數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻器二/一次風(fēng)量比的試驗研究

王 穎，黃 翔，寇 凡，靳如意

（1.西安工程大學(xué)，西安 710048；2.西安市建筑設(shè)計研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一項以“干空氣能”為制冷驅(qū)動勢，以水為制冷劑的節(jié)能、低碳、經(jīng)濟、健康的制冷空調(diào)技術(shù)［1］，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)由于其等濕冷卻的特性，受到廣大研究學(xué)者的青睞。

DUAN 等［2-3］對間接蒸發(fā)冷卻器二、一次空氣進口空氣流量、溫度、濕度等參數(shù)進行試驗測試，在不同條件下的測試結(jié)果表明，當(dāng)進氣速度從0.75 m/s 增加到2.83 m/s 時，由于空氣和水膜換熱時間的減少，其冷卻效率逐漸降低。張鴻等［4］在同風(fēng)量比的條件下，對板管式間接蒸發(fā)冷卻器和復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻器性能進行試驗分析，在風(fēng)量比1.1 時冷卻器換熱性能最佳，且后者換熱效率要遠高于前者。劉佳莉等［5］在干燥工況下對復(fù)合式露點間接蒸發(fā)冷卻器性能進行測試，結(jié)果表明：進風(fēng)量和淋水密度為換熱器性能的主要影響因素，當(dāng)該換熱器風(fēng)量比為0.7、淋水密度為0.4 m3/h 時，效率達到最高值。由玉文等［6］對高濕度地區(qū)間接蒸發(fā)冷卻換熱器能量回收效率進行研究，在多種工況下進行測試，得出風(fēng)量比為1.1 時，溫降可達11.8℃，濕球效率為65%，并根據(jù)測試結(jié)果建立間接蒸發(fā)冷卻的運行分區(qū)模型。李晗剛等［7］采用調(diào)節(jié)新風(fēng)與回風(fēng)的風(fēng)量來測試機組性能，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)分別調(diào)節(jié)回風(fēng)量和新風(fēng)量使風(fēng)量比從0.8 遞減到0.4 時，采用調(diào)節(jié)回風(fēng)量的方式機組出風(fēng)溫度更低。LEE 等［8］控制總新風(fēng)量不變的情況下，逐漸增大回風(fēng)中的新風(fēng)比例，分析對換熱器性能的影響，試驗表明回風(fēng)中的新風(fēng)與總風(fēng)量的比值為0.3 時，機組的濕球效率達到峰值。Climate Wizard 型露點間接蒸發(fā)冷卻器［9］，當(dāng)出風(fēng)溫度接近傳統(tǒng)機械制冷空調(diào)時，二次空氣與一次空氣的比值為0.8 左右。于凱等［10］針對蘭州的室外氣象條件，對管式間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣風(fēng)量比進行試驗研究，在淋水密度保持不變時，風(fēng)量比與間接蒸發(fā)冷卻器的效率成正比，但超過峰值點0.7 時，將會額外增加設(shè)備的能耗。吳生等［11］分別在干燥地區(qū)、中等濕度地區(qū)對間接-直接兩級蒸發(fā)冷卻器空調(diào)機組進行性能測試，得出干燥地區(qū)風(fēng)量比應(yīng)取1.0，中等濕度地區(qū)由于干空氣能稀薄，風(fēng)量比應(yīng)增大為2.0。褚俊杰等［12］在不同濕球溫度條件下對逆流式露點間接蒸發(fā)冷卻器進行試驗研究，在風(fēng)量比為1.1 時露點蒸發(fā)冷卻器濕球效率為105%，當(dāng)風(fēng)量比增加到2 時，濕球效率增長20%左右。

但目前針對間接蒸發(fā)冷卻器在數(shù)據(jù)中心的使用還未成熟，還存在諸多亟待解決的問題，如氣流形式明顯區(qū)別于民用間接蒸發(fā)冷卻器，在各種環(huán)境工況下二/一次風(fēng)量配比與換熱效率的關(guān)系等問題。本文針對一種數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻器，在多種工況條件下，測試分析了該冷卻器干、濕運行工況下，其二/一次風(fēng)量比對換熱效率、溫降幅度等參數(shù)的影響。

