干燥地区数据中心水侧蒸发冷却空调系统的实测分析*

0 引言

近年来，我国对数据中心的需求不断增加，数据中心能耗问题日益突出，大多数数据中心的PUE值偏高，与国际先进水平相比有较大差距。如何有效利用自然冷源，通过增加全年自然冷却时间来降低能耗，是数据中心节能的主要方向[1]。蒸发冷却技术利用空气中的干空气能达到制冷作用，有效降低了数据中心PUE及运营成本，在国内外数据中心项目中不断被推广应用。目前，由于风侧蒸发冷却空调设备安装灵活且便于模块化生产，其在大平层类数据中心的应用相对较为普遍[2-4]。而水侧蒸发冷却技术以水为冷量传输介质，相对较为节能，且便于系统冷量输送，适用于大型、多层数据中心[5-6]。

一方面，随着芯片技术的不断发展，材料的耐温程度显著提高，数据中心进风区域温度可高达18～27 ℃[7]；另一方面，数据中心冷却系统需要更趋近于芯片级冷却的末端来应对服务器密度不断增大带来的难题[8]。这些都扩大了蒸发冷却技术在数据中心的应用空间。为了探究水侧蒸发冷却应用于数据中心的适用性，本文以实际工程测试数据为基础，对数据中心水侧蒸发冷却空调系统的运行效果进行分析，得出水侧蒸发冷却技术在数据中心的适用性。

1 干燥地区数据中心水侧蒸发冷却空调系统

1.1 系统原理

系统采用复合乙二醇自然冷却的蒸发冷却冷水机组作为全年主导冷源，且蒸发冷却冷水机组采用内外冷复合间接蒸发冷却技术，制取的冷水温度能低于环境湿球温度[9]。该系统首次应用于乌鲁木齐某数据中心，蒸发冷却新风机组作为全年备份冷源，系统针对干燥地区数据中心研发，全年采用蒸发冷却空气-水系统，实现去制冷机化。如图1所示，在全年运行过程中，该系统有3种主要的运行模式。

注：A～F为水管阀门。图1 数据中心机房用新型蒸发冷却空调系统

在过渡季节，系统开启水侧蒸发冷却运行模式。蒸发冷却冷水机组制取的高温冷水进入一次水系统，并通过板式换热器将冷量输送到二次水系统。二次水系统的冷水输送到显热末端空调机组，用于冷却机房内部回风。

在炎热的夏季，系统开启水侧-风侧复合蒸发冷却运行模式。蒸发冷却冷水机组制取的高温冷水通过板式换热器将能量输送到二次水系统，并最终将冷水送到蒸发冷却新风机组的外冷式间接蒸发冷却器内。此时，室外新风先经过外冷式间歇蒸发冷却器等湿降温，再经过直接蒸发冷却器等比焓降温后送入机房冷通道，吸收机柜散热量并最终通过机房排风机排至室外。

在冬季，系统开启乙二醇自然冷却运行模式。水系统内部乙二醇溶液防止系统内部结冰，此时蒸发冷却冷水机组的外冷式间接蒸发冷却器相当于乙二醇干冷器。

1.2 间接段效率

间接蒸发冷却亚湿球效率用式(1)计算[10-11]，其值反映间接蒸发冷却使机组进风湿球温度逼近机组进风露点温度的程度，如图2所示。

(1)

式中n为间接蒸发冷却亚湿球效率；ts,o为机组进风湿球温度，℃；ts,a为间接段后空气湿球温度，℃；tl,o为机组进风露点温度，℃。

注：ha、ho分别为a、O状态点的比焓。图2 间接蒸发冷却亚湿球效率示意图

1.3 淋水填料段水侧效率

淋水填料段水侧效率m用式(2)计算，其值反映了淋水填料段使机组回水温度逼近淋水填料段进风空气湿球温度的程度。

(2)

式中m为淋水填料段水侧效率；tH为机组回水温度，℃；tG为机组供水温度，℃。

2 系统测试分析

2.1 测试概况

系统测点布置如图3所示，各测点具体测试仪器及测试量如下。

图3 系统测点分布

测点1：测量室外环境大气压、温湿度。大气压力采用多功能测量仪(testo480)测量，压力测量范围70～110 kPa；温度、相对湿度采用温湿度记录仪(testo/174H)测量，温度测量范围-20～70 ℃，相对湿度测量范围0～100%。

