數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組二/一次風(fēng)量比

黃 翔,傅耀瑋，寇 凡

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著“新基建”以及“東數(shù)西算”的提出和實(shí)施，數(shù)據(jù)中心的需求量和建設(shè)力度都有了爆炸式提高，相繼帶來的巨大能耗問題也受到廣泛關(guān)注，建設(shè)綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心已是形勢所迫[1]。隨著蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展，其在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用也越來越廣泛，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢在于節(jié)能環(huán)保，降溫效果好，降低了機(jī)械制冷壓縮機(jī)的開啟時(shí)間，運(yùn)行成本較低[2-4]。

研究發(fā)現(xiàn)，受諸多因素的影響，間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的運(yùn)行性能出現(xiàn)一定的變化，其中受室外空氣氣象參數(shù)和風(fēng)量比的影響較大[5-7]。如果工作在最優(yōu)的風(fēng)量比下，則有助于改善換熱效率，減少二次風(fēng)機(jī)功耗，而且對于控制數(shù)據(jù)中心電源使用效率值(power usage effectiveness，PUE)具有積極作用。通常情況下，風(fēng)量比與間接蒸發(fā)冷卻器的效率成正比[8-10]。隨著風(fēng)量比的增大，蒸發(fā)效率會在某一風(fēng)量比值下達(dá)到峰值，隨后不再增大或略有降低，因此最佳風(fēng)量比為一個(gè)區(qū)間[11-13]。不同機(jī)組因采用的芯體材料和應(yīng)用場景不同，其最佳風(fēng)量比區(qū)間也有所不同[14-17]，而同一機(jī)組在不同氣候地區(qū)運(yùn)行，其最佳的風(fēng)量比區(qū)間也有所不同[18-20]。

針對最佳風(fēng)量比區(qū)間的研究不僅可以減小二次風(fēng)機(jī)導(dǎo)致的能量損耗，而且可以保證間接蒸發(fā)冷卻器的效率。但目前的研究大多只是涉及到基本的應(yīng)用形式[21-23]，即一、二次空氣都采用室外新風(fēng)。如果數(shù)據(jù)中心中采用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，需要利用室外的低溫空氣對來自機(jī)房內(nèi)的高溫回風(fēng)進(jìn)行冷卻，因此在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場景下，間接蒸發(fā)冷卻的一、二次空氣分別采用室內(nèi)回風(fēng)和室外新風(fēng)。目前，對數(shù)據(jù)中心兩股空氣來源不同情況下的風(fēng)量比規(guī)律的研究較少，大多是面向夏季運(yùn)行條件。對于數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻器而言，則需要在各個(gè)季節(jié)保持正常的工作，從而滿足對于數(shù)據(jù)中心溫度等環(huán)境參數(shù)控制的要求，所以在研究風(fēng)量比時(shí)必須將外部氣候變化的影響考慮在內(nèi)。為了使間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在數(shù)據(jù)中心全年保持高效、節(jié)能的運(yùn)行，本文對數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行二/一次風(fēng)量比的分析。

1 測試內(nèi)容及機(jī)組介紹

1.1 測試概況

測試對象為針對數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)研發(fā)的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，測試樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖 1 測試樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test prototype structure

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)在雙焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展，實(shí)驗(yàn)室劃分為室內(nèi)、室外環(huán)境間2部分。二者用于模擬不同的工況，其中室外環(huán)境間可對不同地區(qū)不同季節(jié)的天氣情況進(jìn)行模擬，室內(nèi)環(huán)境間可以模擬數(shù)據(jù)中心機(jī)房工況，實(shí)驗(yàn)室整體隔熱效果良好，對機(jī)組性能測試結(jié)果基本無影響，能夠保證研究結(jié)果的可靠性。

測試時(shí)間為2021年6月18日—7月1日。設(shè)定數(shù)據(jù)中心一次側(cè)回風(fēng)干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，二次側(cè)空氣狀態(tài)參數(shù)結(jié)合具體的項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置。

測試信息：①干工況下二/一次空氣的最佳風(fēng)量比；②濕工況下二/一次空氣的最佳風(fēng)量比；③不同風(fēng)量比下機(jī)組溫降、機(jī)組整體換熱效率；④不同氣候地區(qū)相同運(yùn)行模式下二/一次空氣的最佳風(fēng)量比。

1.2 機(jī)組運(yùn)行原理

機(jī)組各功能段由整體外殼包裹，由間接蒸發(fā)冷卻段、蒸發(fā)冷凝段、直膨段等主要功能段組成。在間接蒸發(fā)冷卻和機(jī)械制冷結(jié)合的空調(diào)機(jī)組基礎(chǔ)上將傳統(tǒng)風(fēng)冷式冷凝器改為蒸發(fā)式冷凝器。其中在空氣側(cè)數(shù)據(jù)中心回風(fēng)通過間接蒸發(fā)冷卻換熱器(干通道)。室外空氣通過間接蒸發(fā)冷卻換熱器(濕通道)。在冷凝側(cè)采用蒸發(fā)式冷凝器，室外空氣經(jīng)過蒸發(fā)式冷凝器，基于空氣、噴淋水實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻，然后對盤管中的制冷劑降溫，通過水的氣化潛熱實(shí)現(xiàn)散熱。