1 數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用濕通道內(nèi)不飽和狀態(tài)的空氣與水接觸時的汽化潛熱，帶走干通道內(nèi)空氣的熱量如圖1 所示。間接蒸發(fā)冷卻器在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時，不同于民用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)一、二次空氣均來源于室外的形式，其一次空氣為機房回風(fēng)，二次空氣來自室外新風(fēng)如圖2 所示。一次空氣與二次空氣不發(fā)生直接接觸，通過換熱器間壁換熱。一次空氣為內(nèi)循環(huán)式，從機房中來冷卻后到機房中去。二次空氣使用室外新風(fēng)，吸熱后又排到室外，為外循環(huán)形式［13］。有效保證了機房送風(fēng)的潔凈度，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域存在巨大的發(fā)展空間。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻器換熱原理示意Fig.1 Schematic diagram of heat transfer principle of indirect evaporative cooler

圖2 數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻二、一次空氣循環(huán)方式Fig.2 Secondary and primary air circulation mode for indirect evaporative cooling of data center

1.2 數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻運行模式

1.2.1 干工況

當(dāng)冬季或過渡季節(jié)室外溫度較低時，直接室外新風(fēng)直接作為二次空氣與機房回風(fēng)進行顯熱交換即可滿足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)要求，無需開啟噴淋裝置對濕通道進行布水，間接蒸發(fā)冷卻器充當(dāng)空-空換熱器。其熱濕交換過程如圖3 所示，圖中N為室內(nèi)空氣狀態(tài)點，W 為室外空氣狀態(tài)點，O 為送風(fēng)狀態(tài)點。

圖3 干工況下間接蒸發(fā)冷卻器一、二次空氣處理過程焓濕Fig.3 Enthalpy and humidity diagrams of the primary and secondary air treatment processes of the indirect evaporative cooler under dry conditions

1.2.2 濕工況

當(dāng)外界溫度較高時，通過干式換熱不能滿足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)要求時，開啟噴淋裝置進行間接蒸發(fā)冷卻濕式換熱。數(shù)據(jù)機房的循環(huán)空氣流通過換熱芯體的干通道被等濕冷卻；外界環(huán)境空氣流通過換熱芯體的濕通道，與換熱表面的水膜發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻的換熱過程，帶走機房熱量，其熱濕交換過程如圖4 所示。

圖4 濕工況下間接蒸發(fā)冷卻器一、二次空氣處理過程焓濕Fig.4 Enthalpy and humidity diagrams of the primary and secondary air treatment processes of the indirect evaporative cooler under wet conditions

1.3 性能評價指標(biāo)

間接蒸發(fā)冷卻器干模式下的換熱效率η計算式見式（1），間接蒸發(fā)冷卻器濕模式下的換熱效率ηwb計算式見式（2）［14］。

式中 tdb1——一次空氣進風(fēng)干球溫度，℃；

tdb2——一次空氣出風(fēng)干球溫度，℃；

tdb1'——二次空氣進風(fēng)干球溫度，℃；

twb1——二次空氣進風(fēng)濕球溫度，℃。

2 試驗系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范

根據(jù)T/DZJN 10-2020《數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)規(guī)范》［15］，數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)區(qū)域劃分和間接蒸發(fā)冷卻換熱效率推薦值見表1。

表1 不同區(qū)域間接蒸發(fā)冷卻效率推薦Tab.1 Recommended evaporative cooling efficiencies in different areas

2.2 試驗參數(shù)的確定

根據(jù)GB 50736—2012［16］中規(guī)定的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干濕球溫度，分別取烏魯木齊市、西安市、南京市對應(yīng)數(shù)據(jù)中心區(qū)域劃分中的3 種典型工況，試驗?zāi)M環(huán)境工況見表2，焓差試驗室內(nèi)模擬工況誤差為±0.5 ℃。室外空氣干球溫度低于16 ℃時，機組運行干模式，大于16 ℃時，機組運行濕模式。

表2 焓差試驗室內(nèi)的模擬工況Tab.2 Simulation conditions of enthalpy difference laboratory

2.3 試驗臺

數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻試驗臺如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻試驗臺Fig.5 Plate-fin indirect evaporative cooling test bed for data center

機組主要包括送風(fēng)段、板翅式間接蒸發(fā)冷卻段、排風(fēng)段。一次空氣模擬數(shù)據(jù)中心回風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，二次空氣模擬室外新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)。

