两种高效间接蒸发冷却器性能对比与适用性研究

武茁苗 黄 翔 陈 梦 屈名勋 史东旭 陈红卫 王晓东 苗会成

（1.西安工程大学 西安 710048；2.欧伏电气股份有限公司 廊坊 065201）

0 引言

近些年来，数据中心产业在中国新基建背景下蓬勃发展，用电量也在不断增加。数据中心的能耗主要由IT设备、制冷设备、供配电系统、照明等消耗电能的数据中心设备组成，值得一提的是制冷设备的能耗就占到总能耗的40%左右，数据中心蓬勃发展背后的变化对于机楼的冷却技术带来一定的挑战[1]。传统的集中式空调系统中压缩机所占能耗巨大，这即不满足数据中心低PUE的要求，也会严重影响“双碳”目标的实现。蒸发冷却空调由于是用水作为制冷剂，不会排放CFC，因此蒸发冷却空调是一种低碳、节能、经济、健康的环保空调技术[2,3]。从数据中心应用的角度出发，目前机房设计标准放宽、高回风温度设计、匹配的建筑气流设计、模块化集成技术和显著的节能优势，大力推动了间接蒸发冷却技术在数据中心的应用和发展[4,5]。然而现阶段蒸发冷却空调产品普遍面临着以下的技术障碍：冷却效率低、温降幅度有限、设备体积比较大以及受环境空气湿球温度的影响程度大。这些问题都与间接蒸发冷却器密切相关，因此对于不同的间接蒸发冷却器性能对比与适用性研究就显得尤为重要。

Vollebregt 和DeJong 研究了用于降低温室内空气的温度和湿度的板式间接蒸发冷却器强化传热方法，研究表明，一次空气的温度和湿度均有降低；空气流速较低时，效果更好；在此条件下，潜热量是显热量的两倍多[6]。樊丽娟[7]等设计了一台换热管采用多孔陶瓷材料且换热管立式布置的间接蒸发冷却器，研究其温降和效率等性能。常江[[8]等人对板管式间接蒸发冷却换热器，从芯体结构、材料的选择、芯体的换热计算和各功能部件的设计计算等方面进行详细设计分析。贾晨昱[9]等引出了间接蒸发冷却技术应用于数据中心时对应的3 种节能运行模式并对运行模式的切换条件进行了计算分析。钟彩霞[10]采用夏季空调室外逐时气象参数对陕北地区榆林、延安、定边3 个典型城市进行了分析，判别蒸发冷却技术在中等湿度地区的适应性。

本文主要从理论上分析了间接蒸发冷却传热机理与制取冷风的原理。通过在数据中心两种高效间接蒸发冷却器实验平台上的对比，得出各自在不同二/一次风量比下的换热效率，进而推算出各个换热芯体在干模式、湿模式和混合模式切换条件。再结合我国典型气候特征的三个城市全年室外气象参数，得出两种不同结构形式间接蒸发冷却器各个模式下全年的小时数占比，进而分析其适用性。

1 间接蒸发冷却技术

1.1 间接蒸发冷却器传热分析

间接蒸发冷却器是间接蒸发冷却空调的核心部件[11]，它由两个不同的空气流道组成，一次通道内为被冷却的空气，二次空气流道内发生直接蒸发冷却过程降低二次空气温度，通过二/一次间壁传热再降低一次空气温度[12]。如图1所示，二次空气经蒸发冷却后的空气温度为tf2，经过二次空气与水膜之间的传热热阻1/h2温度升至tw3；之后通过水膜的导热热阻δ2/λ2与换热器的导热热阻δ1/λ1温度升至tw1；最后再经过一次空气与换热器壁面之间的传热热阻1/h1温度达到tf1。此时的tf1即为一次通道侧被冷却后空气的出风温度[13,14]。

图1 水膜与器壁的传热Fig.1 Heat transfer between water film and wall

1.2 间接蒸发冷却制取冷风过程

图2为间接蒸发冷却空调空气处理焓湿图，干通道侧一次空气发生等湿冷却过程，湿通道侧二次空气发生等焓冷却加湿过程。二次空气由状态点1被等焓冷却到状态点4，此过程近似为一个绝热过程。得到湿通道冷量的一次空气从状态点1 被等湿冷却到状态点2。同时，一次侧的热量就会传递到二次侧，此时状态点4 的水会持续升温进而加速蒸发，最终到达状态点3[15]。

图2 间接蒸发冷却器焓湿图Fig.2 Enthalpy moisture diagram of indirect evaporative cooler

1.3 评价指标

换热效率是衡量间接蒸发冷却器性能的重要指标之一，它可以间接的反应一次空气的温降程度，而干模式与湿模式的计算效率方法也是不同的[16]。如下式：

其中，η干、η湿为间接蒸发冷却器干模式、湿模式下的换热效率，%；tg1,in、tg1,out为一次空气进、出风干球温度，℃；tg2,in、ts2,in为二次空气进风干球、湿球温度，℃。

