山西某銀行數據中心冷水機組選用對比分析

侯 瑞

(華林中創建筑規劃設計有限公司，山西 太原 030027)

金融業數據中心需要保證24 h不間斷運行，因此對數據中心的能源消耗進行控制就顯得尤其重要。研究數據證明，數據中心總能耗的40%用于通風空調系統。可見數據中心空調系統的節能潛力巨大[1]。

筆者在進行數據中心空調設計時，分析了蒸發冷凝式冷水機組用于數據機房的優勢，并在能效比、年運行費用等方面與自然冷卻風冷式冷水機組進行了對比分析。

1 蒸發冷卻

1.1 蒸發冷卻技術簡介

蒸發冷卻空調技術是一項利用水蒸發吸熱制冷的技術，根據水與被冷卻空氣的接觸方式蒸發冷卻系統分為間接式，直接式和復合式等形式[2]。

1.2 蒸發冷卻在焓濕圖中處理流程

蒸發冷卻在焓濕圖中處理流程如圖1所示。

1)直接蒸發冷卻設備處理空氣后，空氣的狀態點位于0點與1點(空氣狀態為0點所對應的空氣濕球溫度點)之間，即空氣的干球溫度與濕球溫度之間的某一點，極限溫度可以達到1點。2)間接蒸發冷卻設備處理空氣后，空氣的狀態點位于干球溫度與露點溫度之間的某一點。3)復合蒸發冷卻設備處理空氣后，空氣的終狀態點由間接與直接兩種蒸發方式共同確定，若間接蒸發處理空氣到2點，則最終空氣狀態點會落到3點處(空氣狀態為2點所對應的濕球溫度點)。4)多級蒸發是在單級蒸發冷卻的基礎上發展出來的。通過多次對空氣進行冷卻，使被處理空氣無限接近露點溫度4(空氣狀態為0點所對應的露點溫度點)。

1.3 蒸發冷凝式機組介紹

蒸發冷凝式冷水機組由四大部件組成。其中的蒸發式冷凝器是機組獨有的部件，也是與常規水冷式冷水機組的主要區別之處。機組啟動后，冷卻水噴淋系統首先啟動，冷卻水經過上部噴淋系統，被噴淋在冷凝排管外部，與冷凝排管內部高溫制冷劑發生熱交換，吸收制冷劑的熱量，達到冷卻制冷劑的目的。機組同時設置機械通風系統，通過空氣與水的雙重作用，強化換熱效果。

2 風冷冷卻

2.1 風冷冷卻技術簡介

風冷式冷水機組是以空氣作為冷卻介質，不需要冷卻水系統。風冷機組結構簡單、造價較便宜、安裝方便，由于沒有冷卻水的因素，冷凝器不易結垢，換熱效果好。

2.2 風冷冷凝式機組介紹

空氣受到自身物理性質的限制，與冷凝器內的制冷劑進行換熱時，需要更大的換熱面積，才能達到與水冷式同樣的換熱效果。因此會導致風冷設備機組尺寸增大。此外，機組對周邊環境溫度要求苛刻，當地空調計算干球溫度較高時，機組冷卻效果受到很大的影響。因此，自然冷卻風冷式冷水機組常采用復合式制冷模式，首先充分利用室外低溫空氣的冷卻能力，同時設置機械式制冷為整個系統提供保障，保證機組在各種環境下運行的穩定性。

3 兩種機型運行分析及經濟性比較

3.1 工程項目概況

本項目位于山西省太原市，總建筑面積18 544.43 m2，其中三、四層為數據中心，面積為1 910.4 m2，按照標準機房設計。室外設計參數如表1所示，室內設計參數見表2。

表1 室外空氣計算參數(太原地區)

表2 室內計算參數

3.2 冷負荷計算

綜合考慮數據中心24 h不間斷運行的特殊性。冷量按照逐時逐項綜合最大值計算，冷負荷最大值為630 kW,其中建筑冷負荷30 kW，數據中心機房工藝冷卻550 kW,輔助及UPS房間冷負荷50 kW。

3.3 性能對比分析

表3為常規制冷工況下，數據機房分別采用兩種機組在經濟性，性能、能源消耗等方面的對比。

表3 常規制冷工況下兩種方案COP及運行費用對比

從表中數據可知：1)COP比較：蒸發冷凝式冷水機組與自然冷卻風冷式冷水機組相比，COP有大幅提升，二者存在巨大差距。2)經濟性方面比較：a.初投資經濟性比較：蒸發冷凝式冷水機組系統造價約為250元/m2，自然冷卻風冷式冷水機組系統造價約為230元/m2，蒸發冷凝式冷水機組初投資費用略高。b.運行費用經濟性比較：蒸發冷凝式冷水機組具有更低的年耗電費，經濟性方面比自然冷卻風冷式冷水機組更具優勢。

3.4 機組利用室外低溫空氣能力的對比分析

當外部環境滿足機組使用要求時，兩種機型均可在完全不開啟壓縮機的前提下，利用外界環境進行熱交換，提供冷量，滿足使用需求。表4所示為利用室外低溫空氣時，數據中心機房分別采用兩種機型的性能比較。

表4 自然冷源工況下兩種方案COP對比

從表中數據可知，當機組處于室外低溫空氣工況下運行時，機組的節能效果均非常明顯。提供相同制冷量的前提下，蒸發冷凝式冷水機組具有更高的能效比，經濟性方面具有更大的優勢。

3.5 兩種機組對環境空氣溫度依賴性比較

風冷式冷水機組的性能變化與環境的干球溫度有直接關系，而環境的濕球溫度則決定了蒸發冷凝式冷水機組的性能變化。圖2為環境空氣濕球溫度與蒸發冷凝式冷水機組性能變化關系。由數據可知，機組制冷性能與其所處環境的濕球溫度成反比關系。濕球溫度的升高，會導致冷凝溫度及其對應的冷凝壓力的共同升高。這對冷凝器的傳熱非常不利，因為隨著冷凝溫度升高，冷凝器內外的傳熱溫差會變小，壓縮機的壓比π會增大，系統制冷量及性能系數均會受到影響，下降的幅度非常明顯。因此，在實際使用中，需要隨時關注機組的室外環境參數，選擇合適的冷卻方式[3]。

圖3為環境干球溫度與自然冷卻風冷式冷水機組性能變化關系。由數據可知，與濕球溫度對蒸發冷凝式冷水機組性能的影響類似。風冷式冷水機組制冷性能與其所處環境的干球溫度同樣成反比關系。隨著干球溫度的升高，制冷機組的效率降低，制冷量及性能系數都會產生明顯下降，需要消耗更多的電能去制冷，從而造成經濟性的下降。

4 結語

根據兩種機組在不同工況下的運行情況，考慮環境溫度對機組性能的影響，得到如下結論：

1)在常規制冷工況下，蒸發冷凝式冷水機組在經濟性及COP性能上占據優勢。2)使用自然冷源工況下，兩種機組COP數據均很高。其中蒸發冷凝式冷水機組的COP更是高達29.5，仍比自然冷卻風冷式冷水機組COP高約34.1%。3)兩種機組性能均受到環境溫度的影響。分別受到環境中空氣濕球溫度及空氣干球溫度的影響，并且與溫度的變化成反比關系。4)隨著科學技術的不斷發展，蒸發冷卻機組的節能潛力及經濟優勢將得到更大的體現。