单双面进风蒸发冷却冷水机组在数据中心的应用对比分析

郭志成, 黄 翔, 耿志超, 严锦程, 田振武

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

数据中心空调系统的能耗已经占到数据中心总能耗的40%左右,被认为是数据中心提高能源效率的重点环节[1-2]．目前数据中心空调系统存在自然冷源利用率低，气流组织设计不合理，空调系统设计方法不合理等诸多问题[3],导致数据中心空调系统能耗居高不下．近年来,国内外普遍认为自然冷源利用率低是数据中心空调系统能耗不能得以有效控制的根本原因[4],为了促进自然冷却技术的应用和延长自然冷却的时间，由此制定的相关标准规范也在逐步拓宽数据中心IT设备环境要求范围,目前对冷通道或机柜进风区域的温度要求范围是18～27℃[5],冷冻水供水温度的要求范围是7～21 ℃[6],因此完全可以采用温湿度独立控制的方式[7],提供高温冷水承担数据中心空调系统的高显热负荷,对于干空气能丰富的地区就完全可以利用蒸发冷却冷水机组制取15 ℃左右的高温冷水为数据中心空调系统供冷．以往蒸发冷却冷水机组的研究和应用大多针对于舒适性空调系统,例如，江亿等人基于间接蒸发冷却技术研发了间接蒸发冷水机组,并应用于新疆某大厦[8];黄翔等人将水侧蒸发冷却技术与机械制冷结合,研发了蒸发冷却与机械制冷复合高温冷水机组[9],并将该机组应用于西安某办公楼;基于管式间接蒸发冷却技术研发了多种形式的间接-直接蒸发冷却复合冷水机组[10],并对冷量配比、气水比及冷幅深等关键影响因素进行了理论研究和实测[11];刘鸣、张锋等人结合新疆地区干空气能丰富的自然条件在被动式建筑、医院、体育馆等场所的空调系统设计中应用蒸发冷却空调系统,节能效果显著[12-13]．但是其在工艺性空调系统中还无实际应用.

本文结合新疆地区冬季室外空气中的冷量和夏季室外空气中的干空气能,研究其合理利用它们的制冷方式——复合乙二醇自然冷却技术的蒸发冷却冷水机组,从而解决数据中心空调系统的高能耗问题．

1 研究方案

新疆地区夏季炎热干燥,空气中蕴含丰富的干空气能,是蒸发冷却技术的高适用区[14];冬季寒冷漫长,空气中蕴含丰富的冷量,非常适合应用乙二醇自然冷却技术,结合以上自然条件与技术条件,研发了一种复合乙二醇自然冷却技术的蒸发冷却冷水机组．

1.1 两种技术方案

单面进风蒸发冷却冷水机组和双面进风蒸发冷却冷水机组的原理如图1所示.该两种技术方案的蒸发冷却冷水机组均由乙二醇自然冷却供冷段和间接-直接蒸发冷却供冷段组成.其中,乙二醇自然冷却供冷段主要负责数据中心空调系统冬季供冷需求,以表冷器为主要换热部件,冬季室外寒冷的新风进入蒸发冷却冷水机组的乙二醇自然冷却供冷段内的表冷器,乙二醇回水溶液冷却后供入数据中心机房空调末端,而新风则通过蒸发冷却冷水机组填料塔上方排风机排走;间接-直接蒸发冷却供冷段主要负责数据中心空调系统夏季供冷需求,这部分相当于间接-直接蒸发冷却复合冷水机组,由内冷式间接蒸发冷却器和填料塔组成,以间接-直接蒸发冷却复合冷水机组的制冷原理制取出冷水供入数据中心机房空调末端．两种蒸发冷却冷水机组的不同之处在于,单面进风蒸发冷却冷水机组采用单面进风的方式，各功能段按一侧方向布置，乙二醇自然冷却供冷段内设置1个表冷器、间接-直接蒸发冷却供冷段内设置两级内冷式间接蒸发冷却器;双面进风蒸发冷却冷水机组采用双面进风的方式，各功能段对称布置，间接-直接蒸发冷却供冷段内设置单级内冷式间接蒸发冷却器．

