新型蒸發冷卻空調系統在數據中心的運行測試分析

田振武 黃 翔 郭志成 嚴錦程 劉振宇

新型蒸發冷卻空調系統在數據中心的運行測試分析

田振武 黃 翔 郭志成 嚴錦程 劉振宇

（西安工程大學 西安 710048）

針對數據中心空調系統全年不間斷供冷、運行能耗高的特點，提出一種由蒸發冷卻冷水機組作為全年主導冷源，并結合乙二醇自由冷技術的數據中心用新型蒸發冷卻空調系統，充分利用室外環境干空氣能與冬季自然冷源，實現干燥地區數據中心全年完全自然冷卻。本研究的目的在于，介紹新系統的工作原理，分析系統運行中蒸發冷卻冷水機組運行參數以及新型蒸發冷卻空調輸配系統在數據中心運行過程中參數變化規律，并討論其節能性，為數據中心冷卻工作提供新思路。以新系統實際應用工程——烏魯木齊某數據中心（冷負荷為2760kW）為研究對象，選取最熱月的典型日，通過對系統進行逐時運行參數的實際測試，得出空調系統各換熱環節熱量傳遞過程的溫度、熱量變化規律。在烏魯木齊夏季最熱時，蒸發冷卻冷水機組全天出水溫度范圍在13.1～16.9℃，平均值為14.9℃，新型蒸發冷卻空調系統COP值為6.65kW/kW，相比傳統機房制冷系統節能率超過60%。

數據中心；自然冷卻；蒸發冷卻冷水機組；蒸發冷卻空調輸配系統

0 引言

數據中心空調系統能耗約占數據中心總能耗的40%左右，是數據中心降低PUE的重點環節，而自然冷源利用率低是高能耗的根本原因[1,2]。充分利用自然冷源，開發節能高效的空調設備成為降低數據中心冷卻系統能耗的趨勢。

黃翔、強天偉等首次提出蒸發冷卻空氣—水空調系統的概念及控制方案，用蒸發冷卻冷水機組制取冷水的方法消除室內顯熱負荷[3]。謝曉云、江億等建立了間接蒸發冷卻冷水機組的數學模型，測試了機組的性能，論證了間接蒸發冷卻冷水機組在我國西北地區的可行性[4]。孫鐵柱、白延斌等對蒸發冷卻冷水機組關鍵影響參數進行研究，提出了機組出水溫度的預測方法[5,6]。Clidaras J等將海水作為該機房空調系統的冷源，實現了完全自然冷卻，但初投資較高，運維管理復雜[7]。夏春華等設計了數據中心空調系統用湖水直接供冷系統，采用傳統集中式冷水空調系統作為備份，水系統供回水溫設計為15℃/20℃，數據中心空調系統整體能效比很 高[8]。

數據中心高顯熱、需要全年供冷等特點拓展了間接蒸發冷卻技術的應用范圍，而蒸發冷卻設備合理地與空調輸配系統結合將給數據中心帶來巨大的節能潛力。本研究結合理論基礎對新型蒸發冷卻空調系統進行實際運行測試，并分析了系統的實際運行節能性，為數據中心用蒸發冷卻相關工程提供參考。

1 系統工作原理

數據中心機房用新型蒸發冷卻空調系統由蒸發冷卻與乙二醇自由冷技術耦合而成，工作原理如圖1所示。包括以純水為介質的一次循環和以乙二醇溶液為介質的二次循環，空調末端采用顯熱末端精密空調和蒸發冷卻新風機組相并聯的形式。春夏秋季工況，關閉B閥、F閥，開啟A閥、E閥，調節C閥、D閥，一次循環將間接蒸發冷卻冷水機組制取的冷水送至板式換熱器冷卻二次循環管路的介質；機房顯熱末端精密空調回水一部分進入間接蒸發冷卻冷水機組的表冷器來預冷機組進風，之后與另一部分末端回水混合再進入板式換熱器。夏季極端工況，工作流程與春夏秋季工況相似，只將機房空調末端變成蒸發冷卻新風機組。冬季工況，關閉A閥、C閥、F閥，開啟B閥、D閥、E閥，顯熱末端精密空調回水進入間接蒸發冷卻冷水機組的表冷器之后，直接回到機房空調末端。通過三種主要運行模式之間的切換，實現了干燥地區數據中心機房全年完全自然冷卻。

