数据中心用间接蒸发冷却空调机组性能测试及适用性分析

陈 梦，黄 翔，金洋帆，武茁苗，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，河北廊坊 065201）

0 引言

随着5G、云计算、数字化转型的快速发展，数据中心的建设规模和数量呈现快速增长的趋势［1］。但数据中心能耗巨大，一般是写字楼耗电量的50倍，而制冷能耗约占数据中心总能耗的40%［2］，随着国家提出“30·60”双碳目标，如何最大限度地利用自然冷源［3］、降低数据中心空调系统能耗得到了广泛关注。

近年来，A公司利用EPX聚合物［4-5］为数据中心的空调系统开发出板管喷淋式间接蒸发自然冷却空调机组，机组运行时根据室外温湿度变化切换运行模式，实现全年正常运行。B公司研发了一款模块化间接蒸发冷却空气处理机组［6］，将热交换器、机械制冷设备等其他部件集成至集装箱内部，最大限度的利用自然冷源，实现数据中心电能利用效率PUE＜1.25。C公司开发了用于数据中心的交叉流板翅式间接蒸发冷却空调系统［7］，系统采用雾化喷淋的布水方式及高分子材料所制换热芯体，内置机械制冷补冷，可以实现多种工况运行。

目前将蒸发冷却与机械制冷结合制取冷风的技术［8］在数据中心冷却领域已经逐步得到了应用，实际应用过程中实现了天然冷源与人工冷源优势互补，节能减排，绿色环保［9］。但针对数据中心用间接蒸发冷却空调机组的性能、运行模式研究还不够深入，因此本文针对数据中心用间接蒸发冷却空调机组的基本性能、3种运行工况进行了测试及分析，同时针对机组节电模式、节水模式的切换条件进行了计算，就典型城市的全年运行小时数进行了分析。

1 数据中心用间接蒸发冷却空调机组概况

1.1 基本参数

数据中心用间接蒸发冷却空调机组结构如图1所示，机组额定参数见表1。

图1 数据中心用间接蒸发冷却空调机组结构示意Fig.1 Structural diagram of indirect evaporative cooling air conditioning unit for data center

表1 数据中心用间接蒸发冷却空调机组额定参数Tab.1 Rated parameters of indirect evaporative cooling air conditioning units for data center

1.2 运行工况

数据中心用间接蒸发冷却空调机组有3种运行工况，分别如下：

（1）干工况：此种工况下室外新风温度低于数据中心机房回风温度，室外新风经由换热器，将冷量传递至数据中心机房回风侧空气，满足数据中心机房送风要求；该工况在冬季以及春、秋季部分时段适用。

（2）湿工况：此种工况下室外新风通过湿膜被加湿降温冷却，经由换热器，与数据中心机房回风进行冷热量交换，满足数据中心机房送风要求；该工况在春秋过渡季适用（视空气湿度而定）。

（3）混合工况：此种工况下室外新风通过湿膜被加湿冷却，经由换热器，对数据机房回风进行预冷降温，同时补充部分机械制冷，使温度进一步降低，满足数据中心机房送风要求；该工况在夏季适用（视空气湿度而定）。

2 试验测试

间接蒸发冷却性能测试平台由测试间、环境模拟组空、IT负荷模拟组空、冷热源系统、风量测量模块、电能测量模块、主控制平台组成，可以对间接蒸发冷却空调机组的性能进行测试研究。测试平台流程原理如图2所示。

图2 测试平台流程原理Fig.2 Schematic diagram of test platform process flow

间接蒸发冷却性能测试平台主要测试传感器见表2。

表2 性能测试平台主要测试传感器Tab.2 Main tests sensors used in the performance test platform

3 试验测试性能分析

3.1 测试概况

测试地点为北京，属中等湿度地区，测试时间为2021年6月22日，晴天。

3.2 温度测试

测试期间，温度测试结果如图3所示。

图3 温度测试结果Fig.3 Test results of temperature

图3示出了间接蒸发冷却空调机组二次空气、一次空气温度的变化情况，测试期间二次空气入口干球温度最高为33.4 ℃对应时刻16：00、此时湿球温度为20.5 ℃；一次空气入口干球温度最高为 38.4 ℃、最低为 37.7 ℃、平均为 38.0 ℃；

经过机组处理，一次空气出口干球温度最高为 25.2 ℃、最低为24.8 ℃、平均为25.0 ℃，满足数据中心送风参数要求；一次空气温降平均为12.9 ℃，最高为 13.3 ℃。

