间接蒸发冷却技术在北京地区数据中心的应用分析

2023-04-01颜晓光

制冷与空调 2023年1期

颜晓光

（北京首钢国际工程技术有限公司北京 100041）

0 引言

根据我国数据中心技术节能潜力的分析：IT设备系统的综合技术节能潜力在11%～39%，平均为29%；空调系统的节能潜力在4%～69%，平均为36%；配电系统的综合节能潜力在8%～27%，平均为18%[1]，由此可见，数据中心空调节能减排潜力巨大。近年来，随着“双碳”目标的提出，绿色低碳已成为各界共识，在此大背景下，间接蒸发冷却空调技术以其高节能率和高适用性，逐渐成为绿色数据中心主流的冷却方式之一[2]。

常规自然冷却主要受室外干球温度影响，而间接蒸发冷却由于带有水喷雾蒸发冷却，机组的运行主要取决于室外湿球温度，通常室外空气的湿球温度远低于干球温度，因此，该技术很大程度上扩展了利用自然冷却的时域[3]。在不同室外气象参数条件下，间接蒸发冷却空调主要耗能部件风机、水泵以及压缩机开启情况不同，分析其在不同运行模式下的能耗，配置合理的设备并设置合理的切换温度是设计间接蒸发冷却空调的重点及难点。

本文根据北京地区的气象特征，分析了北京地区数据中心采用间接蒸发冷却空调对应不同切换温度、不同模式的年运行时长及能耗，并以某数据中心为例分析了采用间接蒸发冷却空调和传统空调的初投资及运行费用情况，为间接蒸发冷却空调在数据中心应用提供参考。

1 间接蒸发冷却空调适用性分析

数据中心间接蒸发冷却空调采用风侧自然冷却技术，冷却时利用空气/空气换热器与室外空气进行换热，从而使机房送风温度达到要求。间接蒸发冷却技术分为传统意义的间接蒸发冷却和露点间接蒸发冷却。

图1为传统意义的间接蒸发冷却过程的焓湿图，间接蒸发冷却换热芯体干通道侧走一次空气（机房空调的送、回风），从状态点E 被等湿冷却至状态点F；二次空气（室外空气）流经换热芯体的湿通道，与喷淋水接触，发生直接蒸发冷却，从状态点A 增焓降温至状态点D。二次空气通过换热器带走一次空气的热量，使一次空气等湿冷却。

图1 传统间接蒸发冷却焓湿图Fig.1 Enthalpy-humidity diagram of traditional indirect evaporative cooling

图2为露点间接蒸发冷却过程的焓湿图，室外空气A 先从二次空气干通道进入，其中分出一小部分空气进入二次空气湿通道，在湿通道内与喷淋水进行蒸发冷却，同时通过换热板的传热等湿冷却二次空气干通道内剩余的空气及一次空气，进入湿通道的空气由状态点A 到达状态点A’，再从湿通道出口排出，二次空气干通道内的空气由状态点A被等湿冷却至B 状态点；被冷却至状态点B 的二次空气再分出一小部分空气进入到湿通道，与喷淋水发生间接蒸发冷却，同时通过换热板的传热等湿冷却二次空气干通道内剩余的空气及一次空气，进入湿通道的空气由状态点B 到达状态点B’，未进入湿通道的二次空气被等湿冷却至状态点C；继续重复上述的处理过程，直至所有二次空气到达状态点D，并进入到湿通道侧被冷却至状态点D’，最后排至外界，状态点D’接近状态点A 的露点温度。一次空气则是不断被二次空气湿通道发生的热湿处理冷却，从状态点F 等湿冷却至状态点G，然后送入机房。

图2 露点间接蒸发冷却焓湿图Fig.2 Dew-point indirect evaporative cooling enthalpy-humidity diagram

间接蒸发冷却效率用来描述一次空气出口干球温度接近二次空气入口湿球温度的程度，其计算式为：

式中，tg1为一次空气入口干球温度，℃；tg2为一次空气出口干球温度，℃；ts1为二次空气入口湿球温度，℃，ηIEC为间接蒸发冷却效率。

根据文献[4]的相关研究，传统意义的间接蒸发冷却机组，当二/一次风量比达到1.5时，间接蒸发冷却效率基本达到最高值64.8%，露点间接蒸发冷却技术冷却机组，当二/一次风量比达到1.7时，效率基本达到最高值96.5%。研究结果表明，露点间接蒸发冷却机组冷却效率高于传统意义的间接蒸发冷却机组，冷却效率可达90%以上，使得一次空气出风温度更接近二次空气的露点温度。