圖1 數據中心機房用新型蒸發冷卻空調系統

2 理論基礎

對于間接蒸發冷卻冷水機組來說，相關研究通常用露點效率來表征間接蒸發冷卻段性能，露點效率是以干球溫度為基礎的溫降效率，可計算間接段處理空氣的干球溫度。本研究認為設立間接段的目的是將一次空氣等濕降溫，使一次空氣進入淋水填料段之前降低其濕球溫度。間接段出風（即淋水填料段進風）濕球溫度是淋水填料段出水溫度的關鍵因素[9]。因此，間接段亞濕球效率以濕球溫度為基礎來反映間接段溫降效果，是反映間接蒸發冷卻冷水機組間接段性能的評價指標。

該新型蒸發冷卻空調系統的間接蒸發冷卻冷水機組，制取冷水的過程如圖2所示，室外新風狀態點O首先經過表冷器、間接蒸發冷卻器兩級間接段等濕降溫到達C狀態點，被冷卻的空氣隨后進入淋水填料換熱器與機組回水熱濕交換，機組回水由H點被冷卻到G點，淋水填料換熱器中的空氣最終到達E狀態點被排出。此新型間接蒸發冷卻冷水機組采用內冷式、外冷式復合間接蒸發冷卻技術預冷進風，在進入淋水填料換熱器之前得到濕球溫度較低的空氣，這使冷水機組出水溫度低于環境濕球溫度，并且集成了乙二醇自由冷技術，使得在機組在冬季工況下仍可穩定工作。

圖2 間接蒸發冷卻冷水機組工作過程

間接蒸發冷卻冷水機組的間接段亞濕球效率：

淋水填料水側效率：

間接蒸發冷卻冷水機組整機效率：

蒸發冷卻冷水機組制冷量：

式中：1為蒸發冷卻冷水機組間接段亞濕球效率，%；2為蒸發冷卻冷水機組淋水填料水側效率，%；t,o為環境空氣干球溫度，℃；t,o為環境空氣濕球溫度，℃；t,c為間接段后出風濕球溫度，℃；t,o為環境空氣露點溫度，℃；t為蒸發冷卻冷水機組出水溫度，℃；t為蒸發冷卻冷水機組回水溫度，℃；為水的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；為蒸發冷卻冷水機組循環水質量流量，kg/s。

3 測試系統

3.1 系統概況

本蒸發冷卻空調系統應用于新疆烏魯木齊開發區某數據中心，本研究針對項目一期工程，總冷負荷為2767kW。系統采用16臺復合乙二醇自然冷卻的間接—直接蒸發冷卻冷水機組為全年主導冷源（N+3冗余），系統共設計44臺外冷式蒸發冷卻新風機組作為備份。項目于2018年5月逐步投入使用，數據中心空調系統全天24小時不間斷運行。烏魯木齊屬于典型溫帶大陸性干燥氣候，圖3、圖4為全年、典型日逐時室外干球溫度、濕球溫度，并利用Dest模擬軟件得到該數據中心100%使用率狀態下的冷負荷特性。

圖3 室外環境逐時干濕球溫度及冷負荷變化（烏魯木齊全年）

圖4 室外環境逐時干濕球溫度及冷負荷變化（烏魯木齊典型日）

建筑冷負荷的模擬結果顯示，數據中心機房需全年供冷，全年最大冷負荷值為2541kW，最小冷負荷為2431kW，表明數據中心機房冷負荷受全年季節變化影響不大，冷負荷在典型日內幾乎沒有變化，機房主要產熱量是服務器發熱量。

3.2 數據采集

本次測試目的是監測系統夏季運行參數并進行分析。本研究的測量值為工程測量，測量值以滿足系統運行需要為目的，對所能反映系統實際運行狀態的關鍵部位進行測點布置，包括室外環境（測點1）、蒸發冷卻冷水機組間接段后（測點2）、蒸發冷卻冷水機組出水口（測點3）、板換一次水系統供回水接口（測點4、5）、板換二次水系統供回水接口（測點6、7）等。各測點具體測試儀器以及測量量如下：

測點1：測量室外環境大氣壓、溫濕度。大氣壓力采用多功能測量儀（testo480）測量，壓力測量范圍700～1100hPa；溫度、相對濕度采用溫濕度記錄儀儀（testo/174H）測量，溫度測量范圍-20～+70℃，濕度測量范圍0～100%。

測點2：測量蒸發冷卻冷水機組間接段后空氣溫濕度、風速。溫度、相對濕度采用溫濕度記錄儀（testo/174H）測量，溫度測量范圍-20～+70℃，濕度測量范圍0～100%；風速采用葉輪風速測量儀（testo410-1）測量，測量范圍0.4～20m/s。