测点2：测量间接蒸发冷却冷水机组间接段后空气温湿度、风速。温度、相对湿度采用温湿度记录仪(testo/174H)测量，温度测量范围-20～70 ℃，相对湿度测量范围0～100%；风速采用叶轮风速测量仪(testo410-1)测量，测量范围0.4～20.0 m/s。

测点3：测量间接蒸发冷却冷水机组出水温度。出水温度采用水温电子传感器测量，测量范围-50～110 ℃。

测点4～7：测量板式换热器一次、二次水系统供回水温度。水温采用水温电子传感器测量，测量范围-50～110 ℃。

2.2 冷水机组性能测试

系统采用间接蒸发冷却冷水机组作为冷源，其出水温度能否满足设计要求是判断系统能否适用于数据中心冷却系统的关键。而间接蒸发冷却冷水机组的2个主要功能段——间接段和淋水填料段的性能将影响机组出水温度。其中，间接段的作用是降低环境空气湿球温度，而淋水填料段是空气与水热湿交换的场所。为探索环境空气参数对间接蒸发冷却冷水机组性能的影响，本文对间接段和淋水填料段分别进行测试。根据环境空气干湿球温度的不同将测试工况分为5种。

2.2.1间接段性能测试

图4显示了间接段后湿球温度随环境空气干球温度、湿球温度、露点温度的变化。从图4可以看出，间接段后空气湿球温度变化与环境空气湿球温度的变化趋于一致，各工况间接段前后湿球温度差的变化范围稳定在±0.5 ℃，表明间接段后湿球温度可以通过环境湿球温度预测。由式(1)计算5种工况的亚湿球效率，结果显示，在不同工况下，亚湿球效率有所不同，而在相同工况时，间接段亚湿球效率变化值稳定在±5%之间。

图4 不同工况下间接段前后空气温度变化

2.2.2淋水填料段性能测试

图5显示了淋水填料段后空气干湿球温度及间接蒸发冷却冷水机组供回水温度的变化。从图5可以看出，相对于间接段，空气干球温度、露点温度，空气湿球温度变化对淋水填料段出水温度的影响较大，各工况中机组出水温度与淋水填料段后空气湿球温度之差较为稳定，均在±0.5 ℃之间，这表明淋水填料段后空气湿球温度是影响机组出水温度的关键因素。通过式(2)计算得淋水填料段水侧效率变化值均稳定在±5%之间。

2.2.3气象条件对机组性能的影响

表1～3给出了5种工况下实测得到的机组性能，分别为各工况下环境空气参数实测平均值、间接段后空气参数实测值及机组性能参数实测值。从表3可以看出，对于工况2～5，间接蒸发冷却冷水机组出水温度均低于环境湿球温度，达到亚湿球温度的水平，而工况1由于间接段亚湿球效率过低，出水温度略高于环境湿球温度。从表1～3可以看出，工况1～5环境空气湿球温度平均值逐渐增大，对应间接段亚湿球效率也逐渐升高，而淋水填料段水侧效率维持在60%左右。由此表明，室外环境影响间接蒸发冷却冷水机组出水温度的过程主要是体现在间接段降低环境空气湿球温度性能上。

图5 不同工况下淋水填料段空气与水温度变化

表1 环境空气参数实测平均值

表2 间接段后空气参数实测值

表3 机组性能参数实测值

2.3 系统性能测试

2.3.1夏季运行测试

我国西北地区夏季昼夜温差较大，在夏季全天运行中蒸发冷却空调系统性能是否稳定，特别是在数据中心领域能否保证冷却系统安全稳定工作，是系统连续运行中值得关注的问题。

图6显示了2018年8月10日间接蒸发冷却冷水机组出水温度随环境参数的变化，从图中可以看出：环境干球温度的变化范围为24.0～33.1 ℃；环境湿球温度的变化范围为15.5～19.3 ℃；机组出水温度范围为13.1～16.9 ℃。由此可以得出，尽管全天环境参数变化范围较大，蒸发冷却冷水机组出水温度波动幅度依然能稳定在±2 ℃以内。相对来说，白天环境空气干空气能品质较好，机组出水温度会低于环境湿球温度；夜晚环境空气干空气能品质较差，出水温度可能会高于环境湿球温度。

