蒸发冷凝式间接蒸发冷却空调机组的设计与测试

2022-03-17傅耀玮

西安工程大学学报 2022年1期

傅耀玮，黄翔

(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

随着互联网的快速发展及5G时代的到来，数据中心基础设施的建设进入加速期，尤其是新基建政策推出以来，其增长速度呈指数级爆炸式增长。在数据中心的能耗分布中，制冷能耗约占数据中心总能耗的40%[1]；而冷却系统“能源浪费”最多、“节能潜力”最大；在“碳达峰”“碳中和”节能减排的双碳目标下，数据中心的节能降耗已刻不容缓，从数据中心空调系统进一步降低数据中心能耗是重中之重。

蒸发冷却空调技术以水为冷却介质，利用可再生能源“干空气能”通过水分蒸发吸热制冷，由空气和水直接或间接接触，制取清洁的冷风或者高温冷水，具有健康、经济、节能、环保等特点[2-4]。蒸发冷却与机械制冷复合空调机组是常见的蒸发冷却空调技术的应用方式[5-7]，目前，蒸发冷却空调技术已经在数据中心得到了应用[8-11]，常见形式多为间接蒸发冷却一体化空调机组。在宁夏中卫亚马逊、360等大型数据中心采用蒸发冷却与机械制冷复合空调系统，充分利用“干空气能”实现“免费供冷”，降低了传统机房的空调能耗，为蒸发冷却与机械制冷复合技术在我国数据中心等领域的应用奠定了基础[12-15]。

蒸发冷凝技术是将蒸发冷却技术应用在冷凝器散热上，通过喷淋水与空气在冷凝盘管表面进行蒸发冷却的过程，降温后再给盘管内部的制冷剂降温冷凝，利用水的气化潜热进行散热，相较于传统的风冷式冷凝器和水冷式换热效率高、能耗低[16-17]。将蒸发冷却、蒸发冷凝、机械制冷3种技术相结合，有效弥补了蒸发冷却空调技术与传统机械制冷方式的不足，实现两者的优势互补，同时在原有基础上进一步降低了设备能耗。目前蒸发冷凝技术已在空调机组中应用[18-22]，但在数据中心领域应用较少。因此，本文针对数据中心机房设计研发能耗更低、结构设计合理完善、工作性能良好、运行维护可靠的新型空调机组。

1 机组设计

1.1 设计概况

根据结构设计和计算配比，机组设计采用一体化设计，整机尺寸2 250 mm×850 mm×2 000 mm，制冷量22 kW，送风量5 000 m3/h，各功能段由整体外壳包裹，主要有间接蒸发冷却段、检修段、蒸发冷凝段、直膨段等主要功能段。间接蒸发冷却段芯体根据机组设计参数及尺寸，通过调研对比选用金属铝箔高分子涂层材料的板翅式间接蒸发冷却芯体，该芯体结构紧凑、亲水性好、防结垢能力强、换热效率高。其中在室内侧的数据中心回风依次经过一次空气进风口、板翅式间接蒸发冷却换热器(干通道)、一次送风机、蒸发器、一次空气送风口。室外侧空气依次经过二次空气进风口、板翅式间接蒸发冷却换热器(湿通道)、二次排风机、二次空气排风口。在冷凝侧，室外空气依次经过冷凝进风口、冷凝段填料、蒸发式冷凝器、冷凝排风机。机组实物图和结构示意图如图1所示。

图 1 机组实物图和结构示意图Fig.1 Picture of the unit and structure diagram

机组间接蒸发冷却器的布水采用2种布水方式，一种将喷嘴设置在换热芯体上部，采用上部喷淋的布水形式，二次空气流向与布水方向相反，称之为逆喷；另外一种将喷嘴设置在换热芯体下部，采用下部喷雾的布水形式，二次空气流向与布水方向相同，称之为顺喷。2种布水装置相结合，弥补了常规单一布水方式存在的布水不均匀问题。

