第21卷第2期
2 0 2 1 年 2 月
REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING
73-77
数据中心用气泵驱动热管复合
空调节能潜力分析
*
*国家自然科学基金（52076085,51676199）收稿日期：2020-1118，修回日期：2020-12-31
作者简介：王飞，硕士，主要从事机房空调、数据中心冷却新技术研究与开发。
王飞邵双全】）
n （华中科技大学能源与动力工程学院）
摘要针对数据中心用气泵驱动热管复合空调进行试验研究，结果表明：在中小型机房空调领域，采用变
频转子式压缩机-气泵驱动热管复合空调AEER （北京）为5.56，可实现数据中心PUE V 1.30的目标；采用 变频涡旋式压缩机-气泵驱动热管复合空调AEER （北京）为6.58，可实现数据中心PUE V 1.25的目标；在 大型数据中心空调领域，利用磁悬浮压缩机-气泵驱动热管复合空调AEER （北京）为6.72，可实现数据中心
PUE V 1.25的目标。气泵驱动热管复合空调技术配合间接蒸发冷却/凝等技术的运用，为现代数据中心节
能减排提供了新的思路。
关键词 数据中心；复合空调；气泵驱动热管；全年能效比；电源使用效率
Analysis on energy-saving potentiality of gas pump driven heat pipe
composite air-conditioning in data center
Wang Fei Shao Shuangquan 1)
(School of Energy and Power Engineering , Huazhong University of Science and Technology)
ABSTRACT The gas pump driven heat pipe composite air-conditioning in data center is
studied experimentally. The results show that in the field of small and medium computer room air-conditioning, the AEER (Beijing) of the inverter rotory compressor-gas pump
driven heat pipe composite air-conditioning is 5.56, and the PUE of data center is less than 1.3. The AEER (Beijing) of the inverter scroll compressor-gas pump driven heat pipe
composite air-conditioning is 6.58, and the PUE of data center is less than 1.25. In the field of large data center air-conditioning , the AEER (Beijing) of the maglev compressor
gas pump driven heat pipe composite air-conditioning is 6.72, and the PUE is less than 1.2. The gas pump driven heat pipe composite air-conditioning technology combined with
indirect evaporative cooling/condensation technology, provides a new thinking for energy- savingandemissionreductionofmoderndatacenter.
KEY WORDS data center ； composite air-conditioning ； gas pump driven heat pipe ；AE-ER ；PUE 伴随5G 网络、大数据等的发展，数据中心的
应用越来越广泛，为实现数据中心节能减排，建设 绿色数据中心的目标刻不容缓。数据中心能耗占 比最大的是IT 设备，其次就是空调系统。就目前
空调系统来看，其节能潜力在4%〜69%之间，故 而空调系统还有较大的优化空间［12］。数据中心空
调系统节能的关键是低成本、高可靠的利用自然
冷源。行业提出各种自然冷却技术，如蒸发冷却 技术、新风技术、热管技术等，就目前而言单纯利
用蒸发冷却、新风或者热管技术仍不足以实现数
据中心全年冷却需求，需要辅助一定的蒸气压缩 制冷技术，故而涌现出各类整体式解决方案，如机
械制冷+间接蒸发冷却空调、新风+机械制冷技 术以及各类热管复合空调技术，包括重力热管复
第21卷・74・
合空调技术以及气泵/液泵驱动热管复合空调技术.石文星等：：开发出重力热管复合空调系统，并将研制的复合空调机组在全国南北多个基站进行试点应用，实测结果表明机组运行稳定、室内温度控制良好，在同等条件下，比常规基站空调节能30%〜45%.张海南等
*」提出了机械制冷/回路重力热管复合机房空调，利用三介质换热器将机械制冷与热管耦合，包括热管模式、制冷模式以及双启模式，在多地进行试点，取得较好的节能效益.王飞等［1°：对液泵动力型热管以及液泵驱动热管复合空调性能进行分析研究，指出液泵驱动热管复合空调具有优异的节能效果.石文星等：1115：对气泵动力型热管以及气泵驱动热管复合空调性能进行分析研究，认为气泵驱动热管复合空调具备结构简单、节能率较高的优势.以上研究均只针对中小型机房空调领域，未涉及大型数据中心空调领域，对压缩机作为气泵以及压缩制冷功能的界限在实际工程中的应用少有研究，并且数据中心用压缩机（气泵）类型较广泛，涉及转子式压缩机、涡旋式压缩机、螺杆式压缩机以及离心式压缩机等.
