分析服務(wù)器產(chǎn)生的余熱滿足其自身冷卻散熱需求的可行性。為了評估硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心余熱制冷的有效性，本文通過對硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心余熱制冷工況進行實驗，得到系統(tǒng)運行的結(jié)果和性能數(shù)據(jù)，并分析影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的因素。

1 實驗機組

1.1 機組結(jié)構(gòu)

圖1所示為硅膠-水吸附式制冷機的結(jié)構(gòu)。機組主要由2個吸附床、1個蒸發(fā)器和1個冷凝器組成，共有3條水回路，依次為熱水回路、冷卻水回路和冷凍水回路。

機組共有9個閥門，其中4個三通閥控制水回路的切換，5個兩通閥控制吸附床、蒸發(fā)器和冷凝器的連接。

圖1 硅膠-水吸附式制冷機結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of silica gel-water chiller

1.2 工作原理

實驗機組在運行期間通過2個制冷過程，2個回質(zhì)過程和2個預(yù)熱預(yù)冷過程構(gòu)成一個完整的循環(huán)。

1)制冷過程1(吸附床A1解吸，吸附床A2吸附，閥門V3、V4、V7關(guān)閉)

熱水通過V1進入吸附床A1，導(dǎo)致其溫度不斷升高從而發(fā)生解吸反應(yīng)，制冷劑氣體不斷從A1中釋放，并通過V2進入冷凝器C進行冷凝。冷卻水經(jīng)冷凝器C通過V6進入吸附床A2，導(dǎo)致其溫度不斷降低發(fā)生吸附反應(yīng)。V8開啟，蒸發(fā)器E內(nèi)的制冷劑液體因壓差作用不斷蒸發(fā)，產(chǎn)生冷量。冷凍水流經(jīng)蒸發(fā)器E時被冷卻，不斷帶走蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量。

2)回質(zhì)過程1(V3開啟，其余的兩通閥均關(guān)閉)

熱水通過V1進入吸附床A1，導(dǎo)致其溫度不斷升高從而發(fā)生解吸反應(yīng)，制冷劑氣體不斷從A1中釋放出來，產(chǎn)生的氣體通過V3進入吸附床A2。冷卻水通過V6進入A2，使其溫度不斷降低發(fā)生吸附反應(yīng)， A2不斷吸附由V1解吸所產(chǎn)生的制冷劑氣體。

3)預(yù)熱預(yù)冷過程1(兩通閥均關(guān)閉)

熱水通過V6進入A2，使其溫度逐漸上升達到解吸溫度；冷卻水通過V1進入A1，使其溫度逐漸上升達到吸附溫度。

4)制冷過程2(A1吸附，A2解吸，閥門V2、V3、V8關(guān)閉)

熱水通過V6進入A2，導(dǎo)致其溫度不斷升高從而發(fā)生解吸反應(yīng)，制冷劑氣體不斷從A2中釋放出來，并通過V7進入冷凝器C進行冷凝。冷卻水經(jīng)冷凝器C通過V1進入A1，導(dǎo)致其溫度不斷降低發(fā)生吸附反應(yīng)。V4打開，蒸發(fā)器E內(nèi)的制冷劑液體因壓差的作用不斷蒸發(fā)，產(chǎn)生冷量。冷凍水流經(jīng)E時被冷卻，不斷帶走蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量。

5)回質(zhì)過程2(V3開啟，其余的兩通閥均關(guān)閉)

熱水通過V6進入A2，導(dǎo)致其溫度不斷升高從而發(fā)生解吸反應(yīng)，制冷劑氣體不斷從A2中釋放出來，產(chǎn)生的氣體通過V3進入A1。冷卻水通過V1進入A1，使其溫度不斷降低發(fā)生吸附反應(yīng)，A1不斷吸附由A2解吸所產(chǎn)生的制冷劑氣體。

6)預(yù)熱預(yù)冷過程2(兩通閥均關(guān)閉)

熱水通過V1進入A1，使其溫度逐漸上升達到解吸溫度；冷卻水通過V6進入A2，使其溫度逐漸上升達到吸附溫度。由于前后兩個制冷過程熱水進入的吸附床相反，這就需要一定的時間來預(yù)熱或預(yù)冷吸附床，此時兩通閥均關(guān)閉，系統(tǒng)并未產(chǎn)生冷量。