測點3：測量蒸發冷卻冷水機組出水溫度，出水溫度采用水溫電子傳感器測量，測量范圍-50～110℃。

測點4—測點7：測量板換一次、二次水系統供回水溫度，水溫采用水溫電子傳感器測量，測量范圍-50～110℃。

圖5 系統測試測點分布

4 數據測試結果與分析

4.1 冷水機組

蒸發冷卻冷水機組性能隨氣象條件變化的過程中（特別是夏季工況）能否滿足系統的供冷需求是測試這一新型制冷系統的目的。本研究對夏季典型日（2018年8月10日），蒸發冷卻冷水機組全天出水溫度隨室外環境參數（干球溫度、濕球溫度、露點溫度）變化的影響進行測試，結果如圖6所示。

由圖6可知，蒸發冷卻冷水機組全天出水溫度范圍在13.1～16.9℃，平均值為14.9℃，出水溫度達到亞濕球溫度。蒸發冷卻冷水機組全天整機效率范圍在93%～148%，平均值為121%。在10:00—22:00，且可以用冷幅深來描述其出水溫度較穩定[10]，但是0:00—10:00，出水溫度波動較大，甚至高于環境濕球溫度。觀察全天環境干濕球溫差的變化，0:00—10:00時間段環境平均干濕球溫差為9.5℃，10:00—22:00時間段環境平均干濕球溫差為13.4℃，因此干空氣能品味不同，影響了蒸發冷卻冷水機組出水溫度性能。進而可得出，只用冷幅深、冷幅高等單一的指標來評價蒸發冷卻冷水機組性能不確切。

圖6 蒸發冷卻冷水機組出水溫度隨環境參數變化趨勢

4.2 輸配系統

蒸發冷卻冷水機組制取的冷水要經過輸配系統送入機房空調末端才能帶走機房的熱量，如圖7所示，本研究對新型蒸發冷卻空調系統的制冷量及一、二次水系統供回水溫度進行了全天測試記錄。

從圖7中可看出，二次水系統進出水溫度變化與一次水系統進出水溫度的變化規律一致，一次水系統進出水平均溫度差為5.9℃，二次水系統進出水平均溫度差為5.5℃，板換溫升（即一次水進水溫度與二次水出水溫度之差）平均值為1.3℃。一次水系統的水流量平均值為99.5m3/h，系統制冷量平均值為678kW。從13:00開始至18:00，系統制冷量出現低谷，而一次、二次水系統進出水溫度均隨之下降，這是因為系統在工程管理方面的原因，一次水系統流量出現了一段時間的下降所致。從8:00—13:00，隨著當地室外溫度逐步升高，增大水系統流量，系統制冷量呈上升趨勢。這種在固定蒸發冷卻冷水機組臺數的前提下升高系統流量帶來的后果是打破蒸發冷卻冷水機組淋水填料段最佳風水比參數，使得其制取的冷水溫度上升。因此在系統今后的運行控制過程中，還應協調系統流量與冷水機組出水溫度的關系，使系統制冷量達到最優。

圖7 新型蒸發冷卻空調水系統參數全天變化情況

4.3 系統性能評價

4.3.1 空調系統制冷性能系數

為了評價新型蒸發冷卻空調系統的性能，對整個空調系統的性能參數進行檢測。在近設計工況下（環境干球溫度33.6℃，相對濕度23.1%，環境濕球溫度18.2℃），得到本空調系統制冷量與系統消耗總功率，并計算出空調系統制冷性能系數結果如表1所示。

表1 新型蒸發冷卻空調系統性能參數實測值

對于此新型蒸發冷卻空調系統性能，本研究用空調系統制冷性能系數（COP，coefficient of refrigeration performance）來評價[11]，COP是衡量冷卻系統冷卻效率的指標，即整個空調系統提供的冷量與其消耗的能量之比。新型蒸發冷卻空調系統COP值為6.65kW/kW，節能效果顯著。

4.3.2 新型蒸發冷卻空調系統與傳統空調系統的對比分析

以本研究項目一期工程為例，選取目前數據中心機房兩種常用空調系統（自然風冷螺桿空調系統、水冷磁懸浮離心機空調系統）與本蒸發冷卻空調系統作對比，統計系統全年不同運行狀態下所消耗的電費、水費。

表2 新型蒸發冷卻空調系統與傳統空調系統全年運行費用對比

注：電費按0.513元/（kWh）計算。

由表2可知，新型蒸發冷卻空調系統與傳統機房空調系統初投資相當，但其全年運行費用比自然風冷螺桿空調系統和水冷磁懸浮離心機空調系統分別低215萬元、195萬元，節能率為63.6%、61.3%。

