第18卷第5期肩务f寶；樽
2 0 18 年5 月REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING 4-8
热管型机房空调系统设计与分析
王飞王君史作君黄德勇
摘要针对数据机房、基站全天候空气调节需求，提出一种新型热管型机房空调系统，并设计制造额定制
冷量为13 kW的热管型机房空调样机，在标准焓差实验室进行 验。结果表明：当室!
13 °C时，可利用室外自然冷出具有益的准热管，在满足13 kW制冷能力前 提高
5%〜35%；当！#23 °C时，，行热管提高35% ；在不增本的前 ，热管型机房
空调全年比(AEER)较具有同力定速型、机房空调分别高40%和20% ；该技术为低成
本机房空调产品的开发 路。
关键词机房空调；制冷 ；热管；节能；能效比
Design and analysis on heat pipe type air-conditioning system in IDC room
Wang Fei Wang Jun Shi Zuojun Huang Deyong
ABSTRACT Bad on the need of all-weather air conditioning of IDC room and ba sta
tion，a new type of heat pipe type air-conditioning system in IDC room is propo prototype of heat pipe type air-conditioning in IDC room with rated cooling capacity of 13
kW is designed,and the performance test is carried out in the enthalpy method
The results show that when the temperature difference between indoor and outdoor is not
less than 13 〇C，it can make u of outdoor natural cold source to construct one quasi heat
pipe with energy-saving benefit,the energy efficiency ratio(EER)can be improved by
5%+ 35%on the condition of the cooling capacity of13 kW；when the temperature differ
ence between indoor a nd outdoor is not less than 23 C，the system operates under heat
pipe mode，the EER is improved by over35%；compared with the fixed frequency and
frequency conversion air-conditioning in IDC room with the same cooling capacity，the nual energy efficiency ratio(AEER)can be improved by over40%and20%respectively，
under the condition of not increasing the cost；this technology lays the foundat development of the low cost and energy-saving air-conditioning products for IDC room.
KEY WORDS air-conditioning in IDC room；refrigeration system；heat pipe system；
energy-saving；energy efficiency ratio
利用室外自然冷 、气-气(水）奂器 管技术 决目前数据机房高 、实现 减排的重要 之一。但 入新导致数据中心 ，采用过
对数据中心的 ，但 过 丨会增加数据中心 本。气-气(水） 器建 护结构，且 面 、成本高。热管不利用室外自然冷 机房稳=续工作，确保房间内部空气品质，而且 低空调系统的运行能耗[-3]。根据驱动力不同可将热 管分为重力型分离 管与动力型分离 管，据 工质可分为液相热管和气相热管。
1)重力 管空调！'将制冷：直
造士
一套重力型分离 管的 ，当环境平
度为20 C时，重力 管空调 的耗电量为 机房空调 电量的3) 6%，节电率达62. 4%；5开发出采用重力型分离式热管与蒸气 的双回路复合空调，节能
收稿日期！017-05-08
作者简介：王飞，硕士，性能开发工程师，主要从事多联机、机房空调制冷新技术研究与产品开发。
第5期王飞等：热管型机房空调系统设计与分析
率为20%#55%。两套或准两套系统成本高，制 冷 和热管 量调 控制，并且无法分利用自然冷源。石文星等（将重力型分离式 管技术与蒸气 制冷技术结合，开发出小一体重力 管空调，相对 机房空调 i 30%#45%。
2)液相动力 管空调！[7]利用磁力 出一体动力 合空调，探究室 境度与冷凝器迎面风速对 的，并选取哈与石家庄2个地区进行全年栗驱动运行时间
，结果表明在 力 。一■动力 合空调在 产品 ，该 ：结构简单、成本低，但是无法利用过渡 的自然
冷源，并且存在硬 的问题。王飞[8!1]研发出具有复合区的热管 合型空调，并对动力型分离 管 、复合空调系统