图3为当蒸发冷却提供冷量来满足数据中心空调送、回风（一次空气出、进）温度要求时，对应不同冷却效率及一次空气送出温度情况下的湿球温度，结果表明，冷却效率越高，一次空气出风温度越高，对应的湿球温度越高。当一次空气温度为25/38℃时，冷却效率60%对应的湿球温度为16.33℃；冷却效率90%对应的湿球温度为23.56℃。同等冷却效率时，随一次空气温度的提高，对应的湿球温度也提高。

图3 不同冷却效率及一次风进出温度时的二次风湿球温度Fig.3 The wet bulb temperature of secondary air at different coolingefficiencies and primary air inlet and outlet temperatures

图4为根据北京全年逐时干球温度和湿度计算的湿球温度分布，全年逐时干球温度和湿度来自DeST 模拟软件。根据湿球温度分布，在7-8月份多数时间湿球温度都大于25℃，最高时可达35℃，因此，单纯依靠间接蒸发冷却不能提供足够的冷量，需要设置机械压缩制冷补充，但通过提高冷却效率及空调送风温度能明显提升间接蒸发冷却提供全部冷量时对应的最低湿球温度，从而缩短机械压缩制冷的运行时间。当冷却效率提高至90%，送/回风温度提高至29/42℃时，对应的最高湿球温度为27.56℃，北京全年运行不满足时间仅为239h，占全年的2.73%。因此，提高送回风温度及间接蒸发冷却效率能减少机械压缩制冷的运行时间，从而节省全年运行电耗。

图4 北京地区全年气象参数—湿球温度Fig.4 Annual meteorological parameters in Beijing area—wet bulb temperature

2 运行模式分析

根据上述分析，北京地区采用间接蒸发冷却空调机组应配备机械压缩制冷补充系统，当外界环境较高，蒸发冷却不能满足制冷量时，由机械制冷补充，补冷装置可采用直接膨胀式冷却或冷冻水+表冷器形式，图5为带机械制冷补充装置（直接膨胀式冷却）的间接蒸发冷却空调机组原理图。

图5 间接蒸发冷却空调原理图Fig.5 Schematic diagram of indirect evaporative cooling air conditioner

依据不同的室外气象参数，间接蒸发冷却空调分为干模式、湿模式、混合模式3种运行模式。

（1）干模式：当室外空气干球温度足够低，仅依靠一次空气与二次空气热交换提供的冷量满足机房所需全部冷量时，采用干模式运行，此时水喷淋系统、补充机械制冷系统不开启，仅一/二次风机运行，二次（室外）风机的转速根据室外温度线性调节，设备的运行状态如表1所示，该工况下系统能耗最低。

（2）湿模式：当干模式不能满足制冷需求时，需开启水喷淋系统，依靠蒸发冷却提供的冷量补充机房所需要的全部冷量，此时补充机械制冷系统不开启，开启一/二次风机及水喷淋系统，二次（室外）风机的转速根据室外温度线性调节，设备的运行状态如表1所示。

（3）混合模式：当湿模式不能满足制冷需求时，开启机械制冷系统来补充不足的冷量，机组处于混合模式运行，此时水喷淋系统、机械制冷系统、一/二次风机全部开启，设备的运行状态如表1所示，该工况下系统能耗最高。

表1 不同模式下设备运行状态Table 1 Device operating status in different modes

三种运行模式间的切换应以最大化利用间接冷却，减少机械制冷为原则，以期实现空调系统最大化节能运行。根据图3，提高间接蒸发冷却系统的换热效率及提高空调送回风温度都可以实现，但鉴于目前的技术水平，冷却效率的提高必将增加设备的体积，往往不符合建设条件；机房采取封闭热通道后，最高送/回风温度为29/42℃，如再继续提高将引起IT设备故障率增加。

根据北京地区的气象条件，夏季空调设计室外湿球温度为26℃，属于中等湿度地区。按目前的技术水平，间接蒸发冷却效率一般为60%～80%，干工况时的换热效率可达50%～60%。表2为不同性能的间接蒸发冷却空调对应三种模式的切换温度及全年运行时长，当空调送/回风温度为25/38℃时，间接蒸发冷却效率由65%提升至75%时，混合模式运行时长减少6.61%，间接蒸发冷却效率由75%提升至85%时，混合模式运行时长减少4.15%。当间接蒸发冷却效率达到85%，空调送/回风温度为29/42℃时，混合模式运行时长仅367h，占全年的4.19%，相比空调送/回风温度为25/38℃时减少10.11%。