整個機組均采用電動閥門，通過控制箱內(nèi)的PLC控制器來實現(xiàn)硅膠與水吸附和解吸的交替控制和系統(tǒng)的連續(xù)運行。電動閥門均有兩種工作狀態(tài)，分別以“0”和“1”表示。假定在制冷過程1中閥門的工作狀態(tài)為“0”，則整個機組的運行控制如表1所示。

表1 硅膠-水吸附式制冷機的運行控制Tab.1 Operational control of silica gel-water adsorption chiller

圖2 測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test system

2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。整個測試系統(tǒng)由硅膠-水吸附式制冷機、常壓熱水鍋爐、冷卻塔、風(fēng)機盤管、數(shù)據(jù)采集儀、3個流量計和6個熱電偶組成，外部主體設(shè)備有常壓熱水鍋爐、冷卻塔和風(fēng)機盤管。整個測試系統(tǒng)共形成3條封閉的水回路，分別為熱水回路、冷卻水回路和冷凍水回路。熱水鍋爐中的水通過電加熱的方式模擬數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱水，在熱源水泵的作用下，熱水從鍋爐流入吸附式制冷機組，最終流回鍋爐。熱水鍋爐內(nèi)部有溫度控制器，可以控制流入吸附式制冷機組的熱水溫度。冷卻水經(jīng)過冷卻塔噴淋降溫后，由冷卻水泵驅(qū)動流入機組，最終流回冷卻塔。冷凍水經(jīng)冷凍水泵在風(fēng)機盤管和吸附式制冷機組之間構(gòu)成循環(huán)，冷凍水從機組內(nèi)帶走的冷量經(jīng)風(fēng)機盤管釋放到周圍環(huán)境中。

圖3所示為測試系統(tǒng)測點分布。由圖3可知，測試系統(tǒng)的6個熱電偶分別安裝在吸附式制冷機組的熱水、冷卻水和冷凍水的進出口處，流量計安裝在泵的出口處。在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，流量計的讀數(shù)變化較小，可以采用人工讀數(shù)的方式記錄流量數(shù)據(jù)。溫度會隨著系統(tǒng)運行而不斷變化，用數(shù)據(jù)采集儀采集熱電偶的數(shù)據(jù)。實驗使用Agilent 34 972 A型數(shù)據(jù)采集儀，采集時間間隔為3 s。表2所示為測試系統(tǒng)所需的測量設(shè)備和需要測量的參數(shù)。

圖3 測試系統(tǒng)的測點分布Fig.3 Measurement point distribution of the test system

名稱規(guī)格型號精度測量參數(shù)渦街流量計CLUGBZ-25-E1.5級流量熱電偶K型±0.15 ℃ 溫度數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34 972 A——

3 實驗結(jié)果與誤差分析

3.1 參數(shù)計算

為準確評估硅膠-水吸附式制冷機組在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的效果，需要根據(jù)實驗測得的參數(shù)計算系統(tǒng)的制冷量、加熱量及COP[16]。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：cch和ch分別為冷凍水和熱水的比熱容，J/(kg·K)；qmch和qmh分別為冷凍水和熱水的質(zhì)量流量，kg/s；Tch,in和Tch,out分別為冷凍水的進、出口溫度，℃；Th,in和Th,out分別為熱水的進、出口溫度，℃；i為數(shù)據(jù)采集儀的掃描編號；n為若干個循環(huán)周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集的總次數(shù)。

3.2 溫度與制冷量變化

圖4所示為硅膠-水吸附式制冷機應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心冷卻的實驗中全部換熱流體進出口溫度隨時間的變化。經(jīng)計算，在熱水進口溫度為60.4 ℃、冷卻水進口溫度為27.6 ℃、冷凍水的進口溫度為20.1 ℃的情況下，制冷機可產(chǎn)生17.1 ℃的冷凍水，用于數(shù)據(jù)中心的冷卻散熱。而根據(jù)機房場地國家標準，一般通信機房需要達到A級溫度標準，即夏季溫度23 ℃±2 ℃，冬季溫度20 ℃±2 ℃，全年溫度18～28 ℃[17]。這表明，將硅膠-水吸附式制冷機運用于數(shù)據(jù)中心的余熱利用與冷卻散熱具有一定的可行性。