分别进行探究，得出热管 合型空调 相于 蒸气 制冷 合 率高达40Q。,2]利用板 器作为冷凝蒸发器，开发全年用 动回路热管及机械制冷复合
空调系统进行试验研究，结果表明复合空调 ：能效比EER高达83。[1>15]提出了机械
制冷/回路热管机房空调，利用三介质 器将机
械制冷与热管耦合，管 、制冷
双 ） 空调机 本高，中间热制冷效率低。[(18]_—种热管耦合复
合型机房空调 ，即将制冷 、热管系统
在低 器处进行耦合，并制作出30 kW热管
耦合 合 空调 机，与 机 空调进行 验 对比，复合空调样机全年能效比（A££^)提升 50Q。热管耦合复合型空调机 了中间器成本，提高了效率，然而制冷剂
高，且制冷剂 动的热管系统增大了蒸发温度，低了 。
3)气相动力 管空调：国[19]提出了
实现热管自 、基于 无 机为动力的气体增 和蒸气 的全年制
冷冷水机组技术方案，该方案具有良好的 益。
文星等,0]提出一种气体增 管复合空调，并设
计出10 kW样机，通过测试全年 ，与常规机房空调相比，节能40%。气相 无油离心机在 机房空调适用，气体增 合空调在过渡季节无法充分利用自然冷源。1热管型空调系统原理
图1所示为热管型空调 的原理图，包括机、分离器、冷凝器、量 、蒸发器 ，据室 境温度 室 需求切换行制冷 、准热管 管 。鉴于和调 的要求，，一
机并 量 ，具 量调 、行、故障自锁、安全保护 。
流量装置
图1热管型空调系统原理图
管 空调 行分 行控制 ，将
分解为制冷区、准热管区和热管区（见图2)。制冷区循环模式（A〖<〖1)：制冷系统工作，自蒸发器
出来的气态制冷剂 机吸人进行压缩冷凝、节流进人蒸发器进行蒸发 ，实现制冷）隹热管 $1<；以<(2)：根据室内室 度，调 机 速、室 机
速 量 度，最大化利用自然冷源，构造出具有 益的准热管 ，实现按需制冷；热管 〇2<；以）：流量 全打开，由蒸发器、压缩机、冷凝器 量 一简单
动力 分离 管 ，控制 冷 器的力和 机转速使冷量与 相匹配。
负荷/能耗
负荷
常规空调
能耗Y
制冷区准热管区
热管空调能耗
热管区A t
图2
热管型空调系统运行分区图
•6•第18卷
2热管型机房空调性能试验
2.1试验系统
据热管型空调 理图（见图1%瘐
定制冷量为13 kW的空调样机" 机、油分离
器、冷凝器、流量 、蒸发器、气液分离器 ，
机 行制冷 、准热管 管 #
于控制性要求，，了快速回油回路(快速
回油电磁阀和毛细管％
机采用R410A制冷剂，室内、外机组之间
的配管长度为10 m，其中 管的规格为$9.52 mm，气体连接管的规格为$15.88 mm。
在被测机组的 机进/出口管路上布置温度和压力传感器，以获取测点 管内制冷剂的
实时状态参数。其中，压力传感器的测量精度为 ±0.1 kPa，温度传感器的测量精度为±0.1 T。
将被测机组的室内机组和室外机组分别 ：在标准焓差实验室内，测量被测机组的制冷量；采 用精度为± 0.5 W的功率计测量机组的输入功率。焓差实验室的主要技术指标为：①制冷量测量范 为6〜20 kW，测量精度#98%;②室内侧风量 调节范围为600〜4 500 m3/h;③室外侧温度调
范围为+ 20〜55 T。
控制室内蒸发器进口空气干/湿球温度为38 T/ 20.8 °C，调节室外侧温度从35 T开始每隔5 T逐 渐降低至+ 5 °C，探究 点。通过调 机运行频率 室 机转速实现制冷量满足 指标，并控制回气过热度在
4〜8C范 ，确保机组稳定、安全运行。同时测试同 力的定速/变速机房空调的全年 比。
每 室 度 ，在系统稳 行并维持30 min后，每5 s采集并记录一 力、温度、制冷量和输入功率，并通过试验仪器记录数据" GEER。
2.2试验结果与分析
图3所示为热管 管型机房空调 ：与室 境温度的 。室 境温度降低，系统制冷量呈稳定增长趋势，且近似呈线 ：。当室 以#23C时（即室 境温度^<15 C%其制冷量达到13.4 kW，达到设计指标 (#12.5 kW)，其能效比EER与常规同等能力的压制冷系统(EER=3.9)能效比相比提高35%以。为 机 行 率低"
力损失小，仅克服管路 器阻力"
图3热管模式下热管型机房空调性能随室外温度的变化
高，可完全替代常规压缩式制冷系统，实现数据中 心低 行。
图4 示为准 管 制冷
与室 境温度的变化 。理论分析只要室具有 ，就 利用 行热管 ，但从实际产品角度分析，室内、 器 无限，故当A〖#13C时，可利用室外自然冷源构造 出具有 益的准热管 。准热管 ，通过协调控制 机运行频率、风机转速 膨胀阀开度，在制冷量达到 指标前 ，系比提高5%〜35%，如在A〖= 13 C时，系统 制冷量13.3 kW，能效比EER达3.7，与常规同等 力的压缩式制冷 （EER =3.5)，能效比提高5.7%，A(= 23 C时，能效比EER提高38%。以
明通过该控制方法，，化利用自冷 "实现 行。
图4准热管、制冷模式下热管型机房空调性能随室外温度的变化
当A〖<13C时，在现有产品换热器基础上无 法 出具有 益的热管 ，
行制冷 。
图5和图6所示分别为传统13 kW定速/变 频风冷直膨式机房空调与13 kW
热管型机房空调
第5期
王飞等：热管型机房空调系统设计与分析
“
变频机
热管型定速机
-------
制冷量 比测试对比情况。通过控制室内干/湿球温度38 T /20.8 T 恒定，改变室 度，测量定速/ 冷直膨式机房空调和热管型机房空调的 比EER ，并利用GB /T 19431—2010《计算机和数据处理机房用 空调机》规定的全年 比(A ££^)计算方法，考察机组的运行能效。定速/!
