干燥地區(qū)數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)分析*

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求不斷增加，數(shù)據(jù)中心能耗問(wèn)題日益突出，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE值偏高，與國(guó)際先進(jìn)水平相比有較大差距。如何有效利用自然冷源，通過(guò)增加全年自然冷卻時(shí)間來(lái)降低能耗，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的主要方向[1]。蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用空氣中的干空氣能達(dá)到制冷作用，有效降低了數(shù)據(jù)中心PUE及運(yùn)營(yíng)成本，在國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中不斷被推廣應(yīng)用。目前，由于風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備安裝靈活且便于模塊化生產(chǎn)，其在大平層類數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用相對(duì)較為普遍[2-4]。而水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)以水為冷量傳輸介質(zhì)，相對(duì)較為節(jié)能，且便于系統(tǒng)冷量輸送，適用于大型、多層數(shù)據(jù)中心[5-6]。

一方面，隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，材料的耐溫程度顯著提高，數(shù)據(jù)中心進(jìn)風(fēng)區(qū)域溫度可高達(dá)18～27 ℃[7]；另一方面，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)需要更趨近于芯片級(jí)冷卻的末端來(lái)應(yīng)對(duì)服務(wù)器密度不斷增大帶來(lái)的難題[8]。這些都擴(kuò)大了蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用空間。為了探究水側(cè)蒸發(fā)冷卻應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的適用性，本文以實(shí)際工程測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行分析，得出水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的適用性。

1 干燥地區(qū)數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用復(fù)合乙二醇自然冷卻的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組作為全年主導(dǎo)冷源，且蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組采用內(nèi)外冷復(fù)合間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，制取的冷水溫度能低于環(huán)境濕球溫度[9]。該系統(tǒng)首次應(yīng)用于烏魯木齊某數(shù)據(jù)中心，蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組作為全年備份冷源，系統(tǒng)針對(duì)干燥地區(qū)數(shù)據(jù)中心研發(fā)，全年采用蒸發(fā)冷卻空氣-水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)去制冷機(jī)化。如圖1所示，在全年運(yùn)行過(guò)程中，該系統(tǒng)有3種主要的運(yùn)行模式。

注：A～F為水管閥門。圖1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房用新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)

在過(guò)渡季節(jié)，系統(tǒng)開(kāi)啟水側(cè)蒸發(fā)冷卻運(yùn)行模式。蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的高溫冷水進(jìn)入一次水系統(tǒng)，并通過(guò)板式換熱器將冷量輸送到二次水系統(tǒng)。二次水系統(tǒng)的冷水輸送到顯熱末端空調(diào)機(jī)組，用于冷卻機(jī)房?jī)?nèi)部回風(fēng)。

在炎熱的夏季，系統(tǒng)開(kāi)啟水側(cè)-風(fēng)側(cè)復(fù)合蒸發(fā)冷卻運(yùn)行模式。蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的高溫冷水通過(guò)板式換熱器將能量輸送到二次水系統(tǒng)，并最終將冷水送到蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組的外冷式間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)。此時(shí)，室外新風(fēng)先經(jīng)過(guò)外冷式間歇蒸發(fā)冷卻器等濕降溫，再經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻器等比焓降溫后送入機(jī)房冷通道，吸收機(jī)柜散熱量并最終通過(guò)機(jī)房排風(fēng)機(jī)排至室外。

在冬季，系統(tǒng)開(kāi)啟乙二醇自然冷卻運(yùn)行模式。水系統(tǒng)內(nèi)部乙二醇溶液防止系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)冰，此時(shí)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的外冷式間接蒸發(fā)冷卻器相當(dāng)于乙二醇干冷器。

1.2 間接段效率

間接蒸發(fā)冷卻亞濕球效率用式(1)計(jì)算[10-11]，其值反映間接蒸發(fā)冷卻使機(jī)組進(jìn)風(fēng)濕球溫度逼近機(jī)組進(jìn)風(fēng)露點(diǎn)溫度的程度，如圖2所示。

(1)