3.3 风量测试

对于数据中心用间接蒸发冷却空调机组，当一次风量不变时，增加二次风量可以强化与湿通道侧水膜的换热，进而提高机组的冷却性能，但二次风量的增加对于机组冷却性能的提高仅限于规定范围内。控制二次风量，将二/一次风量比保持在合理范围内，对数据中心用间接蒸发冷却空调机组高效、稳定、经济的运行具有重要意义［10］。

测试期间，对一次风量、二次风量进行多次调节，最终实际针对不同工况运行测试期间，得到一次风量为56 000 m3/h，二次风量分别为60 000，56 000 m3/h，二/一次风量比近似分别为1.1，1.0。

3.4 功率、制冷量测试

测试期间，对机组总功率、制冷量进行了测试，同时得出机组COP。6月22日测试结果如图4所示。

图4 功率、制冷量测试结果Fig.4 Test results of power and cooling capacity

图4示出了间接蒸发冷却空调机组总功率、制冷量及COP随二次空气入口干球温度的变化情况。测试期间机组在满足数据中心室内一次空气送回风温湿度参数要求的前提下，机组制冷量平均值均为220 kW。

机组二次空气入口干球温度最高为33.4 ℃对应时刻16：00，此时机组总功率为56 kW、制冷量为229 kW、COP为4.07；二次空气入口干球温度最低为31.6 ℃对应时刻14：00，此时机组总功率为54 kW、制冷量为221 kW、COP为4.07；机组总功率平均值为55 kW、COP平均值为4.06。

3.5 不同工况运行测试

通过对室内外温湿度参数进行模拟作为此次试验的测试工况。干工况、湿工况、混合工况各选取7个工况进行测试。

3.5.1 干工况

干工况具体测试结果如图5所示。

图5 干工况测试结果Fig.5 Dry condition test results

图5示出了间接蒸发冷却空调机组在干工况下运行，在满足数据中心室内一次空气送回风温湿度参数要求的前提下，机组冷却效率随二次空气入口干湿球温度的变化情况。测试期间，在二/一次风量比近似为1.1时，随二次空气入口干湿球温度的上升，机组冷却效率也呈上升趋势；在工况7下，机组冷却效率达到最大值为62.7%，此时二次空气干球温度为17.9 ℃、湿球温度为16.8 ℃，可将数据中心内38.3 ℃的一次空气冷却至25.5 ℃，一次空气温降12.8 ℃。

测试期间，干工况下机组平均冷却效率为60.2%，一次空气出口平均干球温度为25.1 ℃，平均温降为13.0 ℃。

3.5.2 湿工况

湿工况具体测试结果如图6所示。

图6示出了间接蒸发冷却空调机组在湿工况下运行，在满足数据中心室内一次空气送回风温湿度参数要求的前提下，机组冷却效率随二次空气入口干湿球温度的变化情况。测试期间，机组在湿工况下运行，所需二次风机风量有所降低，在二/一次风量比近似为1.0时，随二次空气入口干湿球温度的上升，机组冷却效率也呈上升趋势；在工况7下，机组冷却效率达到最大值为63.2%，此时二次空气干球温度为19.9 ℃、湿球温度为17.4 ℃、相对湿度高达79.2%，该股空气被湿膜等焓加湿冷却后湿球温度不变、干球温度为18 ℃，空气温降1.9 ℃，可将数据中心内38.2 ℃的一次空气冷却至25.4 ℃，一次空气温降12.8 ℃。

测试期间，湿工况下二次空气经过湿膜后平均温降为1.9 ℃，机组平均冷却效率为60.5%，一次空气出口平均干球温度为25.4 ℃，平均温降为12.7 ℃。

3.5.3 混合工况

混合工况具体测试结果如图7所示。

图7 混合工况测试结果Fig.7 Mixed condition test results

图7示出了间接蒸发冷却空调机组在混合工况下运行，在满足数据中心室内一次空气送回风温湿度参数要求的前提下，机组COP、二次空气入口干湿球温度的变化情况。测试期间，在二/一次风量比近似为1.1时，随二次空气入口干湿球温度的变化，机组一次空气出口干球温度最高为 25.6 ℃、最低为 24.8 ℃、平均为 25.3 ℃。

测试期间，混合工况下机组一次空气出口平均干球温度为25.3 ℃，平均温降为12.7 ℃，机组平均COP为3.8。

4 不同运行模式切换条件

数据中心用间接蒸发冷却空调机组运行工况的切换条件分别取决于二次空气（对于数据中心来说即室外空气）的干球温度与相对湿度。根据《数据中心设计规范》（GB 50174-2017），冷通道或机柜进风区域的温度为18～27 ℃，冷通道或机柜进风区域的露点温度为5.5～15 ℃，相对湿度不超过60%［11］。将数据中心机房送风温度选取为 25 ℃，回风温度选取为 38 ℃［12］，分别就节水模式、节电模式切换条件进行计算。