圖4 換熱流體進出口溫度隨時間的變化Fig.4 Change of heat transfer fluid inlet/outlet temperature with time

整個運行過程具有一定的規(guī)律性，在制冷過程的初始階段，熱水的出口溫度有明顯的降低，降幅約為10 ℃，這是因為剛開始制冷時，解吸床的溫度較低，不斷帶走進入機組的熱水能量。熱水出口溫度在降至45 ℃后出現(xiàn)明顯反彈，且與熱水進口的溫差越來越小，這是因為隨著制冷過程的不斷進行，吸附床內(nèi)發(fā)生的解吸反應(yīng)逐漸減弱，所需的熱量減少，導(dǎo)致與熱水的傳熱程度逐漸降低。與之類似，在制冷過程剛開始時，冷卻水出口溫度明顯升高，在升至45 ℃附近后逐漸減少，且不斷縮小與冷卻水進口的溫差，這是因為在制冷過程剛開始的階段，吸附床的溫度很高，不斷將熱量傳遞給冷卻水，但隨著反應(yīng)的進行，吸附反應(yīng)逐漸減弱，吸附過程放出的熱量也不斷減少，導(dǎo)致冷卻水進出口溫差減小。冷凍水出口溫度的變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，其在制冷過程開始階段達到最高，隨著反應(yīng)的進行，溫度不斷下降，這是因為起初蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑溫度處在較高水平，將一部分熱量傳給了冷凍水，導(dǎo)致冷凍水出口溫度較高。隨著機組的運行，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)不斷蒸發(fā)，產(chǎn)生冷量，冷凍水的出口溫度逐漸降低，最終保持在17 ℃。

由式(1)可知，制冷量和冷凍水進出口溫差成正比，根據(jù)圖4中冷凍水進出口溫度的變化可以得到圖5所示的瞬時制冷量隨時間的變化。由于冷凍水進口溫度變化幅度較小，所以瞬時制冷量的變化趨勢與冷凍水出口溫度的變化趨勢相反。當冷凍水出口溫度基本保持不變時，瞬時制冷量的變化幅度很小，約為0.5～0.7 kW；當冷凍水出口溫度上升時，瞬時制冷量開始下降，因為冷凍水出口溫度的上升縮小了冷凍水進出口的溫差，導(dǎo)致制冷量降低。

3.3 換熱流體溫度的影響

表3所示為硅膠-水吸附式制冷機組在不同熱水進口溫度工況下的實驗結(jié)果。由表3可知在冷卻水溫度大致相同的情況下，隨著熱水進口溫度的提高(從46.1 ℃升至60.0 ℃)系統(tǒng)的制冷量和COP均有顯著提升，分別從1.28 kW、0.32增至3.39 kW、0.46，增幅為165%、44%；在熱水進口溫度大致相同的情況下，隨著冷卻水進口溫度的下降(從36.0 ℃降至26.6 ℃)系統(tǒng)的制冷量和COP也有一定的提升，分別從2.20 kW、0.22增至3.81 kW、0.48，增幅為73%、118%。由表3還可知，冷凍水出口溫度的降低(從20.0 ℃降至9.2 ℃)會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，制冷量和COP分別從4.01 kW、0.51降至3.31 kW、0.35，降幅達17%、31%。

圖5 瞬時制冷量隨時間的變化Fig.5 Change of instantaneous cooling capacity with time

表3 不同換熱流體溫度條件下的實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results under different temperature conditions

圖6 系統(tǒng)性能隨熱水進口溫度的變化Fig.6 System performance vs. temperature of hot water inlet

圖7 系統(tǒng)性能隨冷卻水進口溫度的變化Fig.7 System performance vs. temperature of cooling water inlet

圖8 系統(tǒng)性能隨冷凍水出口溫度的變化Fig.8 System performance vs. temperature of chilled water outlet