(a) 单面进风蒸发冷却冷水机组 (b) 双面进风蒸发冷却冷水机组注：1.乙二醇自然冷却供冷段;2.表冷器;3.间接-直接蒸发冷却供冷段;4.内冷式间接蒸发冷却器;5.填料塔图 1 蒸发冷却冷水机组原理图Fig.1 Evaporative water chiller schematic

1.2 结构特性分析

双面机型的各功能段采用对称布置,各功能段数量相比单面机型多一个,制冷量相比单面机型增加,但初投资相对较高，机组占地面积较大;单面机型各功能段按一侧方向布置且间接-直接蒸发冷却供冷段内设置两级内冷式间接蒸发器,使得机组风系统阻力增加,相比双面机型要配置更大风压的排风机来克服阻力,增加了运行费用和技术难度,但初投资少、机组占地面积较小．这两种蒸发冷却冷水机组各自不同的结构特性造成它们的应用领域也有所不同,双面机型适合应用于大型工程项目,而单面机型更适合应用于中、小型工程项目．

1.3 蒸发冷却冷水机组的实验研究

通过搭建实验测试系统,确定一种蒸发冷却冷水机组的技术方案作为新疆某数据中心空调系统的冷源,并且也对这两种不同类型的冷水机组进行充分的实验研究,分析各自的适用性．

1.3.1 实验测试条件 通过在室外搭建与该数据中心空调系统一样冷量配置模式的实验测试系统进行实测.测试的主要物理量包括:环境空气状态参数,出水温度和循环水流量,分别对应的测试仪器为温湿度自计议、电磁流量计和玻璃棒温度计,测试仪器的名称、型号、测试范围、精度及生产厂家如表1所示．测试地点为乌鲁木齐市,方案1的测试时间为2017年9月5日17:30～18:50,方案2的测试时间为2017年9月6日14:00～14:30,测试期间总共测试7组数据,每组数据之间间隔5 min．

表 1 测试仪器的相关参数

2 测试结果

本次实验测试系统的搭建完全按照即将应用在新疆某数据中心空调系统的冷量配置模式,即一台冷水机组为两台机房精密空调末端提供冷量,实验测试系统原理如图2所示．实验测试系统搭建在室外,这样环境空气状态参数的不断变化能够更好地反应冷水机组的制冷能力,具体由双面进风蒸发冷却冷水机组，单面进风蒸发冷却冷水机组，机房精密空调末端，循环水泵，电磁流量计和阀门组成．冷水机组制取的冷水通过供水管供入机房精密空调末端吸收热量,达到5 ℃供回水温差后通过回水管流入冷水机组继续制冷,由此构成循环．测试时,通过阀门进行两个冷水机组的切换运行,通过电磁流量计调控冷水机组处理的循环水流量．

1.双面进风蒸发冷却冷水机组;2.单面进风蒸发冷却冷水机组;3.阀门;4.循环水泵;5.电磁流量计;6.机房精密空调末端图 2 实验测试系统原理图Fig.2 Experimental test system schematic

2.1 测试方案一

该冷水机组服务的数据中心空调系统对蒸发冷却冷水机组的参数要求如表2所示,其中环境空气状态参数来源于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》．该测试方案的目的明确,即2种机型在符合参数要求的前提下,哪种机型的出水温度符合实际工程的要求．图3所示的是2种冷水机组在处理循环水量为40 m3/h时,7组环境空气干球温度、环境空气湿球温度、环境空气露点温度、出水温度的实测值,这7组数据可以反映2种机型在一定环境空气状态的变化过程中,冷水机组出水温度随环境空气状态的变化,反映冷水机组出水温度的特性,将图3中7组测试数据求平均值统计于表3中．

表 2 蒸发冷却冷水机组参数要求

(a) 双面进风蒸发冷却冷水机组 (b) 单面进风蒸发冷却冷水机组图 3 环境空气状态参数和出水温度Fig.3 Environmental air condition paraments and temperature of supply water

