一种由低温废热驱动的紧凑型R32/DMF吸收式制冷原型机，用于数据中心的脱碳

《Renewable Energy》：A compact R32/DMF absorption refrigeration prototype driven by low-temperature waste heat for the decarbonization of data centers

数据中心废热回收高效紧凑型吸收式制冷系统研究。采用R32/DMF作为工质对，通过平板换热器实现系统紧凑化，在50-75℃驱动温度下获得最高COP 0.57，蒸发温度降至6.4℃。应用案例显示电力使用效率从1.60降至1.18，日耗电减少8.7%。

　　在当前信息科技迅速发展的背景下，数据中心的能耗问题日益受到关注。随着人工智能、云计算、大数据和5G等技术的广泛应用，数据中心的基础设施规模不断扩大，导致电力消耗持续上升。据中国信息通信研究院发布的数据，过去五年间，中国数据中心机架部署的平均年增长率超过了30%。2021年，中国数据中心的电力消耗达到了约2166亿千瓦时，二氧化碳排放量约为1.35亿吨，占全国总排放量的1.14%。预计到2030年，数据中心的电力消耗将超过3800亿千瓦时，二氧化碳排放量也将超过2亿吨。这一趋势凸显了降低数据中心整体能耗以及实现废热回收的重要性。

在传统数据中心中，大约40%到50%的电力被用于IT设备，而30%到40%则用于冷却系统。IT设备运行过程中产生的大量废热，如果无法有效回收，将造成严重的能源浪费。因此，如何高效地利用数据中心的废热进行冷却，成为实现“双碳”目标的关键环节之一。废热回收不仅有助于降低数据中心的运行成本，还能减少碳排放，提高能源利用效率。

目前，数据中心的冷却技术主要包括空气冷却和液体冷却两种。其中，液体冷却因其更高的密度和更低的能耗，被视为一种极具潜力的解决方案。此外，液体冷却的高传热系数可以显著缩小服务器与冷却介质之间的温差，从而提高散热效率，增强废热回收的可行性。在废热回收技术中，吸收式制冷和有机朗肯循环是被认为最具前景的方法。然而，有机朗肯循环通常面临发电效率低的问题，而吸收式制冷作为一种低能耗、高效率的技术，可以直接利用废热进行制冷，因此在学术界和工业界获得了广泛关注。

现有的吸收式制冷系统多采用锂溴水或氨水作为工质对。然而，这些系统在实际应用中存在一些局限性。例如，氨水系统需要配备专门的精馏装置，且存在一定的毒性风险；而锂溴水系统则容易发生结晶现象，影响系统的稳定运行。为了克服这些问题，近年来的研究逐渐转向开发适用于低温热源的有机工质对。例如，He等人对R22/N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、R134a/DMF和R32/DMF这三种有机工质对在吸收式制冷系统中的性能进行了评估。他们的研究表明，在蒸发温度约为15°C且发生温度低于70°C的条件下，R32/DMF工质对的制冷系数（COP）最高，可达0.70到0.85之间。这一结果表明，R32/DMF工质对非常适合用于数据中心废热驱动的制冷系统，因为它能够在较低的驱动温度下实现较高的制冷效率。

然而，尽管有机工质对在理论研究中展现出良好的性能，其在实际数据中心中的应用仍然受到限制，主要原因是传统吸收式制冷系统体积较大，难以适应数据中心对高密度部署的需求。此外，传统系统通常需要较高的驱动温度（超过85°C），而数据中心的废热温度通常低于70°C，这使得现有技术难以有效利用废热资源。为了解决这些问题，本文提出了一种全新的紧凑型吸收式制冷实验原型，首次采用R32/DMF作为工质对，并利用紧凑板式换热器作为吸收器、发生器和溶液换热器，以减少系统的整体体积，提高空间利用率。

在驱动温度范围为50°C到75°C、环境温度为25°C的条件下，该新型系统实现了最大制冷系数0.57。通过调节制冷剂侧的电子膨胀阀开度，蒸发温度被降低至6.4°C。在实际应用测试中，该系统被应用于某数据中心，结果显示其电力使用效率（PUE）从1.60降低至1.18，意味着每日总电力消耗减少了8.7%。这一成果表明，该系统不仅在理论上具备良好的性能，而且在实际运行中也能够显著降低能耗，提升能效。

为了进一步验证该系统的性能，本文还对其关键组件在稳态条件下的表现进行了实验分析。在驱动温度为70°C、环境温度为25°C的情况下，吸收器、混合器和蒸发器的温度和压力分布如图4所示。图4(a)显示了混合器弱溶液入口温度（T8）、吸收器弱溶液入口温度（T1）和蒸发器制冷剂出口温度（T12），分别为34.1°C、33.0°C和17.0°C。图4(b)则展示了吸收器强溶液出口温度（T2）、发生器强溶液出口温度（T3）和溶液换热器出口温度（T4）的稳态分布，分别为46.6°C、70.0°C和42.5°C。这些数据表明，系统在运行过程中能够保持稳定的温度和压力分布，确保制冷效果的持续性和可靠性。

此外，本文还对系统的组件性能进行了深入分析。在吸收器、发生器和溶液换热器中，板式换热器的应用显著提高了系统的紧凑性和热效率。通过实验测量，研究人员发现板式换热器在相同热负荷下，相较于传统换热器能够提供更小的体积和更高的传热效率。这种紧凑设计不仅有助于降低数据中心的空间占用，还能够提升系统的整体能效。实验数据还表明，R32/DMF工质对在低温驱动条件下表现出优异的性能，其制冷系数和系统效率均优于传统工质对。

为了进一步评估该系统的应用潜力，本文选取了位于中国上海的曙光5000A超级计算机作为案例进行分析。该系统的安装示意图和结构布局如图12所示，其实际运行数据参考了Chen等人的研究。通过将新型吸收式制冷系统与传统的压缩制冷系统进行对比，研究发现该系统在电力消耗和环境影响方面均具有显著优势。特别是在春秋季，上海地区的数据中心运行数据表明，该系统能够有效降低电力使用效率，减少碳排放，提高能源利用效率。

综上所述，本文提出的紧凑型吸收式制冷系统，不仅解决了传统吸收式制冷系统对高驱动温度和大空间的需求，还能够高效利用数据中心的低温废热资源，提高系统的整体能效。通过采用R32/DMF作为工质对，并结合板式换热器的紧凑设计，该系统在理论和实验层面均展现出良好的性能。其在实际应用中的成功验证，为数据中心的废热回收和节能减排提供了新的技术路径。未来，随着更多实验数据的积累和实际应用的推广，该系统有望成为数据中心冷却技术的重要组成部分，为实现绿色数据中心的目标做出贡献。