圖6～圖8分別為系統(tǒng)性能隨熱水進口溫度、冷卻水進口溫度、冷凍水出口溫度的變化。由圖6～圖8可知：隨著熱水進口溫度的提高、冷卻水進口溫度的降低及冷凍水出口溫度的提高，機組性能得到一定的提升，結(jié)果符合卡諾定理的描述。因此為了使吸附式機組能夠更加有效地提供用于服務(wù)器冷卻的冷凍水，數(shù)據(jù)中心應(yīng)提供溫度盡可能高的熱水，在滿足服務(wù)器CPU冷卻需求的情況下提高冷凍水的溫度，盡可能降低冷卻水的溫度。

3.4 回質(zhì)時間的影響

圖9所示為系統(tǒng)性能隨回質(zhì)時間的變化。當回質(zhì)時間<80 s時，系統(tǒng)性能尚未達到最佳效果，此時制冷量整體呈下降趨勢，COP先升后降，最大能夠達到0.5，這是因為回質(zhì)時間不足時，吸附床內(nèi)的吸附劑不能達到吸附徹底或解吸完全的狀態(tài)，進而導(dǎo)致制冷能力下降。當回質(zhì)時間=80 s時，制冷量最高為3.48 kW，COP也相對較大為0.47。當回質(zhì)時間>80 s時，制冷量和COP均有明顯的下降，這是因為回質(zhì)時間過長時，吸附床內(nèi)的吸附劑已經(jīng)達到吸附徹底或解吸完全的狀態(tài)，這時還讓制冷機處于回質(zhì)的過程中，反而會消耗更多的能量(來自熱水的熱量，驅(qū)動水泵運轉(zhuǎn)的電能等)，進而導(dǎo)致COP的急劇降低，系統(tǒng)經(jīng)濟性明顯下降?？紤]到對于已經(jīng)出廠的硅膠-水吸附式制冷機組而言，不同的機組有其特定的最佳回質(zhì)時間[18]，本實驗中使用的制冷機組的最佳回質(zhì)時間為80 s。

圖9 系統(tǒng)性能隨回質(zhì)時間的變化Fig.9 System performance vs. mass recovery time

3.4 誤差分析

為了確保實驗的準確性，需要對實驗結(jié)果進行誤差分析。相對誤差的計算公式為[16]：

(4)

式中：Y1為直接測量量，如溫度，流量等參數(shù)；Y2為間接測量量，如制冷量，COP等參數(shù)。根據(jù)相對誤差公式，分別計算制冷量和COP的相對誤差范圍。在所有工況下，制冷量的相對誤差為10.6%～11.8%；COP的相對誤差略大，為11.6%～16.4%。其中熱水進口平均溫度為60 ℃時，COP的相對誤差為11.6%～12.3%，表明熱水進口溫度較高時，COP的實驗精度較高。整體而言，實驗結(jié)果在合理可靠的誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文介紹了硅膠-水制冷機組的主要結(jié)構(gòu)與工作原理，提出了將其用于數(shù)據(jù)中心的余熱制冷，針對數(shù)據(jù)中心45～60 ℃的余熱熱水工況進行實驗，得出如下結(jié)論：

1)硅膠-水制冷機利用60 ℃的熱水可將冷凍水降溫3 ℃，若將冷凍水的進口溫度控制在23 ℃，制冷機組可持續(xù)輸出20 ℃以下的冷凍水，滿足數(shù)據(jù)中心服務(wù)器CPU直接水冷的要求及水冷背板的需求。

2)系統(tǒng)的制冷量和COP隨熱水進口溫度和冷凍水出口溫度的提高、冷卻水溫度的降低而增大，數(shù)據(jù)中心應(yīng)盡可能提供更高溫度的熱水，同時降低冷卻水溫度可以提高機組的運行效果，冷卻效果更明顯。

3)本實驗機組的最佳回質(zhì)時間為80 s，最佳回質(zhì)時間對于在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用硅膠-水吸附式制冷機具有指導(dǎo)意義，系統(tǒng)在最佳回質(zhì)時間下運行，可更加高效地利用數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱水，產(chǎn)生更多冷量，達到更佳的節(jié)能效果。