式中n為間接蒸發(fā)冷卻亞濕球效率；ts,o為機(jī)組進(jìn)風(fēng)濕球溫度，℃；ts,a為間接段后空氣濕球溫度，℃；tl,o為機(jī)組進(jìn)風(fēng)露點(diǎn)溫度，℃。

注：ha、ho分別為a、O狀態(tài)點(diǎn)的比焓。圖2 間接蒸發(fā)冷卻亞濕球效率示意圖

1.3 淋水填料段水側(cè)效率

淋水填料段水側(cè)效率m用式(2)計(jì)算，其值反映了淋水填料段使機(jī)組回水溫度逼近淋水填料段進(jìn)風(fēng)空氣濕球溫度的程度。

(2)

式中m為淋水填料段水側(cè)效率；tH為機(jī)組回水溫度，℃；tG為機(jī)組供水溫度，℃。

2 系統(tǒng)測(cè)試分析

2.1 測(cè)試概況

系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，各測(cè)點(diǎn)具體測(cè)試儀器及測(cè)試量如下。

圖3 系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)分布

測(cè)點(diǎn)1：測(cè)量室外環(huán)境大氣壓、溫濕度。大氣壓力采用多功能測(cè)量?jī)x(testo480)測(cè)量，壓力測(cè)量范圍70～110 kPa；溫度、相對(duì)濕度采用溫濕度記錄儀(testo/174H)測(cè)量，溫度測(cè)量范圍-20～70 ℃，相對(duì)濕度測(cè)量范圍0～100%。

測(cè)點(diǎn)2：測(cè)量間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組間接段后空氣溫濕度、風(fēng)速。溫度、相對(duì)濕度采用溫濕度記錄儀(testo/174H)測(cè)量，溫度測(cè)量范圍-20～70 ℃，相對(duì)濕度測(cè)量范圍0～100%；風(fēng)速采用葉輪風(fēng)速測(cè)量?jī)x(testo410-1)測(cè)量，測(cè)量范圍0.4～20.0 m/s。

測(cè)點(diǎn)3：測(cè)量間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組出水溫度。出水溫度采用水溫電子傳感器測(cè)量，測(cè)量范圍-50～110 ℃。

測(cè)點(diǎn)4～7：測(cè)量板式換熱器一次、二次水系統(tǒng)供回水溫度。水溫采用水溫電子傳感器測(cè)量，測(cè)量范圍-50～110 ℃。

2.2 冷水機(jī)組性能測(cè)試

系統(tǒng)采用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組作為冷源，其出水溫度能否滿足設(shè)計(jì)要求是判斷系統(tǒng)能否適用于數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵。而間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的2個(gè)主要功能段——間接段和淋水填料段的性能將影響機(jī)組出水溫度。其中，間接段的作用是降低環(huán)境空氣濕球溫度，而淋水填料段是空氣與水熱濕交換的場(chǎng)所。為探索環(huán)境空氣參數(shù)對(duì)間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組性能的影響，本文對(duì)間接段和淋水填料段分別進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)環(huán)境空氣干濕球溫度的不同將測(cè)試工況分為5種。

2.2.1間接段性能測(cè)試

圖4顯示了間接段后濕球溫度隨環(huán)境空氣干球溫度、濕球溫度、露點(diǎn)溫度的變化。從圖4可以看出，間接段后空氣濕球溫度變化與環(huán)境空氣濕球溫度的變化趨于一致，各工況間接段前后濕球溫度差的變化范圍穩(wěn)定在±0.5 ℃，表明間接段后濕球溫度可以通過(guò)環(huán)境濕球溫度預(yù)測(cè)。由式(1)計(jì)算5種工況的亞濕球效率，結(jié)果顯示，在不同工況下，亞濕球效率有所不同，而在相同工況時(shí)，間接段亞濕球效率變化值穩(wěn)定在±5%之間。