4.1 节水模式切换条件

为了降低间接蒸发冷却器的耗水量，应尽可能使间接蒸发冷却器多以干工况运行。节水模式也是目前数据中心用间接蒸发冷却空调机组的常规运行模式，因此节水模式也被称为常规模式。

4.1.1 干工况

间接蒸发冷却器在干工况下一般能达到60%的换热效率［13］。

式中 η——干工况下间接蒸发冷却器的换热效率；

tg1——一次空气入口干球温度，℃；

tg2——一次空气出口干球温度，℃；

t'g1——二次空气入口干球温度，℃。

将η≤ 60%，tg1=38 ℃，tg2=25 ℃代入，求得 t'g1=16.3 ℃，可以得到在室外二次空气入口的干球温度≤16.3 ℃时，机组运行干工况。

4.1.2 湿工况

间接蒸发冷却器在湿工况下一般能达到70%的换热效率［13］。

式中 η——湿工况下间接蒸发冷却器的换热效率；

ts1——二次空气入口湿球温度，℃。

将η≤70%，tg1=38 ℃，tg2=25 ℃代入，求得ts1=19.4℃，即可以得到在室外二次空气入口的干球温度＞16.3 ℃且湿球温度≤19.4 ℃时，机组运行湿工况。

4.1.3 混合工况

当室外二次空气入口的湿球温度＞19.4℃时，机组运行混合工况。

在机组节水模式下运行时室外二次空气环境参数切换的设定值见表3。

表3 节水模式下室外二次空气环境参数切换的设定值Tab.3 Setting value for outdoor secondary air environment parameter switching in water saving mode

4.2 节电模式切换条件

一般情况下，间接蒸发冷却器湿工况的湿球效率总高于干工况的换热效率。因此为了降低间接蒸发冷却器的耗电量，同时提高换热器的效率，应尽可能使间接蒸发冷却器多以湿工况运行，以节电模式运行，需要避免因一次空气温度过低，在间接蒸发冷却器中产生结露、结冰的现象，因此室外空气干球温度最低取10 ℃［14］。

通过计算，在节电模式下运行时室外二次空气环境参数切换的设定值见表4。

表4 节电模式下室外二次空气环境参数切换的设定值Tab.4 Setting value for outdoor secondary air environment parameter switching in power saving mode

以上2种模式机组均可以正常运行，且一次空气送风温湿度均可以满足数据中心送风参数要求。

5 适用小时数分析

蒸发冷却技术应用区域可按照夏季空调室外计算湿球温度划分为干燥地区、中等湿度地区、高湿度地区［15-18］，在不同地区，间接蒸发冷却空调机组全年运行小时数也存在差异。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的气象数据［19］，通过对干燥地区乌鲁木齐、中等湿度地区北京、高湿度地区福州的3个典型城市室外环境空气干湿球温度全年变化情况进行统计，进而对间接蒸发冷却空调机组在不同城市进行适用小时数计算分析，3个城市节水模式（常规模式）、节电模式下全年运行小时数占比如图8所示。

图8 不同城市节水模式、节电模式下全年运行小时数占比Fig.8 Percentage of annual operating hours under different water saving mode and power saving mode in different cities

从图8中可以看出，间接蒸发冷却空调机组在不同地区运行，干工况全年运行小时数占比：乌鲁木齐＞北京＞福州，混合工况全年运行小时数占比：福州＞北京＞乌鲁木齐。

6 结论

（1）根据测试数据计算分析可得，在满足数据中心室内一次空气送回风温湿度参数要求的前提下，间接蒸发冷却空调机组在干工况下运行，机组平均冷却效率为60.2%，一次空气出口平均干球温度为25.1 ℃，平均温降为13.0 ℃；湿工况下运行，二次空气经过湿膜等焓加湿冷却后平均温降为1.9 ℃，机组平均冷却效率为60.5%，一次空气出口平均干球温度为25.4 ℃，平均温降为12.7 ℃；混合工况下运行，此时压缩机开启，一次空气出口平均干球温度为25.3 ℃，平均温降为12.7 ℃，机组平均COP为3.8。

（2）数据中心用间接蒸发冷却空调机组应该因地制宜地选择运行模式以此降低数据中心空调系统能耗，对于水资源丰富的地区，选择节电模式尽可能多的运行湿工况，而对于缺水且水质较差的地区，选择节水模式（常规模式）尽可能多的运行干工况。