表2 不同空调参数时的运行模式全年时长Table 2 Annual duration of operation mode with different air conditioning parameters

3 机械补冷量的设置

间接蒸发冷却空调系统的机械补冷装置容量应根据当地极端气象条件进行配置，根据北京市气象参数，全年最高湿球温度35.3℃，图6为湿球温度高于30℃时的时长分布，湿球温度大于32℃的时间，全年仅17小时，占全年时长的0.19%；湿球温度大于33℃的时间，全年仅6小时，占全年时长的0.07%。

图6 北京市湿球温度＞30℃时的时间分布Fig.6 Time distribution of Beijing wet bulb temperature＞30℃

间接蒸发冷却效率不变的情况下，在一定的湿球温度下，根据式（2）可计算出蒸发冷却后的一次风出口的干球温度t’g2，t’g2高于空调送风温度tg2，需要机械压缩制冷装置对其降温，使其由t’g2降至tg2，机械压缩制冷补充的制冷量占总制冷量的百分比φ，可按下式计算。

式中：tg1为一次空气入口干球温度，℃；tg2为空调送风温度；t’g2为蒸发冷却器出口（蒸发器入口）干球温度，℃；ts1为二次空气入口湿球温度，℃；ηIEC为间接蒸发冷却效率；φ为机械压缩补冷与总制冷量百分比。

图7为当送回风温度为25/38℃时，对应不同间接蒸发冷却效率时需要机械压缩补充的制冷量，当冷却效率为65%，室外湿球温度为35℃时，需要机械压缩制冷补充的冷量为85%；室外湿球温度为32℃时，需要机械压缩制冷补充的冷量为70%。机械补冷量随冷却效率的提高而降低，当冷却效率为85%，室外湿球温度为35℃时，需要机械压缩制冷补充的冷量为80.4%。

图7 不同冷却效率时需要的机械补冷量（25/38℃）Fig.7 Mechanical supplemental cooling capacity required for different cooling efficiencies(25/38℃)

图8为当送回风温度为29/42℃时，对应不同间接蒸发冷却效率时需要机械压缩补充的制冷量，当冷却效率为65%，室外湿球温度为35℃时，需要机械压缩制冷补充的冷量为65%；室外湿球温度为32℃时，需要机械压缩制冷补充的冷量为53.9%。机械补冷量随冷却效率的提高而降低，当冷却效率为85%，室外湿球温度为35℃时，需要机械压缩制冷补充的冷量为54.2%。

图8 不同冷却效率时需要的机械补冷量（29/42℃）Fig.8 Mechanical supplemental cooling capacity required for different cooling efficiencies(29/42℃)

根据图7和图8分析，当将空调送回风温度由38/25℃提高至42/29℃时，对应的机械补冷量明显降低，当冷却效率为65%，对应室外湿球温度为35℃时，机械补冷量由85%降至65%，因此，空调送回风温度设定的越高，对应的机械补冷装置制冷容量越小。

根据北京市气象资料，湿球温度达到35℃的全年时长仅6 小时，若按极端室外湿球温度配置机械制冷系统，将存在较大的裕量，机械制冷系统将在低负荷下长期运行，同时会增加配电容量及不间断电源保障的容量。因此，机械制冷的配置容量应结合IT 设备工作上限温度，经技术经济比较后确定。

4 运行能效分析

间接蒸发冷却空调主要耗能部件为一、二次风机、水泵以及压缩制冷。根据间接蒸发冷却空调运行模式的特点，单位时间的运行能耗：干模式＜湿模式＜混合模式，其中混合模式需要机械压缩制冷运行，其运行能耗明显高于其它模式。