冷直膨式机房空调AEER 为4.0/4.7，相比热管型机房空调（AEER = 5. 8)，提高
40%/20%
。
-10 0 10
衷肠是什么意思
20
30
40
室外温度/.C
图5制冷量对比
图6
能效比对比
2.3关于热管
和制冷 的
管
和制冷
通过制冷剂相变传
，在蒸发器中沸腾汽化，在冷凝器中冷凝液化，
在方
具有相似性。理想 ，只要存在 （室
境温度低于室
境温度），
既 利用气相热管
进行制冷，也
利用制冷
进行制冷，并且气相热管 与制冷系含部件配置相同，即
机、冷凝器、节流
、蒸发器等；同样的 配置，只
据当前
行工况改
部
行方式，但其本质
：
通过制冷剂冷凝与蒸发作用实现
制冷，故可
为制冷 与 管 相同的。 机
组在室 度为35 T 机运行频率为
87 Hz ，在室
度为15 T
机运行频率为57 Hz ，而对于蒸发器侧，鉴于显热比要求控 制蒸发温度为16 T ±1 理解在同样
的蒸发器面积（
、蒸发温度下，产生相同
制冷量需要相同的制冷剂流量，则在室 度为
35 T (压缩机频率87 HN 与室 度为15 T (压缩机频率57 HN 时制冷剂流量基本相等，而在室
度为35 T 时高出的30 Hz 运行频率只是用 克服
阻力做功（增大冷凝压力实现冷凝、再
低到对应蒸发温度），并未产生实际制冷量，故 管（ 相热管、重力热管）和制冷
：
具有相似 。3
结论
通过对热管技术在机房空调行业运用的现状 前景进行分析，设计了 制冷量为13 k W 的管型机房空调，并在标准焓差实验室进行了性
验，得到 结论：
1) 通过
各部件协调控制，构造出具有节
益的准热管 管 ，当室13 T 时，能效比提高5%#35%，当！#23 T 时， 能效比提高35%
)2) 通过对同
力
冷定速型、风冷变
管型3种机房空调全年
比(A ££^)
测试比较，在不增 本前 ，热管型机房空调AEER 比前两者分别提高40 %和20 % )
3) 通过对制冷 和热管 限进行分析，并对民事公益诉讼
在室
宽温度
行
进行试验考察，热管型空调 结构简单、
性
高，能够克服
限制，能够实现全天候宽温
工作，系统自动化程度高）
4) 管 、制冷 在 方
制冷原理上具有相似性，利用该思路 管型空调
，为全年供冷领域的机房、基站空调
产品
的开发一的思路。
参考文献
[1]田浩，李震，刘晓华，等.信息机房热管空调系统应用
研究[J ].建筑科学，2010,26(10) 141-145.[]管勇，陈超，许磊，等.自然冷却
技术应用于通信
机房空调系统的试验研究[J ].建筑科学，2010,26
(10)157-161.
[3] CHEN Y , ZHANGYF ，MENGQL . Study of venti -15
1
4
•8•第18卷
lation cooling technology for telecommunication ba
station in Guangzhou,]. Energy and Buildings，2009,
41:738-744.