机械制冷段中冷凝器采用蒸发式冷凝器，相较于传统的风冷式冷凝器和水冷式冷凝器，有效降低了耗水量和设备能耗，换热效率更高。在结构设计时，在冷凝器底部盘管下增设填料，可优先将进风口的空气在填料中与淋水发生蒸发冷却过程，冷却后再吹向盘管，同时还可以有效降低循环水水温，进一步提高换热效率。

本机组将蒸发冷却、蒸发冷凝、机械制冷3种技术紧密结合在一起，根据不同室外气象条件切换工况，使3种技术切换配合运行。目前数据中心现有的蒸发冷却机组是将蒸发冷却与机械制冷相结合的一体化机组，具有低碳、环保、经济、健康等特点，但在机械制冷模块开启运行时，能耗仍然很高。而本文设计的机组在现有的研究基础之上，将蒸发冷却、机械制冷与蒸发冷凝技术耦合，通过应用蒸发式冷凝器，在一定程度上提升了换热效率，可以进一步有效降低机械制冷开启时的运行能耗，也规避了普通冷凝器结水垢的问题。并且无须设置冷却塔，减少了占地问题，在数据中心寸土寸金的地方有极大的应用潜力，延长了数据中心自然冷源的使用时间，缩短了机械制冷运行时长，最大程度地降低了电源使用效率(power usage effectiveness，PUE)，达到了节能减排的目的。

1.2 机组运行模式

机组以自然冷却为主，机械制冷为补充，间接蒸发冷却系统的运行模式分为干模式、湿模式和混合模式3种模式。3种模式判定条件取决于室外新风的温湿度，需在本机组二次空气(新风)进风口处设置温湿度检测装置，并对数据进行反馈，从而切换机组的3种运行模式。

1) 干模式。冬季寒冷且室外环境温度低，机组以干模式运行。此时布水系统和机械制冷模块关闭，完全由室外空气对数据机房回风进行冷却；二次侧的低温空气从室外进入机组，通过间接蒸发冷却换热芯体的湿通道与干通道中的数据中心机房的回风进行热交换，然后经排风口排出。数据中心较高温度的回风进入机组后，经过间接蒸发冷却换热芯体的干通道被室外低温空气直接冷却后，由送风口送入数据中心机房。机组干模式运行原理及一次空气处理过程如图2所示，图中N为室内回风状态点，O为送风状态点。

图 2 机组干模式运行原理及一次空气处理过程Fig.2 Unit dry mode operation principle and primary air treatment process

2) 湿模式。在过渡季节，室外环境温度较为温和，机组以湿模式运行。此时补水系统开启，机械制冷模块关闭，通过喷淋蒸发制冷。布水器向间接蒸发冷却器进行布水，室外空气从二次进风口进入，进入间接蒸发冷却器进行换热，后经二次排风机从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口进入机组，流经间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，被冷却后的数据中心回风，由一次送风机经一次送风口送入数据机房。机组湿模式运行原理及一次空气处理过程如图3所示，图中N为室内回风状态点，O为送风状态点。

图 3 机组湿模式运行原理及一次空气处理过程Fig.3 Unit wet mode operation principle and primary air treatment process

3) 混合模式。在炎热的夏季，当室外温度较高且湿球温度也较高时，机组以混合模式运行。喷淋蒸发制冷+部分机械制冷同时开启，此时间接段喷淋系统和机械制冷系统同时运行，共同达到需要的制冷量。布水器向板翅式间接蒸发冷却器进行布水，室外空气从二次进风口进入，进入板翅式间接蒸发冷却器进行换热，后经二次排风机从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口进入机组，流经板翅式间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，对数据中心回风进行预冷，再流经蒸发器被蒸发器冷却后，由一次送风机经一次送风口送入数据机房，如此循环。而在冷凝部分，室外空气从冷凝风口进入机械制冷段，依次通过蒸发填料、蒸发式冷凝器盘管表面进行热湿交换，通过水的蒸发带走冷凝热，由上方的冷凝排风机排走，其运行原理及一次空气处理过程如图4所示，图中N为室内回风状态点，N′为室内回风经过间接蒸发冷却段芯体后空气状态点，O为送风状态点。机组运行时气流走向如图5所示。