圖4 不同工況下間接段前后空氣溫度變化

2.2.2淋水填料段性能測(cè)試

圖5顯示了淋水填料段后空氣干濕球溫度及間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組供回水溫度的變化。從圖5可以看出，相對(duì)于間接段，空氣干球溫度、露點(diǎn)溫度，空氣濕球溫度變化對(duì)淋水填料段出水溫度的影響較大，各工況中機(jī)組出水溫度與淋水填料段后空氣濕球溫度之差較為穩(wěn)定，均在±0.5 ℃之間，這表明淋水填料段后空氣濕球溫度是影響機(jī)組出水溫度的關(guān)鍵因素。通過(guò)式(2)計(jì)算得淋水填料段水側(cè)效率變化值均穩(wěn)定在±5%之間。

2.2.3氣象條件對(duì)機(jī)組性能的影響

表1～3給出了5種工況下實(shí)測(cè)得到的機(jī)組性能，分別為各工況下環(huán)境空氣參數(shù)實(shí)測(cè)平均值、間接段后空氣參數(shù)實(shí)測(cè)值及機(jī)組性能參數(shù)實(shí)測(cè)值。從表3可以看出，對(duì)于工況2～5，間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組出水溫度均低于環(huán)境濕球溫度，達(dá)到亞濕球溫度的水平，而工況1由于間接段亞濕球效率過(guò)低，出水溫度略高于環(huán)境濕球溫度。從表1～3可以看出，工況1～5環(huán)境空氣濕球溫度平均值逐漸增大，對(duì)應(yīng)間接段亞濕球效率也逐漸升高，而淋水填料段水側(cè)效率維持在60%左右。由此表明，室外環(huán)境影響間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組出水溫度的過(guò)程主要是體現(xiàn)在間接段降低環(huán)境空氣濕球溫度性能上。

圖5 不同工況下淋水填料段空氣與水溫度變化

表1 環(huán)境空氣參數(shù)實(shí)測(cè)平均值

表2 間接段后空氣參數(shù)實(shí)測(cè)值

表3 機(jī)組性能參數(shù)實(shí)測(cè)值

2.3 系統(tǒng)性能測(cè)試

2.3.1夏季運(yùn)行測(cè)試

我國(guó)西北地區(qū)夏季晝夜溫差較大，在夏季全天運(yùn)行中蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)性能是否穩(wěn)定，特別是在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域能否保證冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作，是系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行中值得關(guān)注的問(wèn)題。

圖6顯示了2018年8月10日間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組出水溫度隨環(huán)境參數(shù)的變化，從圖中可以看出：環(huán)境干球溫度的變化范圍為24.0～33.1 ℃；環(huán)境濕球溫度的變化范圍為15.5～19.3 ℃；機(jī)組出水溫度范圍為13.1～16.9 ℃。由此可以得出，盡管全天環(huán)境參數(shù)變化范圍較大，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組出水溫度波動(dòng)幅度依然能穩(wěn)定在±2 ℃以內(nèi)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，白天環(huán)境空氣干空氣能品質(zhì)較好，機(jī)組出水溫度會(huì)低于環(huán)境濕球溫度；夜晚環(huán)境空氣干空氣能品質(zhì)較差，出水溫度可能會(huì)高于環(huán)境濕球溫度。

圖6 間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組出水溫度隨環(huán)境參數(shù)的變化

圖7顯示了2018年8月10日蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化，從圖中可以看出,二次水系統(tǒng)進(jìn)出水溫度與一次水系統(tǒng)進(jìn)出水溫度的變化規(guī)律一致，一次水系統(tǒng)進(jìn)出水平均溫差為5.9 ℃，二次水系統(tǒng)進(jìn)出水平均溫差為5.5 ℃，換熱溫差(即一次水進(jìn)水溫度與二次水出水溫度之差)平均值為1.3 ℃。由此可見(jiàn)，晝夜間環(huán)境參數(shù)的變化對(duì)水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的出水溫度穩(wěn)定性影響不大。

圖7 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化

2.3.2冬季運(yùn)行測(cè)試

乙二醇自然冷卻運(yùn)行模式中，乙二醇干冷器與機(jī)房末端空調(diào)直接連接，水系統(tǒng)中只有乙二醇溶液。筆者以機(jī)房末端空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度16 ℃為基準(zhǔn)，對(duì)3月28日和3月29日的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。如圖8所示，室外環(huán)境干球溫度在5 ℃以下時(shí)，乙二醇干冷器可以保證16 ℃以下的出水溫度。