2 两种换热芯体及其测试平台

2.1 两种换热芯体

本次研究对象为目前数据中心普遍使用的两种高效换热芯体，均为金属铝箔材料，分别是板翅式与板式换热芯体。如图3（a）所示，板翅式间接蒸发冷却器由翅片、隔板和封条三部分组成。一次空气与二次空气分别在各自的流道中流动，它们的热交换方式是通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行传热。从中我们可以看出板翅式间接蒸发冷却换热芯体结构非常紧凑，因此换热效率高。正是因为其结构紧凑，所以它的流道非常窄，容易积灰或产生水垢，这样不仅会增大传热热阻，换热效率降低；同时还会使空气流经流道时的阻力增大，从而使风机的消耗功率加大。

如图3（b）所示，板式间接蒸发冷却换热芯体[17]的一次空气流经管内，二次空气在管外侧垂直掠过板管。该换热芯体的优点有很多，主要有：布水均匀，易形成均匀水膜；该芯体与管式换热芯体一样，流道比较宽，可以很好的解决流道堵塞问题，从而使空气流动阻力较小。它的缺点主要是紧凑型不高，不如板翅式换热效率高。

图3 两种间接蒸发冷却器实物图Fig.3 Real drawings of two indirect evaporative coolers

2.2 测试平台

图4（a）为板翅式间接蒸发冷却空调测试平台实物图，尺寸（DWH）为：2000mm×800mm×1800mm，风量5000m /h。图4（b）为板式间接蒸发冷却空调测试平台，尺寸（DWH）为：6058mm×2825mm×3600mm，风量55000m /h。两个实验平台均为用于数据中心的间接蒸发冷却空调机组。

图4 间接蒸发冷却空调测试平台实物图Fig.4 Physical drawing of indirect evaporative cooling air conditioning test platform

2.3 测试仪器

为了减少实验误差，本次实验在换热芯体一次空气侧进、出口以及二次空气侧进、出口4 个位置分别布置多个测点，每个位置取测点所测数据的平均值。分别测出各个位置的干球温度、相对湿度以及风速，具体情况如表1所示。

表1 测试内容及仪器Table 1 Test contents and instruments

3 性能对比

3.1 温降、效率对比分析

本次实验干、湿模式条件下室外气象参数均一致，即二次风进口干球温度为25℃，相对湿度为39.3%，湿球温度为16℃；用锅炉加热装置模拟数据中心高散热设备，使得一次空气进风干球温度（数据中心回风温度）维持在37.7℃。通过改变二次风进口风速（1.2m/s～3.1m/s）使二/一次风量比维持在0.8～1.4 之间。

在干模式运行情况下，由图5可知，当二/一次风量比从0.8 到1.4 时，板翅式与板式间接蒸发冷却器的一次风温降和效率都会有所上升。在当前测试环境下，板翅式、板式间接蒸发冷却器温降在7.9℃～8.8℃、7.5℃～8.3℃之间，各自对应的换热效率在62.2%～69.3%、59.1%～65.4%之间。如图6所示，湿模式运行时板翅式、板式间接蒸发冷却器温降在13.2℃～14.4℃、12.4℃～13.6℃之间，各自对应的湿球效率在60.8%～66.4%、57.1%～62.7%之间，湿模式下一次风温降相较于干模式更大，板翅式平均温降大5.6℃，板式平均温降大5.2℃。

图5 干模式下温降、效率对比Fig.5 Temperature drop and efficiency comparison in dry mode

图6 湿模式下温降、效率对比Fig.6 Temperature drop and efficiency comparison in wet mode

由图5、6 可知，无论干模式或湿模式，增加二次进风风量会使换热效率增大。但过多的增大风量，效率提升速率会变得很缓慢，这样会造成风机能耗加大；同时会导致二次通道侧风速增大，不利于壁面水膜的均匀附着，同时空气与水膜接触的时间也会减少，使蒸发冷却效率下降。因此合理的二/一次风量比也是非常重要的。同时，板翅式换热效果明显优于板式。

3.2 不同模式出风温度对比分析

如图7所示，在干模式下板翅式间接蒸发冷却器一次风出风温度在28.9℃～29.8℃范围内，湿模式下一次风出风温度在23.3℃～24.5℃范围内。板式间接蒸发冷却器一次风出风温度如图8所示，干模式下一次风出风温度在29.4℃～30.2℃范围内，湿模式下一次风出风温度在24.1℃～25.3℃范围内。板翅式一次风出风温度明显低于板式。