機(jī)組以蒸發(fā)冷卻為主，機(jī)械制冷輔助供冷，將間接蒸發(fā)冷卻、蒸發(fā)冷凝、機(jī)械制冷等3種技術(shù)緊密結(jié)合，根據(jù)不同工況，3種技術(shù)切換配合運(yùn)行。同時(shí)，間接段在運(yùn)行時(shí)有干模式、濕模式和混合模式等3種運(yùn)行模式?；谑彝庑嘛L(fēng)溫濕度采用的模式，在溫濕度檢測中需要利用溫濕度檢測裝置，置于二次空氣進(jìn)風(fēng)口位置，根據(jù)檢測結(jié)果設(shè)置對應(yīng)的模式。

2 測試結(jié)果與討論

為了探究高效性與節(jié)能性的最佳風(fēng)量比值，在測試中，設(shè)置間接蒸發(fā)冷卻器的風(fēng)量比，在機(jī)組運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定工況之后對各個(gè)口的溫度進(jìn)行監(jiān)測，記錄測量的結(jié)果。然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對間接蒸發(fā)冷卻器出風(fēng)溫度、熱交換效率與風(fēng)量比之間的關(guān)系做進(jìn)一步研究。

2.1 干工況最佳風(fēng)量比

在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)置一次側(cè)回風(fēng)干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，機(jī)組在干模式運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)室外空氣干/濕球溫度設(shè)置為16 ℃/11 ℃。然后對風(fēng)量進(jìn)行設(shè)置，通過逐步提高二次風(fēng)量，每次增幅保持在500 m3/h上下，而一次側(cè)回風(fēng)量設(shè)為3 500 m3/h，且保持不變，使得二/一次風(fēng)量比處于0.96～2.42之間。干模式下不同二/一次風(fēng)量比蒸發(fā)效率的關(guān)系如圖2所示。

圖 2 干模式下風(fēng)量比與蒸發(fā)效率的關(guān)系Fig.2 Relationship between air volume ratio and evaporation efficiency in dry mode

從圖2可以看出，在一定范圍內(nèi)蒸發(fā)效率隨著風(fēng)量比的變化而改變。當(dāng)二/一次風(fēng)量比達(dá)到水平之后繼續(xù)增大，即風(fēng)量比高于2.1時(shí)，蒸發(fā)效率并不會繼續(xù)提高；另外，在確定最佳風(fēng)量比時(shí)還需要考慮到風(fēng)機(jī)功耗等問題，而不只是參考蒸發(fā)效率，因此風(fēng)量比并非越高越好。

結(jié)合圖2數(shù)據(jù)分析可知，風(fēng)量比達(dá)到2.1左右時(shí)，蒸發(fā)效率達(dá)到最高，即69.78%。此后繼續(xù)提高風(fēng)量比，蒸發(fā)效率基本穩(wěn)定不再提高，但是提高了二次風(fēng)機(jī)功耗。干模式下不同二/一次風(fēng)量比與送風(fēng)溫度如圖3所示。

圖 3 干模式下風(fēng)量比與送風(fēng)溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between air volume ratio and supply air temperature in dry mode

從圖3可以看出，風(fēng)量比提高時(shí)一次出風(fēng)溫度基本固定在19.16 ℃左右，雖然略有波動，但是幅度總體較小。因此在干工況下， 最優(yōu)風(fēng)量比為2.1，此時(shí)可以同時(shí)滿足蒸發(fā)效率的要求。

2.2 濕工況最佳風(fēng)量比

針對濕工況最佳風(fēng)量比進(jìn)行模擬和測試。設(shè)置一次側(cè)回風(fēng)干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃；二次側(cè)室外空氣干/濕球溫度有2種工況：第一種工況為與干模式測試時(shí)相同的16 ℃/11 ℃，而間接蒸發(fā)冷卻通常在中高濕度地區(qū)需要開啟噴淋布水，因此濕模式測試的第二種工況設(shè)置溫度為33.6 ℃/26.3 ℃，機(jī)組采用連續(xù)不間斷的布水方式。

1) 二次側(cè)干濕球溫度16 ℃/11 ℃。在測試過程中設(shè)置二次風(fēng)量逐步增大，增幅約500 m3/h，一次側(cè)回風(fēng)量始終不變，即3 500 m3/h。風(fēng)量比處于0.9～2.42之間。濕模式下隨著二/一次風(fēng)量比的提高蒸發(fā)效率、送風(fēng)溫度結(jié)果如圖4～5所示。

圖 4 濕模式下風(fēng)量比與蒸發(fā)效率的關(guān)系Fig.4 Relationship between air volume ratio and evaporation efficiency in wet mode

圖 5 濕模式下風(fēng)量比與送風(fēng)溫度的關(guān)系Fig.5 The relationship between air volume ratio and supply air temperature in wet mode