环境空气状态参数(平均值) 干球温度/℃相对湿度/%湿球温度/℃露点温度/℃循环水量/(m3·h-1) 制冷量/kW出水温度(平均值)/℃25.824.4013.13.94023215.126.423.8013.44.14023213.8

从表3可以得出，两种机型切换测试的室外空气状态参数近似,在符合实际工程项目要求的参数条件下,双面进风蒸发冷却冷水机组的出水温度更低,平均出水温度为13.8 ℃,完全满足工程项目的供冷要求,之所以平均出水温度与平均环境空气湿球温度近似相等,其冷幅深没有达到2～3 ℃[15],是因为测试期间新疆即将进入过渡季节,室外气温下降,干空气能品质降低,干湿球温差也有所降低,即使机组在以后的实际运行中进入夏季最不利工况时,按3°冷幅深计算,其出水温度为15 ℃左右,也能满足制冷要求．

2.2 测试方案二

由于单面进风蒸发冷却冷水机组的间接-直接蒸发冷却供冷段相比双面机型多了1级内冷式间接蒸发冷却器,所以送入填料塔的空气湿球温度应该更低,从而出水温度也应该比双面机型低,但是测试结果却恰恰相反．通过对两种机型结构特性的对比分析,可以发现，虽然单面机型相比双面机型增加了1级内冷式间接蒸发冷却器,这不仅增加了机组风系统阻力,而且2级内冷式间接蒸发冷却器的一二次风与填料塔进风的风量和均匀性的技术要求很难达到,这就造成2级内冷式间接蒸发冷却器效率下降，填料塔进风量衰减．虽然可以通过增加风机的风压得以改善,但风机功率也会增加,机组能效比下降,使其运行费用增加,得不偿失．因此,针对上述问题，单独对单面进风蒸发冷却冷水机组进行测试,采取减少填料塔处理的循环水流量的方式来降低出水温度,而蒸发冷却冷水机组处理的循环水流量太小又会降低经济性,所以只将机组处理的循环水流量减少为30 m3/h进行测试．图4所示的是单面机型将处理的循环水流量减少为30 m3/h时,7组环境空气干球温度、环境空气湿球温度、环境空气露点温度、出水温度的实测值.这7组数据可以反映单面机型在一定环境空气状态的变化过程中,出水温度随环境空气状态的变化,反映单面进风蒸发冷却冷水机组出水温度的特性．

图 4 环境空气状态参数和出水温度Fig.4 Environmental air condition paraments and temperature of supply water

将单面机型在循环水流量为30 m3/h的测试结果统计于表4,对比40 m3/h时的测试结果发现，当单面机型处理的循环水流量减少为30 m3/h时,单面机型出水温度的平均值为14.2 ℃,近似等于测试期间环境空气湿球温度的平均值,而循环水流量为40 m3/h时,单面机型出水温度的平均值为15.1 ℃,高于测试期间环境空气湿球温度的平均值2 ℃,因此减少机组处理循环水流量的方式可以在保证机组高能效比的前提下降低出水温度．

该冷水机组的技术难点在于间接-直接蒸发冷却供冷段在夏季是否能够为数据中心稳定地提供符合要求的高温冷水,从而保证数据中心空调系统冷源在夏季高负荷阶段既可靠又节能的运行．由于以往蒸发冷却冷水机组的相关研究和实际应用大多在舒适性空调系统领域,而在数据中心等工艺性空调系统领域还无实际应用,但是通过上述实验研究可以得出,其出水温度在实验测试条件下最高为15 ℃左右,相比于应用在舒适性空调系统中的冷水机组出水温度较低[8-10]．

表 4 单面进风蒸发冷却冷水机组实测结果

3 结 论

(1) 在机组装机功率相同的情况下,双面机型出水温度低，处理循环水流量大，制冷量大，运行费用更为经济,但机组初投资和占地面积较大,因此更适合应用于大型工程项目；单面机型比较适合应用于中、小型工程项目.

(2) 在实际工程项目参数要求的条件下进行实测,得出双面机型在以下3个方面都优越于单面机型,即出水温度更低，风机选型功率较小,运行费用更经济;双面进风的方式更加保证了机组的运行可靠性.

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