數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組性能測試及適用性分析

陳 夢，黃 翔，金洋帆，武茁苗，陳紅衛(wèi)，王曉東，苗會(huì)成

（1.西安工程大學(xué)，西安 710048；2.歐伏電氣股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

隨著5G、云計(jì)算、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢［1］。但數(shù)據(jù)中心能耗巨大，一般是寫字樓耗電量的50倍，而制冷能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%［2］，隨著國家提出“30·60”雙碳目標(biāo)，如何最大限度地利用自然冷源［3］、降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗得到了廣泛關(guān)注。

近年來，A公司利用EPX聚合物［4-5］為數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)出板管噴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行時(shí)根據(jù)室外溫濕度變化切換運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)全年正常運(yùn)行。B公司研發(fā)了一款模塊化間接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組［6］，將熱交換器、機(jī)械制冷設(shè)備等其他部件集成至集裝箱內(nèi)部，最大限度的利用自然冷源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電能利用效率PUE＜1.25。C公司開發(fā)了用于數(shù)據(jù)中心的交叉流板翅式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)［7］，系統(tǒng)采用霧化噴淋的布水方式及高分子材料所制換熱芯體，內(nèi)置機(jī)械制冷補(bǔ)冷，可以實(shí)現(xiàn)多種工況運(yùn)行。

目前將蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷結(jié)合制取冷風(fēng)的技術(shù)［8］在數(shù)據(jù)中心冷卻領(lǐng)域已經(jīng)逐步得到了應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)了天然冷源與人工冷源優(yōu)勢互補(bǔ)，節(jié)能減排，綠色環(huán)保［9］。但針對數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的性能、運(yùn)行模式研究還不夠深入，因此本文針對數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的基本性能、3種運(yùn)行工況進(jìn)行了測試及分析，同時(shí)針對機(jī)組節(jié)電模式、節(jié)水模式的切換條件進(jìn)行了計(jì)算，就典型城市的全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行了分析。

1 數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組概況

1.1 基本參數(shù)

數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)組額定參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of indirect evaporative cooling air conditioning unit for data center

表1 數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組額定參數(shù)Tab.1 Rated parameters of indirect evaporative cooling air conditioning units for data center

1.2 運(yùn)行工況

數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組有3種運(yùn)行工況，分別如下：

（1）干工況：此種工況下室外新風(fēng)溫度低于數(shù)據(jù)中心機(jī)房回風(fēng)溫度，室外新風(fēng)經(jīng)由換熱器，將冷量傳遞至數(shù)據(jù)中心機(jī)房回風(fēng)側(cè)空氣，滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)要求；該工況在冬季以及春、秋季部分時(shí)段適用。

（2）濕工況：此種工況下室外新風(fēng)通過濕膜被加濕降溫冷卻，經(jīng)由換熱器，與數(shù)據(jù)中心機(jī)房回風(fēng)進(jìn)行冷熱量交換，滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)要求；該工況在春秋過渡季適用（視空氣濕度而定）。

（3）混合工況：此種工況下室外新風(fēng)通過濕膜被加濕冷卻，經(jīng)由換熱器，對數(shù)據(jù)機(jī)房回風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷降溫，同時(shí)補(bǔ)充部分機(jī)械制冷，使溫度進(jìn)一步降低，滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)要求；該工況在夏季適用（視空氣濕度而定）。

2 試驗(yàn)測試

間接蒸發(fā)冷卻性能測試平臺(tái)由測試間、環(huán)境模擬組空、IT負(fù)荷模擬組空、冷熱源系統(tǒng)、風(fēng)量測量模塊、電能測量模塊、主控制平臺(tái)組成，可以對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的性能進(jìn)行測試研究。測試平臺(tái)流程原理如圖2所示。

圖2 測試平臺(tái)流程原理Fig.2 Schematic diagram of test platform process flow

間接蒸發(fā)冷卻性能測試平臺(tái)主要測試傳感器見表2。

表2 性能測試平臺(tái)主要測試傳感器Tab.2 Main tests sensors used in the performance test platform