图7 板翅式出风温度Fig.7 Plate-fin outlet temperature

图8 板式出风温度Fig.8 Plate outlet air temperature

根据《数据中心设计规范》（GB 50174-2017）和《数据中心蒸发冷却空调技术规范》（T/DZJN 10-2020）[18,19]中规定的数据中心机房送风温度在18℃～27℃之间，回风温度在35℃～38℃之间。本次测试的室外环境干球温度为25℃，相对湿度为39.3%，湿球温度16℃。从图7、8 中可以看出此状态下两种换热芯体湿模式送风温度均在23.3℃～25.3℃范围内，是符合数据中心送风要求的；而此时干模式送风温度在28.9℃～30.2℃范围内，不符合数据中心送风要求。因此接下来对两种不同结构的间接蒸发冷却器在不同室外空气状态参数下各个模式的适用小时数进行划分[20]。

4 适用性分析

4.1 温度区间划分

由于在数据中心全年运行中，间接蒸发冷却空调二/一次风量比会根据室外环境的变化而进行调整，芯体换热效率也会随之波动[21]。为了充分保证数据中心全年稳定运行，板翅式间接蒸发冷却器取最低效率值62.2%（干模式）、60.8%（湿模式）；板式间接蒸发冷却器取最低效率值59.1%（干模式）、57.1%（湿模式）。数据中心送风温度取24℃，目前国内大部分机房送回风温差选取12℃，故回风温度确定为36℃。根据式（1）、（2）计算得到全年运行模式室外二次空气的切换条件[22]：

注：以下结果保留一位小数。

不同间接蒸发冷却器对应三种冷却模式下的温度区间划分不同，三种冷却模式的设备运行状态也不同，代入上述已知数据，得到的结果如表2所示。

表2 运行模式的温度划分Table 2 Operating mode temperature division

4.2 典型城市选取

蒸发冷却空调作为气象空调[23,24]，其性能参数往往受室外空气的干球温度和相对湿度的影响较为严重，因此，室外气象参数对间接蒸发冷却空调应用于数据中心的适用性有着重要的影响[25]。本次实验对象选取我国干燥地区[26]（乌鲁木齐市）、中湿度地区（北京市）以及高湿度地区（广州市）三个城市为代表，如表3所示。

表3 三个典型城市的气候特征Table 3 Climatic characteristics of three typical cities

4.3 全国典型城市适用性分析

利用DeST 模拟软件，输出模拟结果报表，得到上述三个城市全年8760 小时的逐时室外气象参数，依据气象数据[27]并结合表2各个运行模式的切换条件，得到这三个城市全年各冷却模式的运行小时数，如图9所示。

图9 不同城市各个模式运行小时数Fig.9 Operating hours of different modes in different cities

由图9可知，由于各个城市全年室外空气状态不同，全新风自然冷却（干模式）、间接蒸发冷却（湿模式）、机械制冷补冷（混合模式）各自占比也是不同的。板翅式、板式换热芯体的三种模式运行小时数在乌鲁木齐市分别为5926h、1976h、858h；5717h、1590h、1453h。在北京市运行小时数分别为5142h、1164h、2454h；4928h、983h、2849h。在广州市运行小时数分别为2013h、979h、5768h；1767h、914h、6079h。同时，无论在那个地区，板翅式间接蒸发冷却器的干模式与湿模式运行小时数均大于板式；混合模式运行小时数均小于板式。

5 结论

（1）通过实验对比，板翅式、板式换热芯体的平均湿球效率分别为64.1%、60.4%，且在相同二/一次风量比条件下，无论是干模式还是湿模式，板翅式换热芯体的换热效率总是大于板式换热芯体，与理论分析的结果一致，因此板翅式间接蒸发冷却器具有良好的节能效果与推广应用价值。同时板翅式、板式换热芯体的湿模式比干模式平均温降分别大5.6℃、5.2℃，这充分体现了间接蒸发冷却技术的优势。

（2）在三个典型城市各个模式运行小时数中，无论板翅式或者板式换热芯体，乌鲁木齐市（干燥地区）的干模式占比最大，混合模式占比最小；北京市（中湿度地区）的干模式占比最大，湿模式占比最小；广州市（高湿度地区）的混合模式占比最大，湿模式占比最小。造成此种现象的原因为各个城市的全年室外气象参数不同，干空气能的下降会直接影响间接蒸发冷却空调的适用性，随之系统所需要的机械制冷补冷量也会增大。

（3）当数据中心采用新风自然冷却以及间接蒸发冷却为冷源时，板翅式换热芯体在乌鲁木齐、北京、广州的全年运行小时数为7902h、6306h、2992h，全年占比90.2%、72.0%，34.2%；而板式换热芯体在乌鲁木齐、北京、广州的全年运行小时数为7307h、5911h、2681h，全年占比83.4%、67.5%，30.6%。故该研究为不同地区数据中心推广与应用间接蒸发冷却空调提供了参考依据。