图6 间接蒸发冷却冷水机组出水温度随环境参数的变化

图7显示了2018年8月10日蒸发冷却空调系统运行参数的变化，从图中可以看出,二次水系统进出水温度与一次水系统进出水温度的变化规律一致，一次水系统进出水平均温差为5.9 ℃，二次水系统进出水平均温差为5.5 ℃，换热温差(即一次水进水温度与二次水出水温度之差)平均值为1.3 ℃。由此可见，昼夜间环境参数的变化对水侧蒸发冷却空调系统的出水温度稳定性影响不大。

图7 蒸发冷却空调系统运行参数变化

2.3.2冬季运行测试

乙二醇自然冷却运行模式中，乙二醇干冷器与机房末端空调直接连接，水系统中只有乙二醇溶液。笔者以机房末端空调设计进水温度16 ℃为基准，对3月28日和3月29日的测试数据进行了统计。如图8所示，室外环境干球温度在5 ℃以下时，乙二醇干冷器可以保证16 ℃以下的出水温度。

图8 乙二醇自然冷却系统运行参数

3 系统适用性分析

3.1 运行模式切换条件

水侧蒸发冷却空调系统在数据中心全年运行有3种主要模式，如表4所示。不同运行模式对自然冷却的利用程度不同，在运行能耗上有很大差异。因此，根据实际测试数据，以系统供水温度16 ℃为标准，总结出水侧蒸发冷却空调系统的主要运行模式切换条件，并在焓湿图上分3个区域A、B、C对应3种主要运行模式的适用条件，结果如图9所示。

表4 系统运行模式切换条件

图9 数据中心水侧蒸发冷却空调系统主要运行模式焓湿图

3.2 系统运行能耗

表5给出了新疆某数据中心水侧蒸发冷却空调系统全年运行过程中主要耗能设备的参数，根据室外环境参数的不同，系统在不同季节里有着不同的运行能耗，主要体现在蒸发冷却冷水机组设备功率的变化。就蒸发冷却冷水机组COP而言，冬季测试工况下机组COP可达28.8，春夏秋季测试工况下机组COP为12.1，优于数据中心常用高效冷水机组[12]。不同运行模式下水侧蒸发冷却空调系统的运行策略和能效比对比如表6所示，可以看出，系统在冬季运行乙二醇自然冷却能效比为14.8，即使系统在夏季运行能效比也可达7.3。其中，蒸发冷却冷水机组十二用四备；一次、二次水泵并联运行，一次水系统循环泵两用一备，二次水系统循环泵两用一备；二次水系统冷却介质为45%的乙二醇溶液。

表5 数据中心水侧蒸发冷却空调系统主要设备参数

表6 不同运行模式下系统运行策略和能效比

3.3 系统不同地区的适用性

在机房环境温湿度允许的情况下，系统供水温度越高，蒸发冷却冷水机组作为高温冷源的适用性越强。研究表明，水侧蒸发冷却供水温度在16～19 ℃可以满足数据中心的供冷要求[6]。笔者利用相关气象数据集，分别对系统3种运行模式的适用小时数进行了统计[13]。如图10所示，系统供水温度每升高1 ℃，全年平均增加10 d的自然冷却运行时间。图11显示了各地区水侧蒸发冷却空调系统在供水温度变化时系统能效的变化，以北京为例，当系统供水温度从16 ℃提升至19 ℃时，冷源系统设计运行能效比增大9.12%。

图10 数据中心水侧蒸发冷却不同供水温度下3种运行模式的时间分布

图11 数据中心水侧蒸发冷却不同供水温度下冷源系统能效比

4 结论

1) 蒸发冷却冷水机组间接段后湿球温度是影响机组出水温度的关键因素，间接段亚湿球效率反映间接段降低环境空气湿球温度的能力，在5种实测工况下间接段亚湿球效率在26%～54%之间，淋水填料段水侧效率为60%左右。

2) 蒸发冷却冷水机组冬季测试工况运行COP为28.8，春夏秋季测试工况运行COP为12.1。水侧蒸发冷却空调系统冷源系统测试能效比冬季为14.8，春夏秋季为7.3。

3) 夏季典型日全天测试结果显示，机组出水温度在13.1～16.9 ℃之间，水侧蒸发冷却空调系统供水温度每提升1 ℃，全年平均增加10 d的自然冷却时间，系统供水温度从16 ℃提升至19 ℃时，冷源系统设计运行能效比增大9.12%。