3 試驗(yàn)測試性能分析

3.1 測試概況

測試地點(diǎn)為北京，屬中等濕度地區(qū)，測試時(shí)間為2021年6月22日，晴天。

3.2 溫度測試

測試期間，溫度測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度測試結(jié)果Fig.3 Test results of temperature

圖3示出了間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組二次空氣、一次空氣溫度的變化情況，測試期間二次空氣入口干球溫度最高為33.4 ℃對應(yīng)時(shí)刻16：00、此時(shí)濕球溫度為20.5 ℃；一次空氣入口干球溫度最高為 38.4 ℃、最低為 37.7 ℃、平均為 38.0 ℃；

經(jīng)過機(jī)組處理，一次空氣出口干球溫度最高為 25.2 ℃、最低為24.8 ℃、平均為25.0 ℃，滿足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)參數(shù)要求；一次空氣溫降平均為12.9 ℃，最高為 13.3 ℃。

3.3 風(fēng)量測試

對于數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，當(dāng)一次風(fēng)量不變時(shí)，增加二次風(fēng)量可以強(qiáng)化與濕通道側(cè)水膜的換熱，進(jìn)而提高機(jī)組的冷卻性能，但二次風(fēng)量的增加對于機(jī)組冷卻性能的提高僅限于規(guī)定范圍內(nèi)?？刂贫物L(fēng)量，將二/一次風(fēng)量比保持在合理范圍內(nèi)，對數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行具有重要意義［10］。

測試期間，對一次風(fēng)量、二次風(fēng)量進(jìn)行多次調(diào)節(jié)，最終實(shí)際針對不同工況運(yùn)行測試期間，得到一次風(fēng)量為56 000 m3/h，二次風(fēng)量分別為60 000，56 000 m3/h，二/一次風(fēng)量比近似分別為1.1，1.0。

3.4 功率、制冷量測試

測試期間，對機(jī)組總功率、制冷量進(jìn)行了測試，同時(shí)得出機(jī)組COP。6月22日測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 功率、制冷量測試結(jié)果Fig.4 Test results of power and cooling capacity

圖4示出了間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組總功率、制冷量及COP隨二次空氣入口干球溫度的變化情況。測試期間機(jī)組在滿足數(shù)據(jù)中心室內(nèi)一次空氣送回風(fēng)溫濕度參數(shù)要求的前提下，機(jī)組制冷量平均值均為220 kW。

機(jī)組二次空氣入口干球溫度最高為33.4 ℃對應(yīng)時(shí)刻16：00，此時(shí)機(jī)組總功率為56 kW、制冷量為229 kW、COP為4.07；二次空氣入口干球溫度最低為31.6 ℃對應(yīng)時(shí)刻14：00，此時(shí)機(jī)組總功率為54 kW、制冷量為221 kW、COP為4.07；機(jī)組總功率平均值為55 kW、COP平均值為4.06。

3.5 不同工況運(yùn)行測試

通過對室內(nèi)外溫濕度參數(shù)進(jìn)行模擬作為此次試驗(yàn)的測試工況。干工況、濕工況、混合工況各選取7個(gè)工況進(jìn)行測試。

3.5.1 干工況

干工況具體測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 干工況測試結(jié)果Fig.5 Dry condition test results

圖5示出了間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在干工況下運(yùn)行，在滿足數(shù)據(jù)中心室內(nèi)一次空氣送回風(fēng)溫濕度參數(shù)要求的前提下，機(jī)組冷卻效率隨二次空氣入口干濕球溫度的變化情況。測試期間，在二/一次風(fēng)量比近似為1.1時(shí)，隨二次空氣入口干濕球溫度的上升，機(jī)組冷卻效率也呈上升趨勢；在工況7下，機(jī)組冷卻效率達(dá)到最大值為62.7%，此時(shí)二次空氣干球溫度為17.9 ℃、濕球溫度為16.8 ℃，可將數(shù)據(jù)中心內(nèi)38.3 ℃的一次空氣冷卻至25.5 ℃，一次空氣溫降12.8 ℃。