5 結論

（1）以集成乙二醇自由冷技術的蒸發冷卻冷水機組為全年主導冷源的數據中心機房新型蒸發冷卻空調系統，實現了干燥地區數據中心完全自然冷卻，為數據中心節能提供新思路。

（2）對烏魯木齊夏季典型氣象日進行全天逐時測試，得出蒸發冷卻冷水機組全天出水溫度范圍在13.1～16.9℃，平均值為14.9℃，蒸發冷卻冷水機組性能較穩定。在室外環境變化對冷水機組產生影響的時候，可以通過系統水流量調節制冷量。

（3）實測近設計工況下，新型蒸發冷卻空調輸配系統空調系統制冷性能系數（COP）為6.65kW/kW，相比傳統機房制冷系統節能率超過60%。

[1] 張海南,邵雙全,田長青.數據中心自然冷卻技術研究進展[R].制冷學報,2016,37(4):46-57.

[2] 錢曉棟,李震.數據中心空調系統節能研究[J].暖通空調,2012,42(3):91-96.

[3] 黃翔,強天偉,武俊梅,等.蒸發冷卻空調系統自動控制方案的探討[J].暖通空調,2003,33(4):109-112.

[4] 謝曉云,江億,劉拴強,等.間接蒸發冷水機組設計開發及性能分析[J].暖通空調,2007,37(7):66-71.

[5] 孫鐵柱,黃翔,文力.蒸發冷卻與機械制冷復合高溫冷水機組水系統配比問題分析[J].流體機械,2011,39(5): 81-84.

[6] 白延斌,黃翔,孫鐵柱,等.氣水比對蒸發冷卻高溫冷水機組出水溫度的影響[J].流體機械,2011,39(10):83-86.

[7] Clidaras J, Stiver D W, Hamburgen W. Water-based data center:7525207[P]. 2009-04-28.

[8] 牛曉然,夏春華,孫國林,等.千島湖某數據中心采用湖水冷卻技術的空調系統設計[J].暖通空調,2016,46(10): 14-17.

[9] 耿志超.蒸發冷卻冷水機組性能測試與分析[C].第七屆全國建筑環境與能源應用技術交流大會文集,2017:6.

[10] 黃翔,孫鐵柱,白延斌,等.間接—直接蒸發冷卻復合冷水機組出水溫度特性試驗研究[J].流體機械,2012, 40(7):52-55.

[11] 中國制冷學會數據中心冷卻工作組.中國數據中心冷卻技術年度發展研究報告[M].北京:中國建筑工業出版社,2017.

Test and Analysis of New Evaporative Cooling Air Conditioning System in Data Center

Tian Zhenwu Huang Xiang Guo Zhicheng Yan Jincheng Liu Zhenyu

( Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

For data center for uninterrupted cooling air conditioning system, the characteristics of high energy consumption of the operation, put forward a kind of the evaporative cooling water chillers as cold source and throughout the year and combined with ethylene glycol free cold technology data center for new evaporative cooling air conditioning system, can make full use of the dry air outdoor environment and natural cold source in winter, dry areas data center for natural cooling completely. The purpose of this study is to introduce the working principle of the new system, analyze the operating parameters of the evaporative cooling chiller in the system operation and the variation rules of the parameters in the data center operation of the new evaporative cooling air conditioning transmission and distribution system, and discuss its energy conservation, so as to provide a new idea for the data center cooling work. Taking a data center in urumqi, a practical application project of the new system (the cooling load is 2760kW), as the research object, the typical day of the hottest month is selected, and the temperature and heat change rules of heat transfer in each heat exchange link of the air-conditioning system are obtained through the practical test of the system's time-by time running parameters. In the hottest summer in urumqi, the all-day water outlet temperature of the evaporative cooling chiller ranges from 13.1℃ to 16.9℃, with an average value of 14.9℃. The COP value of the new evaporative cooling air-conditioning system is 6.65kW/kW, and the energy saving rate is more than 60% compared with the traditional machine room cooling system.

The data center; Natural cooling; Evaporative cooling chiller; Evaporative cooling air conditioning distribution system

TU83

A

1671-6612（2020）03-297-06

“十三五”國家重點研發計劃項目課題（編號：2016YFC0700404）

田振武（1994.07-），男，在讀碩士研究生，E-mail：936391028@qq.com

黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2019-06-24