該試驗的一次風(fēng)機和二次風(fēng)機額定風(fēng)量為5 000 m3/h，風(fēng)機配有變頻器，設(shè)置有10 個檔位，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)量的大小，進風(fēng)口有效截面積為0.24 m2，風(fēng)機運轉(zhuǎn)時對變頻器各檔位風(fēng)速進行測量計算其對應(yīng)風(fēng)量，一次風(fēng)機各檔位與風(fēng)量之間的對應(yīng)關(guān)系見表3。噴淋裝置采用上部移動式間歇性布水和下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水。

表3 一、二次風(fēng)機風(fēng)量與變頻器檔位對應(yīng)Tab.3 The corresponding table of the air volume of primary and secondary fans and the tap position of frequency converter

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 干模式效率

試驗開始時首先關(guān)閉布水裝置，控制進口平均干球溫度35.48 ℃的一次空氣風(fēng)量保持在1 500 m3/h，通過變頻器調(diào)節(jié)改變二次風(fēng)量，使二次風(fēng)量從1 200 m3/h 遞增至2 700 m3/h，每次遞增值為150 m3/h，完成對二/一次風(fēng)量比0.8～1.8 范圍內(nèi)的試驗測試。

圖6 示出在3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器干模式運行時，其換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。

圖6 干模式換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.6 Variation of dry mode heat transfer efficiency with secondary/primary air volume ratio

由圖6 可知，機組風(fēng)量比從0.8 逐漸增至1.8的過程中，冷卻器換熱效率提升明顯，3 種工況的的最佳換熱效率為59.6%，55.4%，54.2%。風(fēng)量比在1.5 之后熱交換效率基本趨于穩(wěn)定，說明冷卻器的二/一次風(fēng)量比并不是越大越好，而最佳風(fēng)量比的確定也不一定是設(shè)備熱交換效率最高的狀態(tài)點，要綜合考慮由于二次空氣流量增大引起的風(fēng)機能耗問題。

3.2 干模式進出風(fēng)溫降

圖7 示出在3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器干模式運行時，其一次空氣進出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。由圖7 可知，隨著二次風(fēng)的比值增大，機組溫降增大，風(fēng)量比增至1.5 之后趨于穩(wěn)定。機組的溫降隨二次空氣進口干球溫度的降低而降低，在進風(fēng)口溫度9.3 ℃時，機組溫降最大可達15.67 ℃。

圖7 干模式一次空氣進出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.7 Variation of primary air inlet and outlet temperature drop with secondary/primary air volume ratio in dry mode

由圖6，7 可知，3 種工況下機組在風(fēng)量比為1.5 時換熱效率已基本達到峰值，繼續(xù)增加風(fēng)量比不但不會提高熱交換效率，反而由于二次風(fēng)量的增大，增加二次風(fēng)機的能耗。因此該換熱器干模式下最佳二/一次風(fēng)量比為1.5。

3.3 濕模式下最佳淋水工況

在進行濕工況下風(fēng)量比的試驗測試之前，對該試驗臺的最佳淋水工況進行確定。噴淋裝置采用上部移動式間歇性布水和下部連續(xù)性噴淋布水，間歇性淋水的間隔時間通過調(diào)節(jié)旋鈕控制，各檔位下噴淋6 s 后對應(yīng)的淋水間隔時間見表4。

表4 各檔位對應(yīng)淋水間隔時間Tab.4 The corresponding gear to water spray time interval

在西安工況下，保持二/一次風(fēng)量比為1.2，調(diào)節(jié)旋鈕使間接蒸發(fā)冷卻芯體分別在不同淋水間隔時間下運行，同時設(shè)置下部連續(xù)性布水進行試驗對比，通過對芯體熱交換效率的比對，確定最佳的淋水間隔時間。圖8 示出不同淋水間隔下板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的性能參數(shù)，2 種方式耗水量的對比見表5。

圖8 不同淋水間隔下間接蒸發(fā)冷卻器的性能曲線Fig.8 The performance curve of the indirect evaporative cooler under different water spray interval