笔者通过分析数据中心需求，将采用变频转子式、变频涡旋式以及磁悬浮压缩机的气泵驱动热管复合空调在数据中心冷却的运用进行试验，并对这3类复合空调在全国几个典型城市的全年能效比（AEEK）以及电源使用效率CPUE）进行分析，并分析复合空调应用价值，为热管技术在数据中心冷却应用提供新的思路.
1气泵驱动热管复合空调（冷水机组）技术原理气泵驱动热管复合空调的原理如图1所示，包括采用变频转子式/涡旋式压缩机系统以及磁悬浮压缩机系统.采用变频转子式/涡旋式压缩机系统包括蒸气压缩制冷循环和气泵驱动热管循环，如图1（a）所示，2个循环共用压缩机、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器和气液分离器；对于采用磁悬浮压缩机的系统如图1（b）所示，包括主机单元与末端单元，
其中主机单元由共用的磁悬浮压缩机、冷凝器、流量装置、水侧换热器构成，末端单元由水泵、冷冻水末端构成，其中流量装置具有宽幅调节流量功能.系统可根据室外环境温度以及室内负荷需求切换运行蒸气压缩制冷模式以及气泵驱动热管模式，即利用可变转速压缩机的变转速特性，在室外环境温度较高时以中高转速运行蒸气压缩制冷循环，而在室外环境温度较低时以低转速运行气泵驱动热管循环，压缩机只提供气体流动所需要的动力，以充分利用自然冷源实现节能运行，并突破室内、外机组安装位置的限制瓶颈.
图1气泵驱动热管复合空调（冷水机组）系统原理图
从气泵驱动热管复合空调运行模式来看，个循环在同一套系统内运行，不存在控制死区.对气泵驱动热管循环进行分析，两器（蒸发器、冷凝器）、管路等部件存在阻力，同时为保护压缩机安全、稳定运行，压缩机需要具备一定压差（压缩比）实现压缩机回油、电机冷却等功能，冷凝压力高于蒸发压力.实际工程中可以定义蒸气压缩制冷循环与热管循环的边界：在系统运行过程中，除克服换热器、管路以及其他部件阻力，保证压缩机安全运行、回油顺畅、电机正常冷却的压缩比（压差），仍需要压缩机进行冷凝侧增压，补偿传热温差，完成制冷功能的即为蒸气压缩制冷循环.在系统循环过程中，压缩机增压部分仅是为了保证压缩机在安全压缩比范围内运行，或者实现压缩机回油、电机冷却等目的，此类循环仍可以理解为气泵驱动热管循环，通过该定义也可以得出各类气泵驱动热管循环与蒸气
难以启齿的话
第2期王飞等：数据中心用气泵驱动热管复合空调节能潜力分析-75-
压缩制冷循环的边界压缩比（压差）。
2气泵驱动热管复合空调（冷水机组）试验与分析控制室外环境温度35°C,25°C,15°C,10C, 5C和-5°C，对样机进行性能测试，探究样机性能以及模式切换点，并控制系统适当的回气过热度确保机组稳定、安全运行；每次完成模式切换或室外环境温度切换，系统记录制冷量和输入功率等参数，并计算样机性能参数.
参考GB/T19413—2010《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》规定的全年能效比（AEER）的测试与计算方法，计算样机在全国典型城市的AEER，其中典型城市包括：严寒地区（哈尔滨）、寒冷地区（北京）、夏热冬冷地区（合肥、上海、重庆）、温和地区（昆明）、夏热冬暖地区（广州）。
对于典型数据中心而言，电源/照明系统的能耗占比大约为10%。当PUE（power usage effectiveness）小于1.3时，电源/照明系统的能耗占比约为5%[6。在室内干/湿球温度38C/20.8°C 下，机组显热比为1，得出采用机房/基站空调的PUE与AEERCCLF=1/AEER）换算公式皿为PUE=数据中心总能耗
=IT设备能耗
，电源/照明系统能耗空调系统能耗
1IT设备能耗IT设备能耗
=1十（0.05〜0.1）十1/AEER（1）
利用式（1）计算机组在典型城市PUE p（平均PUE）和PUE”””（最小PUE）.