圖8 乙二醇自然冷卻系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

3 系統(tǒng)適用性分析

3.1 運(yùn)行模式切換條件

水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心全年運(yùn)行有3種主要模式，如表4所示。不同運(yùn)行模式對(duì)自然冷卻的利用程度不同，在運(yùn)行能耗上有很大差異。因此，根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，以系統(tǒng)供水溫度16 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式切換條件，并在焓濕圖上分3個(gè)區(qū)域A、B、C對(duì)應(yīng)3種主要運(yùn)行模式的適用條件，結(jié)果如圖9所示。

表4 系統(tǒng)運(yùn)行模式切換條件

圖9 數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)主要運(yùn)行模式焓濕圖

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行能耗

表5給出了新疆某數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行過(guò)程中主要耗能設(shè)備的參數(shù)，根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)的不同，系統(tǒng)在不同季節(jié)里有著不同的運(yùn)行能耗，主要體現(xiàn)在蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組設(shè)備功率的變化。就蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組COP而言，冬季測(cè)試工況下機(jī)組COP可達(dá)28.8，春夏秋季測(cè)試工況下機(jī)組COP為12.1，優(yōu)于數(shù)據(jù)中心常用高效冷水機(jī)組[12]。不同運(yùn)行模式下水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略和能效比對(duì)比如表6所示，可以看出，系統(tǒng)在冬季運(yùn)行乙二醇自然冷卻能效比為14.8，即使系統(tǒng)在夏季運(yùn)行能效比也可達(dá)7.3。其中，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組十二用四備；一次、二次水泵并聯(lián)運(yùn)行，一次水系統(tǒng)循環(huán)泵兩用一備，二次水系統(tǒng)循環(huán)泵兩用一備；二次水系統(tǒng)冷卻介質(zhì)為45%的乙二醇溶液。

表5 數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

表6 不同運(yùn)行模式下系統(tǒng)運(yùn)行策略和能效比

3.3 系統(tǒng)不同地區(qū)的適用性

在機(jī)房環(huán)境溫濕度允許的情況下，系統(tǒng)供水溫度越高，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組作為高溫冷源的適用性越強(qiáng)。研究表明，水側(cè)蒸發(fā)冷卻供水溫度在16～19 ℃可以滿足數(shù)據(jù)中心的供冷要求[6]。筆者利用相關(guān)氣象數(shù)據(jù)集，分別對(duì)系統(tǒng)3種運(yùn)行模式的適用小時(shí)數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[13]。如圖10所示，系統(tǒng)供水溫度每升高1 ℃，全年平均增加10 d的自然冷卻運(yùn)行時(shí)間。圖11顯示了各地區(qū)水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在供水溫度變化時(shí)系統(tǒng)能效的變化，以北京為例，當(dāng)系統(tǒng)供水溫度從16 ℃提升至19 ℃時(shí)，冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行能效比增大9.12%。

圖10 數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻不同供水溫度下3種運(yùn)行模式的時(shí)間分布

圖11 數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻不同供水溫度下冷源系統(tǒng)能效比

4 結(jié)論

1) 蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組間接段后濕球溫度是影響機(jī)組出水溫度的關(guān)鍵因素，間接段亞濕球效率反映間接段降低環(huán)境空氣濕球溫度的能力，在5種實(shí)測(cè)工況下間接段亞濕球效率在26%～54%之間，淋水填料段水側(cè)效率為60%左右。

2) 蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組冬季測(cè)試工況運(yùn)行COP為28.8，春夏秋季測(cè)試工況運(yùn)行COP為12.1。水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)冷源系統(tǒng)測(cè)試能效比冬季為14.8，春夏秋季為7.3。

3) 夏季典型日全天測(cè)試結(jié)果顯示，機(jī)組出水溫度在13.1～16.9 ℃之間，水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)供水溫度每提升1 ℃，全年平均增加10 d的自然冷卻時(shí)間，系統(tǒng)供水溫度從16 ℃提升至19 ℃時(shí)，冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行能效比增大9.12%。