图 4 机组混合模式运行原理及一次空气处理过程Fig.4 Unit mixed mode operation principle and primary air treatment process

图 5 机组运行气流示意图Fig.5 Schematic diagram of air flow in unit operation

1.3 不同运行模式切换点的讨论

上述3种不同运行模式之间的切换界限，由室外空气的干球温度和湿球温度来确定，而作为判定条件的室外干球温度和湿球温度又受数据中心机房送风温度、回风温度以及间接蒸发冷却换热芯体换热效率的影响。结合间接蒸发冷却换热芯体的效率计算公式，在计算间接蒸发冷却空调不同模式的切换温度时，间接蒸发冷却效率主要受室外二次空气的环境参数、数据中心机房室内侧回风温度、室内侧送风温度的影响，由于间接蒸发冷却换热芯体选定后，在忽略换热器材质、结构形式、风速、换热温差、换热面积等影响因素下，可假设间接蒸发冷却换热芯体的换热效率一定，数据中心机房的回风温度、送风温度为确定的设计值，因此可以计算出间接蒸发冷却空调不同模式相应的室外二次空气温度，即切换温度。根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》标准，数据中心机房的送风参数见表1。

表 1 数据中心机房送风参数

根据数据中心机房送风参数要求，设定机组送风温度为24 ℃，送回风温差选取14 ℃，故数据中心回风温度确定为38 ℃，以此参数对3种模式的切换温度进行计算。

根据所在地区不同的气候条件，间接蒸发冷却器具有不同的效率。通过大量实验数据以及实际工程测试[2]，高湿度地区(当地夏季空调设计湿球温度在28 ℃以上)间接蒸发冷却效率在35%～50%；中湿度地区(当地夏季空调设计湿球温度在23～28 ℃之间)间接蒸发冷却效率在45%～60%；干燥地区(当地夏季空调设计湿球温度在23 ℃以下)间接蒸发冷却效率在55%～70%，本文以干燥地区为例进行不同模式切换状态的分析。

1) 干模式：假设间接蒸发冷却芯体换热效率为60%，干工况下蒸发冷却效率计算公式，即

(1)

式中：η为间接蒸发冷却芯体的换热效率;tg1为数据中心内回风干球温度，℃;

2) 湿模式：假设间接蒸发冷却芯体换热效率为70%，湿工况下蒸发冷却效率计算公式，即

(2)

式中：η为间接蒸发冷却芯体的换热效率;tg1为数据中心内热回风干球温度，℃;ts1为室外空气湿球温度，℃;tg2为数据中心送风干球温度，℃。

将设定值η≤70%，tg1=38 ℃，tg2=24 ℃代入，求得ts1≤18 ℃，即在室外环境空气的干球温度>14.7 ℃且湿球温度≤18 ℃时，机组在湿模式下运行。

结合干模式与湿模式的切换条件，得出在室外环境空气的干球温度≤14.7 ℃或湿球温度≤18 ℃时，可以实现完全利用自然冷源作为数据中心供冷。

3) 混合模式：当室外环境空气的湿球温度大于18 ℃时，开启机械制冷模块进行补冷。

综上分析，数据中心送风干球温度设定为24 ℃，数据中心回风干球温度设定为38 ℃，间接蒸发冷却芯体的蒸发效率在干工况和湿工况下分别假设为60%和70%，机组3种工况切换判定值见表2。

表 2 机组3种工况切换判定值

2 测试与分析

2.1 测试概况

1) 最佳二/一次空气风量比(室外侧空气与室内机房回风)测试。固定一次空气风量，依次调节二次空气风量使二/一次风量比逐渐改变，对最佳二/一次空气风量比进行测定，分析二/一次风量比对蒸发效率的影响。