2.1变频转子式压缩机-气泵驱动热管复合空调
设计1台10kW风冷式小型机房/基站气泵驱动热管复合空调样机，采用R410A制冷剂，将被测样机的室内机组和室外机组分别设置在焓差试验室内，控制室内干球/湿球温度为38C/20.8°C，控制压缩机转速实现制冷量满足设计指标（10kW）.
图2所示为样机运行测试数据，当室外环境温度为35C时，系统运行制冷模式,E E R达到2.9；当室外环境温度为15°C/25C时，通过控制压缩机运行频率、风机转速以及膨胀阀开度，在制冷量达到设计指标前提下，系统E E R比常规空调（4.1/3.5）提高30%/5%；当室外环境温度为10C时，压缩机、油分离器、冷凝器、流量装置、蒸发器及气液分离器构成一个最简单的气泵驱动分离式热管系统，机组EER 达到6.5。通过对压缩机COP分析可知，在室外环境温度35C下，压缩机COP大约为4.13，随着室外环境温度的降低，压缩机COP逐渐升高，在室外环境温度为-5C时，压缩机COP超过20，常规压缩机COP一般为10~12，说明变频转子式压缩机作为气泵使用具有很高的节能效益。
由图3（a）可知，在哈尔滨AEER>6，在北京AEER〉5.5，相较于常规小型定速机房空调（AEER=3.
5〜4.0）节能率超过40%，相较于常规小型变频空调（AEER=4.5）节能率超过20%，实现小型机房、基站空调进入AEER超越5.5时代。在广州AEER=4.21，此时可利用水冷或蒸发冷却/凝的技术手段实现AEER为5.0〜6.0的目标。
由图3（b）可知，在哈尔滨PUE p和PUE mn分别为1.26和1.21；在北京PUE p和PUE”””分别为1.28和1.23；在广州PUE p和PUE mn分别为134和1.29，此时可通过水冷或者蒸发冷却/凝的技术手段实现PUE V1.25的目标。
2.2变频涡旋式压缩机-气泵驱动热管复合空调
设计1台25kW风冷式变频列间气泵驱动热管复合空调样机，采用R410A制冷剂，将被测样机的室内机组和室外机组分别设置在焓差试验室内，控制室内干球/湿球温度为37C/ 21.5C，控制压缩机转速实现制冷量满足设计指标（25kW）。
图4所示为样机运行测试数据，在室外环境温度为35C时，机组制冷量达到24kW（>25kW X 0.95）,EER为3.31；当室外环境温度为25C时，机组EER达到4.81；当室外环境温度为10C时，运行气泵驱动热管模式EER高达7.28；随着室外环境温度的继续降低，需要通过控制系统实现机组在压缩机的安全范围内运行。由压缩机COP 可以看出，室外环境温度为35C时压缩机COP 为4.22，随着室外环境温度的降低,COP
逐渐提
第21卷
-76・ 1.4
■ PUEp PUEmin
I 仙
1.0---------------------------------------------------------------------
哈尔滨北京合肥上海昆明广州重庆
(b) PUE
图3 变频转子式压缩机-气泵驱动热管复合空调AEER 与PUE
哈尔滨北京合肥上海昆明广州重庆
(a ) AEER
765
y 4
W 32
1
高，当压缩机在气泵驱动热管模式下运行时，压缩 机COP 大约为13〜19.
40
图4变频涡旋式压缩机-气泵驱动热管复合空调性能
室外环境温度/ °C
20
doo
10
5
由图5(a)可知，在哈尔滨AEER 〉7.0，在北 京AEER >6.5，相较于常规中小型定速机房空调
(AEER = 4.0〜4.5)节能率超过40%，相较于常规 中小型变频空调(AEER = 4.8〜5.2)节能率超过
20%，实现中小型机房空调进入AEER 超越6.5review是什么意思
时代.在广州AEER =5.23，此时可利用水冷或者
蒸发冷却/凝的技术手段实现AEER 为6.0〜7.0 的目标.
由图5(b)可知，在哈尔滨PUE p 和PUE mn 分 别为1.24和1.19；在北京PUE p 和PUE mn 分别为
1.25和1.20；在广州PUE p 和PUE mn 分别为129
和1.24，此时可通过水冷或者蒸发冷却/凝的技术
手段实现PUE V 1.25的目标.