測試期間，干工況下機(jī)組平均冷卻效率為60.2%，一次空氣出口平均干球溫度為25.1 ℃，平均溫降為13.0 ℃。

3.5.2 濕工況

濕工況具體測試結(jié)果如圖6所示。

圖6示出了間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在濕工況下運(yùn)行，在滿足數(shù)據(jù)中心室內(nèi)一次空氣送回風(fēng)溫濕度參數(shù)要求的前提下，機(jī)組冷卻效率隨二次空氣入口干濕球溫度的變化情況。測試期間，機(jī)組在濕工況下運(yùn)行，所需二次風(fēng)機(jī)風(fēng)量有所降低，在二/一次風(fēng)量比近似為1.0時(shí)，隨二次空氣入口干濕球溫度的上升，機(jī)組冷卻效率也呈上升趨勢；在工況7下，機(jī)組冷卻效率達(dá)到最大值為63.2%，此時(shí)二次空氣干球溫度為19.9 ℃、濕球溫度為17.4 ℃、相對濕度高達(dá)79.2%，該股空氣被濕膜等焓加濕冷卻后濕球溫度不變、干球溫度為18 ℃，空氣溫降1.9 ℃，可將數(shù)據(jù)中心內(nèi)38.2 ℃的一次空氣冷卻至25.4 ℃，一次空氣溫降12.8 ℃。

測試期間，濕工況下二次空氣經(jīng)過濕膜后平均溫降為1.9 ℃，機(jī)組平均冷卻效率為60.5%，一次空氣出口平均干球溫度為25.4 ℃，平均溫降為12.7 ℃。

3.5.3 混合工況

混合工況具體測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 混合工況測試結(jié)果Fig.7 Mixed condition test results

圖7示出了間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在混合工況下運(yùn)行，在滿足數(shù)據(jù)中心室內(nèi)一次空氣送回風(fēng)溫濕度參數(shù)要求的前提下，機(jī)組COP、二次空氣入口干濕球溫度的變化情況。測試期間，在二/一次風(fēng)量比近似為1.1時(shí)，隨二次空氣入口干濕球溫度的變化，機(jī)組一次空氣出口干球溫度最高為 25.6 ℃、最低為 24.8 ℃、平均為 25.3 ℃。

測試期間，混合工況下機(jī)組一次空氣出口平均干球溫度為25.3 ℃，平均溫降為12.7 ℃，機(jī)組平均COP為3.8。

4 不同運(yùn)行模式切換條件

數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組運(yùn)行工況的切換條件分別取決于二次空氣（對于數(shù)據(jù)中心來說即室外空氣）的干球溫度與相對濕度。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174-2017），冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度為18～27 ℃，冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的露點(diǎn)溫度為5.5～15 ℃，相對濕度不超過60%［11］。將數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)溫度選取為 25 ℃，回風(fēng)溫度選取為 38 ℃［12］，分別就節(jié)水模式、節(jié)電模式切換條件進(jìn)行計(jì)算。

4.1 節(jié)水模式切換條件

為了降低間接蒸發(fā)冷卻器的耗水量，應(yīng)盡可能使間接蒸發(fā)冷卻器多以干工況運(yùn)行。節(jié)水模式也是目前數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的常規(guī)運(yùn)行模式，因此節(jié)水模式也被稱為常規(guī)模式。

4.1.1 干工況

間接蒸發(fā)冷卻器在干工況下一般能達(dá)到60%的換熱效率［13］。

式中 η——干工況下間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率；

tg1——一次空氣入口干球溫度，℃；

tg2——一次空氣出口干球溫度，℃；

t'g1——二次空氣入口干球溫度，℃。

將η≤ 60%，tg1=38 ℃，tg2=25 ℃代入，求得 t'g1=16.3 ℃，可以得到在室外二次空氣入口的干球溫度≤16.3 ℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行干工況。

4.1.2 濕工況

間接蒸發(fā)冷卻器在濕工況下一般能達(dá)到70%的換熱效率［13］。

式中 η——濕工況下間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率；

ts1——二次空氣入口濕球溫度，℃。

將η≤70%，tg1=38 ℃，tg2=25 ℃代入，求得ts1=19.4℃，即可以得到在室外二次空氣入口的干球溫度＞16.3 ℃且濕球溫度≤19.4 ℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行濕工況。