由圖8 可知，上部移動式布水器在間隔時間為175 s 時效率最低（48.45%），3 s 時效率最高（62.36%），當(dāng)淋水間隔時間逐漸縮短時，芯體的熱交換效率明顯提高，淋水間隔時間為10 s 時，間接蒸發(fā)冷卻換熱效率可達61.48%，略低于對比試驗中下部連續(xù)性布水的換熱效率66.32%，但通過表5 可以發(fā)現(xiàn)，上部移動式布水方式，大大縮減了噴嘴的數(shù)量，相較于下部連續(xù)性布水方式每小時可以節(jié)約70 L 的淋水量，既不會大幅降低設(shè)備的換熱效率，又能節(jié)約水量，因此本次試驗中采用淋水間隔時間10 s 為經(jīng)濟淋水工況。

表5 2 種布水方式耗水量對比Tab.5 Comparison of water consumption of two water distribution ways

3.4 濕模式效率

在相同試驗工況下開啟噴淋裝置，對機組濕模式運行條件下的最佳二/一次風(fēng)量比進行測定。保持一次風(fēng)量為1 500 m3/h，以每次150 m3/h 的調(diào)節(jié)布長增加二次風(fēng)量，使二次風(fēng)量從1 050 m3/h遞增至2 400 m3/h，完成對二/一次風(fēng)量比在0.7～1.6 范圍內(nèi)的試驗測試。

圖9 示出3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式運行時，其換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。

圖9 濕模式換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.9 Variation of wet mode heat transfer efficiency with secondary/primary air volume ratio

隨著二/一次風(fēng)量比的逐漸增大，3 種工況下，一次空氣的出風(fēng)的溫度逐漸降低，濕模式下?lián)Q熱效率顯著提高。烏魯木齊工況下，風(fēng)量比為1.4 時，冷卻效率趨于穩(wěn)定可達68.42%，一次空氣出口溫度為23.61 ℃。西安工況下，風(fēng)量比為1.4時，冷卻效率達到66.35%，一次空氣出口溫度為28.95 ℃。南京工況下，風(fēng)量比為1.5 時，冷卻效率穩(wěn)定在65.28%，一次空氣出口溫度為30.51 ℃。

從圖7 和9 可以看出，濕模式下間接蒸發(fā)冷卻器的最佳風(fēng)量比小于干模式，主要由于干模式下?lián)Q熱的驅(qū)動勢為一、二次空氣的干球溫差，而濕模式下的驅(qū)動勢為一次空氣干球溫度與二次空氣的濕球溫度之差，相比于干模式更具制冷潛力。故相同的二次空氣流量下，濕模式下能將一次空氣處理到更低的溫度，因此將一次空氣處理到相同溫度點時，濕模式下所需要的二次風(fēng)量就越小。此外在濕模式下隨著其溫降驅(qū)動勢的減小，最佳二/一次風(fēng)量比有所增大。

3.5 濕模式進出風(fēng)溫降

圖10 示出在3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式運行時，其一次空氣進出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。由圖10 可知，隨著二/一次風(fēng)量比的增大，機組溫降增大。二次空氣進口濕球溫度的越低，其降溫幅度越明顯。在烏魯木齊工況下，冷卻器的溫降均保持較高的水平，最佳工況下溫降可達11.94 ℃。南京工況下，溫降僅為5.04 ℃。

圖10 濕模式一次空氣進出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.10 Variation of primary air inlet and outlet temperature drop with secondary/primary air volume ratio in wet mode

4 結(jié)論

（1）在3 種不同工況下運行板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的干模式，機組風(fēng)量比從0.8 逐漸增至1.8的過程中，冷卻器換熱效率提升明顯，3 種不同進口干球溫度下的最佳換熱效率分別為59.6%，55.4%，54.2%，干模式下該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳二/一次風(fēng)量比為1.5。

（2）板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式運行時，隨著二/一次風(fēng)量比的逐漸增大，一次空氣的出風(fēng)的溫度逐漸降低，換熱效率顯著提高。在烏魯木齊、西安、南京工況下的最佳二/一次風(fēng)量比分別為1.4，1.4，1.5，換熱效率可達68.42%，66.35%，65.28%。

（3）由于干濕模式下?lián)Q熱驅(qū)動勢的差異，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式下的最佳風(fēng)量比小于干模式，且隨著濕模式下二次空氣進口濕球溫度的提升，其最佳二/一次風(fēng)量比有所增大。

（4）板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的二/一次風(fēng)量比并不是越大越好，最佳風(fēng)量比的確定也不一定是設(shè)備熱交換效率最高的狀態(tài)點，要綜合考慮由于二次空氣流量增大引起的風(fēng)機能耗問題。