從圖4～5可以看出，在焓差實(shí)驗(yàn)室中一次側(cè)進(jìn)口空氣參數(shù)穩(wěn)定的情況下，隨著二/一次風(fēng)量比的逐漸增大，一次空氣送風(fēng)溫度持續(xù)減小，蒸發(fā)效率也呈明顯的變化趨勢。隨著風(fēng)量比的增大，二次風(fēng)量越大，將會帶走更多的熱量，所以和一次空氣的換熱量同樣保持了增長的趨勢。在一定范圍內(nèi)，蒸發(fā)效率和一次空氣送風(fēng)溫度之間呈負(fù)相關(guān)，但是蒸發(fā)效率在達(dá)到73.5%時(shí)基本不再提高，因此在該工況下，濕模式運(yùn)行的最佳風(fēng)量比為1.9。對應(yīng)的送風(fēng)溫度保持在18.15 ℃上下。在風(fēng)量比持續(xù)提高的情況下，一次空氣出風(fēng)溫度始終保持在18.15 ℃上下，盡管存在一定的波動變化，但是總體幅度較小。

在相同工況下，對干模式與濕模式的測試結(jié)果進(jìn)行對比，不同二/一次風(fēng)量比在相同工況下干、濕模式蒸發(fā)效率、溫降對比結(jié)果如圖6～7所示。

圖 6 風(fēng)量比在不同模式下的蒸發(fā)效率對比Fig.6 Evaporation efficiency comparison of air volume ratio in different modes

圖 7 風(fēng)量比在不同模式下的溫降對比Fig.7 Comparison of temperature drop of air volume ratio under different modes

從圖6～7可以看出，相同的二次側(cè)工況運(yùn)行時(shí)，濕模式下間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的最佳風(fēng)量比小于干模式。發(fā)現(xiàn)2種模式下?lián)Q熱的驅(qū)動力不同，干模式是一、二次空氣干球溫差，濕模式是一次干球、二次濕球溫差，所以在二次空氣流量一致時(shí)，通過濕模式使得一次空氣可以達(dá)到更小的溫度。在2種模式下需要將一次空氣保持在特定溫度點(diǎn)時(shí)所要求的二次風(fēng)量也明顯不同，相對于干模式，濕模式要求的二次風(fēng)量更低。

2) 二次側(cè)干濕球溫度33.6 ℃/26.3 ℃。在測試過程中設(shè)置二次風(fēng)量逐步增大，增幅約500 m3/h，一次側(cè)回風(fēng)量始終不變，即3 500 m3/h。風(fēng)量比處于0.88～2.31之間。中濕度地區(qū)不同二/一次風(fēng)量比與蒸發(fā)效率和送風(fēng)溫度測試結(jié)果如圖8所示。

圖 8 中濕度地區(qū)風(fēng)量比與蒸發(fā)效率和 送風(fēng)溫度的關(guān)系Fig.8 The relationship between air volume ratio and evaporation efficiency and supply air temperature in medium humidity area

從圖8可以看出，對于濕模式而言，當(dāng)二次側(cè)空氣參數(shù)模擬中濕度地區(qū)的氣象參數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)所反映的蒸發(fā)效率與在干燥地區(qū)測試的數(shù)據(jù)對比明顯偏低，且此時(shí)最佳風(fēng)量比值也比干燥地區(qū)測試所得的最佳風(fēng)量比數(shù)值大；當(dāng)濕模式的最佳風(fēng)量比為2時(shí)，蒸發(fā)效率為56.76%,送風(fēng)溫度達(dá)到22.67 ℃。因?yàn)樵谥械葷穸鹊貐^(qū)，室外側(cè)二次空氣的濕球溫度相較于干燥地區(qū)有明顯提高，此時(shí)一次空氣干球溫度與二次空氣的濕球溫度之差縮小，因此機(jī)組在中等濕度地區(qū)運(yùn)行時(shí)的蒸發(fā)效率比在干燥地區(qū)運(yùn)行的蒸發(fā)效率明顯降低；同時(shí)由于蒸發(fā)效率的降低，處理相同風(fēng)量的一次空氣需要更多的二次空氣，所以同為在濕模式下運(yùn)行，但在中等濕度地區(qū)運(yùn)行的最佳二/一次風(fēng)量比的數(shù)值偏大。

3 結(jié) 論

1) 在相同室外工況下運(yùn)行時(shí)，濕模式的最佳風(fēng)量比小于干模式。在二次空氣流量保持固定時(shí)，濕模式使一次空氣的溫度更小，對一次空氣處理到特定的溫度點(diǎn)，濕模式的二次風(fēng)量更低。

2) 對于干燥工況而言，干模式和濕模式的最佳風(fēng)量比分別為2.1和1.9，對應(yīng)蒸發(fā)冷卻效率分別為69.78%和73.5%，在最佳風(fēng)量比下對應(yīng)的溫降分別達(dá)到19.16 ℃和18.15 ℃。

3) 在中濕度地區(qū)工況下，濕模式的最佳風(fēng)量比為2，在此風(fēng)量比下蒸發(fā)效率為56.76%，送風(fēng)溫度達(dá)到22.67 ℃。