2) 干模式工况测试。根据T/DZJN 27—2021《数据中心蒸发冷却空调设备》标准中蒸发冷却空调机组实验工况的建议值，设定室外二次侧气象参数，在干模式工况下进行实验测试。

3) 湿/混合模式工况测试。选取北京、上海室外气象参数代表中湿度地区、高湿度地区，分别在湿模式、混合模式2种不同工况下进行实验测试。

4) 改变布水策略测试。分别采用连续喷水、间歇喷水、不同间歇时间喷水进行测试，分析不同布水策略对蒸发效率的影响。

2.2 测试数据分析

1) 二/一次风量比。在焓差实验室中模拟数据中心运行工况，进行机组最佳二/一次风量比测试。设定数据中心一次侧回风干/湿球温度为38 ℃/21 ℃，二次侧室外空气干/湿球温度为16 ℃/11 ℃。固定一次侧回风量，对二次风量进行调节，二/一次风量比与送风温度和蒸发效率的关系如图6所示。

图 6 二/一次风量比与送风温度和蒸发效率的关系Fig.6 The relationship between secondary and primary air volume ratio,supply air temperature and evaporation efficiency

从图6可以看出：机组的送风温度随风量比的增大而降低，蒸发效率随风量比的增大而增大，呈对数函数的趋势变化；当二/一次风量比增大至2.25时，间接蒸发效率达到最高的69.78%，送风温度达到最低22.3 ℃；风量比继续增大后，其间接蒸发冷却效率呈减小趋势，相应的送风温度略有上升。因为室外侧二次风风量过大，其通过芯体时风速较高，导致二次风在间接蒸发冷却芯体内停留时间太短，不能与数据中心一次回风充分换热，引起间接蒸发冷却换热效率的降低。因此机组的最佳二/一次风量比区间在2.2～2.4之间。

2) 干燥地区干/湿工况。在焓差实验室中进行模拟数据中心运行工况，对机组在干燥地区运行进行性能测试，设定数据中心一次侧回风干/湿球温度分别为38 ℃/21 ℃，二次侧室外空气干/湿球温度分别为16 ℃/11 ℃，固定二/一次风量比，仅对运行模式进行调节，2种模式下蒸发效率变化情况如图7所示。

图 7 干燥地区干/湿工况测试蒸发效率Fig.7 Evaporation efficiency tested in dry/wet conditions in dry areas

从图7可以看出：机组在干模式运行达到稳定工况时，蒸发效率维持在67%左右，温降幅度达到14 ℃；在湿工况下运行达到稳定时，蒸发效率可以维持在72%左右，温降幅度达到19 ℃，机组温降效果显著，送风温度均低于24 ℃，满足数据中心直接送风要求。

3) 中等湿度地区湿工况。在焓差实验室中进行模拟数据中心运行工况，对机组在中等湿度地区湿模式运行进行性能测试，设定数据中心一次侧回风干/湿球温度分别为38 ℃/21 ℃，二次侧进口干/湿球温度模拟北京夏季室外空气调节设计参数，分别为33.6 ℃/26.3 ℃。固定二/一次风量比，中湿度地区湿工况下蒸发效率及送风温度如图8所示。

图 8 中湿度地区湿工况下蒸发效率及送风温度Fig.8 Evaporation efficiency and air supply temperature under wet condition in medium humidity area

从图8可以看出，机组在湿模式运行达到稳定工况时，蒸发效率维持在61%左右，温降幅度达到7.1 ℃。虽然温降效果明显，但在此工况下不能满足数据中心送风温度的要求，需要开启机械制冷补冷。

4) 高湿度地区湿模式/混合模式。在焓差实验室中进行模拟数据中心运行工况，对机组在高湿度地区运行进行性能测试，设定数据中心一次侧回风干/湿球温度为38 ℃/21 ℃，二次侧室外空气干/湿球温度模拟高温高湿地区上海夏季室外气象参数34.6 ℃/28.2 ℃。固定二/一次风量比，仅改变运行模式，高湿度地区湿模式/混合模式测试温降情况如图9所示。