4.1.3 混合工況

當(dāng)室外二次空氣入口的濕球溫度＞19.4℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行混合工況。

在機(jī)組節(jié)水模式下運(yùn)行時(shí)室外二次空氣環(huán)境參數(shù)切換的設(shè)定值見表3。

表3 節(jié)水模式下室外二次空氣環(huán)境參數(shù)切換的設(shè)定值Tab.3 Setting value for outdoor secondary air environment parameter switching in water saving mode

4.2 節(jié)電模式切換條件

一般情況下，間接蒸發(fā)冷卻器濕工況的濕球效率總高于干工況的換熱效率。因此為了降低間接蒸發(fā)冷卻器的耗電量，同時(shí)提高換熱器的效率，應(yīng)盡可能使間接蒸發(fā)冷卻器多以濕工況運(yùn)行，以節(jié)電模式運(yùn)行，需要避免因一次空氣溫度過低，在間接蒸發(fā)冷卻器中產(chǎn)生結(jié)露、結(jié)冰的現(xiàn)象，因此室外空氣干球溫度最低取10 ℃［14］。

通過計(jì)算，在節(jié)電模式下運(yùn)行時(shí)室外二次空氣環(huán)境參數(shù)切換的設(shè)定值見表4。

表4 節(jié)電模式下室外二次空氣環(huán)境參數(shù)切換的設(shè)定值Tab.4 Setting value for outdoor secondary air environment parameter switching in power saving mode

以上2種模式機(jī)組均可以正常運(yùn)行，且一次空氣送風(fēng)溫濕度均可以滿足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)參數(shù)要求。

5 適用小時(shí)數(shù)分析

蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用區(qū)域可按照夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度劃分為干燥地區(qū)、中等濕度地區(qū)、高濕度地區(qū)［15-18］，在不同地區(qū)，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)也存在差異。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中的氣象數(shù)據(jù)［19］，通過對干燥地區(qū)烏魯木齊、中等濕度地區(qū)北京、高濕度地區(qū)福州的3個(gè)典型城市室外環(huán)境空氣干濕球溫度全年變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在不同城市進(jìn)行適用小時(shí)數(shù)計(jì)算分析，3個(gè)城市節(jié)水模式（常規(guī)模式）、節(jié)電模式下全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)占比如圖8所示。

圖8 不同城市節(jié)水模式、節(jié)電模式下全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)占比Fig.8 Percentage of annual operating hours under different water saving mode and power saving mode in different cities

從圖8中可以看出，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在不同地區(qū)運(yùn)行，干工況全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)占比：烏魯木齊＞北京＞福州，混合工況全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)占比：福州＞北京＞烏魯木齊。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算分析可得，在滿足數(shù)據(jù)中心室內(nèi)一次空氣送回風(fēng)溫濕度參數(shù)要求的前提下，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在干工況下運(yùn)行，機(jī)組平均冷卻效率為60.2%，一次空氣出口平均干球溫度為25.1 ℃，平均溫降為13.0 ℃；濕工況下運(yùn)行，二次空氣經(jīng)過濕膜等焓加濕冷卻后平均溫降為1.9 ℃，機(jī)組平均冷卻效率為60.5%，一次空氣出口平均干球溫度為25.4 ℃，平均溫降為12.7 ℃；混合工況下運(yùn)行，此時(shí)壓縮機(jī)開啟，一次空氣出口平均干球溫度為25.3 ℃，平均溫降為12.7 ℃，機(jī)組平均COP為3.8。

（2）數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組應(yīng)該因地制宜地選擇運(yùn)行模式以此降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗，對于水資源豐富的地區(qū)，選擇節(jié)電模式盡可能多的運(yùn)行濕工況，而對于缺水且水質(zhì)較差的地區(qū)，選擇節(jié)水模式（常規(guī)模式）盡可能多的運(yùn)行干工況。