2.3磁悬浮压缩机-气泵驱动热管复合空调(冷水
机组)
设计1台制冷量为240〜250 kW 的风冷式磁
cancel过去式悬浮机组以及1台制冷量为50 kW 的列间冷冻水 末端样机，在实验室分别对磁悬浮机组以及末端样
机进行性能试验(末端采用多联式，只测试其中1台 末端样机的性能).压缩机采用TT 300系列，制冷
剂采用R134a ，测试供水/回水温度为20 C/25 C 时 的风冷式磁悬浮机组性能(蒸发温度大约17 °C，与
上述变频转子式/涡旋式压缩机基本相同)；采用室
内38 C 回风的列间冷冻水末端样机，在实验室进行 供水/回水温度在20 C/25 C 的性能试验.
1.4
UPUE P PUEmin
2 10-
1.3
§1-2
1.1
合肥上海昆明广州重庆
(a ) AEER
ilium
1.0
哈尔滨北京 合肥上海 昆明 广州 重庆
(b) PUE
8 7 6 5 4 3图5 变频涡旋式压缩机-气泵驱动热管复合空调AEER 与P U E
由图6可知，室外环境温度为35 C 时，整机
所有功率)达到3.88；当室外环境温度低于25 C EER (包括室外风机、室内风机、水泵以及压缩机
时，节能效益大幅提升；当室外环境温度为10
C
第2 期王飞等：数据中心用气泵驱动热管复合空调节能潜力分析・77
时，机组运行气泵驱动热管模式，能效达到7.22。 由压缩机COP 可以看出，室外环境温度为35 C 时，压缩机COP 为5.64，相比于常规变频转子式
（COP 为4.13）、涡旋式（COP 为4.22）压缩机有较
大幅度提高；随着室外环境温度的降低COP 逐渐 提高，当压缩机作为气泵使用时COP 接近20。
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图6磁悬浮压缩机（气泵）性能
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1 由图7可知，在哈尔滨A EE R >7，在北京
A EE R >6.5，相较于常规大型定速冷水机组（AEER =4.0〜45）节能率超过40% ，相较于常规大型变频
冷水机组（A EE R = 4.8〜5.2）节能率超过20%。在 广州AEER = 5.86，可利用水冷或者间接蒸发冷却/
匕3「mpuE p
1.0
1.2时差英文
1.1
S
哈尔滨北京合肥上海昆明广州重庆
(b) PUE
图7 磁悬浮压缩机■气泵驱动热管复合空调AEER 与PUE
由图7（b ）可知，在哈尔滨PUE p 和PUE mn 分别
为1.4和1.19；在北京PUE p 和PUE mn 分别为1.25
和1.20；在广州PUE p 和PUE mn 分别为1.7与1.22, 此时可通过水冷或者蒸发冷却/凝的技术手段实现
PUE C1.25的目标。
通过对3种气泵驱动热管复合空调样机试验分
析可知，对于中小型机房/基站空调，采用变频转子 式/涡旋式压缩机-气泵驱动热管复合空调，相较于
常规定速/变频机房空调，具有一定程度节能优势;
对于大型数据中心，采用磁悬浮压缩机-气泵驱动热
管复合空调组同样可以实现一定程度节能。 对于夏
热冬暖的广州地区，可采用水冷或间接蒸发冷却/凝 技术提升综合能效，实现PUE V1.25的指标。
3结论
通过对变频转子式、变频涡旋式以及磁悬浮压 缩机-气泵驱动热管复合空调进行试验研究，得到以
下主要结论：
1） 采用变频转子式/涡旋式压缩机的气泵驱动
热管复合空调AEER 在北京达到5.56/6.58，可以实
现数据中心PUE 小于1.3/1.25的目标。
imei是什么
2） 采用磁悬浮压缩机的气泵驱动热管复合冷
水机组需要兼顾压缩机电机冷却，机组在北京
killers
AEER 达到6.72，可以实现PUE 小于1.5的目标。
3） 压缩机作为气泵使用时COP 较高，在夏热
冬暖地区仍存在PUE >1.3情况，可以采用间接
蒸发冷却/凝技术或液泵驱动热管技术等方法实 现更低PUE 目标。
4） 气泵驱动热管与蒸气压缩制冷复合空调技
术，为现代数据中心节能减排提供了新的思路。
参考文献
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却技术年度发展研究报告2018[R], 2019.
名词性从句讲解[2]中国制冷学会数据中心冷却工作组.中国数据中心冷
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