图 9 地区湿模式/混合模式测试温降情况Fig.9 The temperature drop test in wet or mixed mode in high humidity areas

从图9可以看出，在湿模式时，蒸发效率为53.45%，温降幅度在5 ℃左右；开启机械制冷补冷后，送风温度达到22.92 ℃，温降幅度达到15 ℃左右，满足数据中心的送风要求。

机组在中/高湿度地区间接蒸发冷却效率降低。因为在不同湿度地区，随着空气湿度的增加，空气的干湿球温差越小，而干湿球温差越大，越有利于水分蒸发，因此在中/高湿度地区由于空气湿度的增加，蒸发效率比干燥地区降低。但本机组采取机械制冷补冷的方式配合蒸发冷却技术，可以满足数据中心要求，提高了蒸发冷却在全国不同气候区的适用范围。

5) 布水改变。在进行不同布水策略对机组性能影响的测试时，固定机组一/二次侧进口空气参数，分别改变机组间接蒸发冷却芯体的布水策略和二/一次风量比，分析不同布水策略对机组蒸发效率的影响。

当二/一次风量比固定时，分别采用喷淋时间为8、15、30 s和连续喷淋4种布水策略(其中间歇停止喷淋时间为60 s)。通过分析数据得到在采用间歇布水时，随着喷淋时间的改变，不同的布水策略，对蒸发效率的影响不明显。而在采用连续布水策略时，蒸发效率明显较高，分析原因为采用间歇布水策略时，在间歇停止喷淋的时间内，湿通道内附着的水量有限，不能持续通过水的蒸发吸热带走热量，导致换热效率不高；而在连续喷淋时，有源源不断水量供给，可以维持湿通道内的蒸发吸热过程，因而蒸发效率比间歇布水策略明显较高。

而当二/一次风量比改变时，无论是间歇喷淋还是连续喷淋的布水策略，蒸发效率都呈现随二/一次风量比的增大而增大的变化趋势，与前文所述间接段蒸发效率在一定二/一次风量比的范围内随其增大而增大的结论吻合。不同布水策略在不同风量比下与蒸发效率的关系如图10所示。

图 10 不同布水策略在不同风量比下与蒸发效率的关系Fig.10 The relationship between different water distribution strategies and evaporation efficiency at different air volume ratios

2.3 机组适用性

根据蒸发冷却设计分区[2]，主要以高湿地区(上海)、中等湿度地区(北京)、干燥地区(兰州)3个不同气候区域的样本城市为代表，分析本机组在不同湿度地区下3种运行模式的全年运行小时数。

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范标准》，选取一次侧回风干球温度38 ℃，送风干球温度24 ℃，假定干模式下间接蒸发冷却芯体换热效率为60%，湿模式下间接蒸发冷却芯体换热效率为70%，计算机组不同模式下的切换状态点，即干模式：tg≤15.4℃；湿模式：tg>15.4 ℃，ts≤18.4 ℃；混合模式：ts>18.4 ℃。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》收录的气象信息，对不同地区的全年逐时气象参数中的适用小时数进行统计，机组在不同样本城市全年运行小时数分析结果见表3。

表 3 机组在不同样本城市全年运行小时数

从表3可以看出，该机组全年8 760 h的运行时间内，在干燥地区(兰州)有98%的小时数可以实现关闭机械制冷，全自然冷源为数据中心供冷。在中湿度地区(北京)有78%的小时数可以通过蒸发冷却为数据中心供冷，仅有22%的时间需要开启机械制冷补冷。在高湿度地区(上海)，也有62%的时间可以实现全自然冷源供冷。

机组在不同气候区域都可以极大地应用自然冷源供冷，具有良好的适用性，在干燥地区几乎可以实现全年利用自然冷源为数据中心制冷，即使是在高温高湿地区也可以实现在全年40%以上的运行小时数内完全利用自然冷源制冷，缩短机械制冷的使用时间，减少能耗，有效降低数据中心PUE。