,
]，翟晓华，祁照岗，等.分离式热管型机房空调性能实验研究暖通空调，2011，41(9) 133-136.
,]，张华，王子龙，等.分离 管蒸气压缩复合空调的实验研究低温与超导，2014,42(1):
90-94E
,]石文星，韩林俊，王宝龙，等.热管/蒸发压缩复合空调 理及其在高发热量空间的应用效果分析制冷与空调，2011，11(1): 30-36.
,]，许树学，马国远，等.磁力泵驱动两相冷却复合制冷 特性分析和实验研究制冷学报，
专业技术人员年度考核表2016,37(3):1-5
,]王飞，王铁军，王俊，等.动力型分离式热管在机房空 调中研究与应用低温与超导，2014,42 (11):
68-7!
[9]王飞.30 kW动力型分离式热管设计与实验[D].合
月巴：合肥工业大学，2014.
,
0]王铁军，王冠英，王蒙，等.高性能计算机用热管复合 制冷系统设计研究,].低温与超导，2013，41 (8):
63-66
[11]王铁军，王飞，李宏洋.动力型分离式热管设计与试
验研究,].制冷与空调，2014,14(12) :41-43.实践活动内容
[12] ，马国远，周峰，等.全年用泵驱动回路热管及
(下接第14页）
,]核动力厂设计安全规定:HAF102[S].
,]堆核电厂安全 暖、通风、空调系统设计准贝IJ:NB/T20095—2012[S].
林肯怎么死的[7] Ventilation for buildings+ Air handling units+ Me
chanical performance：prEN 1886 ：2007 [S].
[]核电厂防火：HAD102-11[S].
[9]章莉，杨臣.核电通 双层微穿孔板消声器研究
[J].暖通空调，2016,46(11):28-31.
[10] Code on nuclear air and gas treatment：ASME A G j-1-
2003[S].
[11]骆意.新型钢丝绳隔振器设计及其特性研究[D].重
向死而生是什么意思
庆大学，2012.
[12]刘中华.核电设备抗震试验与计算分析[D].上海：
同济大学，2008.
[13]张天坤，王慧中.浅谈核电空调箱中的耐辐照非金属
机械制冷复合冷却系统的性能特性[J].暖通空调，
2016,46(9) 109-115.
[13]张海南，邵双全，田长青.机械制冷/回路热管一体式
机房空调系统研究[J].制冷学报，2015,36 (3):
29-33
[14] ZHANGHN，SHAO SQ，X U H B，et al.Numerical
investigation on fin-tube three-fluid heat exchanger
for hybrid source HVACYR systems[J].Applied
Thermal Engineering，2016，95:157-164
[15] ZHANGHN，SHAO SQ，X U H B，et al.Numerical
investigation on integrated system of mechanical re
frigeration and thermosiphon for free cooling of data
centers[J].Internationll Journal of Refrigeration，
2015,60:9-18
[6]王君，石文星，史作君，等.一种复合型机房空调系
统：201620583213.6 [P]. 2016-11-16.
[17] ，石文星，史作君，等.一种复合型机房空调系统
及其控制方法：201610425330.4[P]. 2016-08-31.
[8]王飞，王君，史作君，等.热管复合型机房空调研究与
试验[J].制冷与空调，2017，17(12):37-41.
[19]国，石文星，张捷，等.三模式复合冷水机组及其
控制方法：201510350859.X[P]. 2015-11-11.
[20]石文星，王飞，黄德勇，等.气体增压型复合空调机组
研发及全年运行 分析[J].制冷与空调，2017,17
2) !!-!6
材料[J].新材料产业，2017(6)57-60.
[14] ，翟.常用建筑外墙保温材料燃烧性能研
究[J].企业技术开发，2013,32(5):136.
炕洋芋[5]建火规范:GB50016—2014[S].
[6]组合式空调机组:GB/T 14294—2008[S].
[17]张天坤，华校生，，等.核电空调 材
料防火 探讨[J].新材料产业，2017(1) :52-56.
[8]王慧中，周 ，，等.核级换热器防冻能力的
研究与产品开发[J].暖通空调，2017,47(2):15-20. [19]陈建军.核电站用离心式冷水机组换热器铜管腐蚀
泄漏分析[J].制冷与空调，2013，13(1) :66-69. [20] 猷.微穿孔板的实际极限[J].声学学报，2006,
31(6)481-484.
[21]核空气和气体处理规范通风、空调与空气净化第1
部分：通风机:NB/T20039.1—2014[S].