风机作为间接蒸发冷却空调输配能耗占比最大的部件，在干模式、湿模式以及混合模式下均需要工作运行，风机的消耗功率（N1）计算公式为：

式中：P为送风机的全压，kPa；η为送风机的全压效率；L为新风量，m3/h；k为电机容量安全系数，取1.1。

水泵也是间接蒸发冷却空调输配侧的主要耗能部件之一，在干模式下水泵停止运行，在湿模式以及混合模式下均需要工作运行，水泵消耗功率（N2）计算公式为：

式中：Q为水泵的流量，m3/s；H为水泵的扬程，m；η为水泵的效率；ρ为水的密度，取1000kg/m3，g为重力加速度，9.8N/kg。

压缩制冷系统作为间接蒸发冷却空调的补冷装置也是主要耗能部件，在干模式、湿模式下均停止运行，仅在混合模式下工作运行。机械制冷系统的消耗功率（N3）计算公式为：

式中，Φ为制冷量，kW；COP为压缩制冷性能系数；

数据中心间接蒸发冷却空调系统总耗电量是上述耗电部件耗电量之和，空调系统总耗电量（W）为：

式中，Ni为各个耗电部件的实时功率，kW；Ti为各设备的运行时间，h。

本文以式（4）～式（7）计算公式为基础，气象参数来自DeST能耗模拟软件，利用excel表格建立计算模型，分析各工况运行时长及对应运行能耗。以制冷量为260kW的间接蒸发冷却空调为例，计算出三种运行模式的能耗。为验证模型，以某生产商生产的额定制冷量为260kW的蒸发冷却空调设备标定的电功率为基准，在相同风量、制冷量的工况下的模型计算及标定电功率如表3所示，根据计算结果模型计算功率与设备标定功率基本一致。

表3 模型计算与设备标定功率对比Table 3 Comparison between model calculation and equipment calibration power

图9为空调送回风温度为25/38℃时，对应不同冷却效率的运行电耗，其中总电耗为干模式、湿模式、混合模式电耗之和。从四种冷却效率时的电耗分布看，干模式运行的全年能耗最高，主要原因是干模式运行时长最长。随着蒸发冷却效率的提高，湿模式和混合模式运行时长都逐渐缩短，运行能耗也相应降低，其中混合模式降低的更为明显。从全年运行总电耗分析，随冷却效率的提高，全年运行电耗降低，冷却效率由60%提高至65%，耗电量降低4.08%；由65%提高至75%，耗电量降低5.08%；由75%提高至85%，耗电量降低3.6%。说明冷却效率高于65%后，通过提高冷却效率节省电耗的效果越来越不明显。

图9 不同运行模式的耗电量（25/38℃）Fig.9 Power consumption in different operating modes(25/38℃)

图10为空调送回风温度为29/42℃时，对应不同冷却效率的运行电耗。从四种冷却效率对应的电耗分布看，与图9总体趋势相同。从全年运行总电耗分析，随冷却效率的提高，全年运行电耗降低，冷却效率由60%提高至65%，耗电量降低2.67%；由65%提高至75%，耗电量降低3.19%；由75%提高至85%，耗电量降低1.73%。说明冷却效率高于60%后，通过提高冷却效率节省电耗的效果不明显。

图10 不同运行模式的耗电量（29/42℃）Fig.10 Power consumption in different operating modes(29/42℃)

表4为不同送风温度及冷却效率下的耗电量，根据表中数据分析提高空调的送风温度，能明显降低电耗，当冷却效率为60%时，节电率10.06%，随冷却效率的提高节电率逐渐降低。

表4 不同送风温度时的耗电量Table 4 Power consumption at different supply air temperatures

5 经济性分析

为更准确的对间接蒸发冷却空调系统的运行费用、初投资进行分析，本文以北京市某数据中心为例，该数据中心空调设计冷负荷为9220kW，选用单台制冷量为260kW的间接蒸发式冷却空调。空调送回风温度为25/38℃，间接蒸发冷却效率65%，单台空调技术参数如表5所示。

表5 蒸发冷却空调技术参数Table 5 Technical parameters of evaporative cooling air conditioner

在设定的送/回风温度条件下，一次风量为定值，一次风机为定频运行；二次风机为变频，运行时通过改变二次空气侧风量使一次空气侧空气参数保持在规范要求的范围内。表6为主要用电设备的装机容量。

表6 蒸发冷却空调主要用电设备Table 6 Main electrical equipment of evaporative cooling air conditioner

本项目IT 设备100%满负荷运行时，IT 设备总功耗7450kW，电力系统及其它损耗700kW，表7为间接蒸发冷却空调和传统空调（制冷机组+冷却塔系统）全年运行总电耗的对比，间接蒸发冷却空调相比传统空调系统年节省电耗8070709kWh，节省电耗44%，间接蒸发冷却式空调全年PUE 值为1.23。