蒸發冷凝式間接蒸發冷卻空調機組的設計與測試

傅耀瑋，黃 翔

(西安工程大學 城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著互聯網的快速發展及5G時代的到來，數據中心基礎設施的建設進入加速期，尤其是新基建政策推出以來，其增長速度呈指數級爆炸式增長。在數據中心的能耗分布中，制冷能耗約占數據中心總能耗的40%[1]；而冷卻系統“能源浪費”最多、“節能潛力”最大； 在“碳達峰”“碳中和”節能減排的雙碳目標下，數據中心的節能降耗已刻不容緩，從數據中心空調系統進一步降低數據中心能耗是重中之重。

蒸發冷卻空調技術以水為冷卻介質，利用可再生能源“干空氣能”通過水分蒸發吸熱制冷，由空氣和水直接或間接接觸，制取清潔的冷風或者高溫冷水，具有健康、經濟、節能、環保等特點[2-4]。蒸發冷卻與機械制冷復合空調機組是常見的蒸發冷卻空調技術的應用方式[5-7]，目前，蒸發冷卻空調技術已經在數據中心得到了應用[8-11]，常見形式多為間接蒸發冷卻一體化空調機組。在寧夏中衛亞馬遜、360等大型數據中心采用蒸發冷卻與機械制冷復合空調系統，充分利用“干空氣能”實現“免費供冷”，降低了傳統機房的空調能耗，為蒸發冷卻與機械制冷復合技術在我國數據中心等領域的應用奠定了基礎[12-15]。

蒸發冷凝技術是將蒸發冷卻技術應用在冷凝器散熱上，通過噴淋水與空氣在冷凝盤管表面進行蒸發冷卻的過程，降溫后再給盤管內部的制冷劑降溫冷凝，利用水的氣化潛熱進行散熱，相較于傳統的風冷式冷凝器和水冷式換熱效率高、能耗低[16-17]。將蒸發冷卻、蒸發冷凝、機械制冷3種技術相結合，有效彌補了蒸發冷卻空調技術與傳統機械制冷方式的不足，實現兩者的優勢互補，同時在原有基礎上進一步降低了設備能耗。目前蒸發冷凝技術已在空調機組中應用[18-22]，但在數據中心領域應用較少。因此，本文針對數據中心機房設計研發能耗更低、結構設計合理完善、工作性能良好、運行維護可靠的新型空調機組。

1 機組設計

1.1 設計概況

根據結構設計和計算配比，機組設計采用一體化設計，整機尺寸2 250 mm×850 mm×2 000 mm，制冷量22 kW，送風量5 000 m3/h，各功能段由整體外殼包裹，主要有間接蒸發冷卻段、檢修段、蒸發冷凝段、直膨段等主要功能段。間接蒸發冷卻段芯體根據機組設計參數及尺寸，通過調研對比選用金屬鋁箔高分子涂層材料的板翅式間接蒸發冷卻芯體，該芯體結構緊湊、親水性好、防結垢能力強、換熱效率高。其中在室內側的數據中心回風依次經過一次空氣進風口、板翅式間接蒸發冷卻換熱器(干通道)、一次送風機、蒸發器、一次空氣送風口。室外側空氣依次經過二次空氣進風口、板翅式間接蒸發冷卻換熱器(濕通道)、二次排風機、二次空氣排風口。在冷凝側，室外空氣依次經過冷凝進風口、冷凝段填料、蒸發式冷凝器、冷凝排風機。機組實物圖和結構示意圖如圖1所示。

圖 1 機組實物圖和結構示意圖Fig.1 Picture of the unit and structure diagram

機組間接蒸發冷卻器的布水采用2種布水方式，一種將噴嘴設置在換熱芯體上部，采用上部噴淋的布水形式，二次空氣流向與布水方向相反，稱之為逆噴；另外一種將噴嘴設置在換熱芯體下部，采用下部噴霧的布水形式，二次空氣流向與布水方向相同，稱之為順噴。2種布水裝置相結合，彌補了常規單一布水方式存在的布水不均勻問題。

機械制冷段中冷凝器采用蒸發式冷凝器，相較于傳統的風冷式冷凝器和水冷式冷凝器，有效降低了耗水量和設備能耗，換熱效率更高。在結構設計時，在冷凝器底部盤管下增設填料，可優先將進風口的空氣在填料中與淋水發生蒸發冷卻過程，冷卻后再吹向盤管，同時還可以有效降低循環水水溫，進一步提高換熱效率。

本機組將蒸發冷卻、蒸發冷凝、機械制冷3種技術緊密結合在一起，根據不同室外氣象條件切換工況，使3種技術切換配合運行。目前數據中心現有的蒸發冷卻機組是將蒸發冷卻與機械制冷相結合的一體化機組，具有低碳、環保、經濟、健康等特點，但在機械制冷模塊開啟運行時，能耗仍然很高。而本文設計的機組在現有的研究基礎之上，將蒸發冷卻、機械制冷與蒸發冷凝技術耦合，通過應用蒸發式冷凝器，在一定程度上提升了換熱效率，可以進一步有效降低機械制冷開啟時的運行能耗，也規避了普通冷凝器結水垢的問題。并且無須設置冷卻塔，減少了占地問題，在數據中心寸土寸金的地方有極大的應用潛力，延長了數據中心自然冷源的使用時間，縮短了機械制冷運行時長，最大程度地降低了電源使用效率(power usage effectiveness，PUE)，達到了節能減排的目的。

1.2 機組運行模式

機組以自然冷卻為主，機械制冷為補充，間接蒸發冷卻系統的運行模式分為干模式、濕模式和混合模式3種模式。3種模式判定條件取決于室外新風的溫濕度，需在本機組二次空氣(新風)進風口處設置溫濕度檢測裝置，并對數據進行反饋，從而切換機組的3種運行模式。

1) 干模式。冬季寒冷且室外環境溫度低，機組以干模式運行。此時布水系統和機械制冷模塊關閉，完全由室外空氣對數據機房回風進行冷卻；二次側的低溫空氣從室外進入機組，通過間接蒸發冷卻換熱芯體的濕通道與干通道中的數據中心機房的回風進行熱交換，然后經排風口排出。數據中心較高溫度的回風進入機組后，經過間接蒸發冷卻換熱芯體的干通道被室外低溫空氣直接冷卻后，由送風口送入數據中心機房。機組干模式運行原理及一次空氣處理過程如圖2所示，圖中N為室內回風狀態點，O為送風狀態點。

圖 2 機組干模式運行原理及一次空氣處理過程Fig.2 Unit dry mode operation principle and primary air treatment process

2) 濕模式。在過渡季節，室外環境溫度較為溫和，機組以濕模式運行。此時補水系統開啟，機械制冷模塊關閉，通過噴淋蒸發制冷。布水器向間接蒸發冷卻器進行布水，室外空氣從二次進風口進入，進入間接蒸發冷卻器進行換熱，后經二次排風機從二次排風口排出。數據中心較高溫度的回風先通過一次進風口進入機組，流經間接蒸發冷卻器與室外經過直接蒸發冷卻處理后的新風進行換熱，被冷卻后的數據中心回風，由一次送風機經一次送風口送入數據機房。機組濕模式運行原理及一次空氣處理過程如圖3所示，圖中N為室內回風狀態點，O為送風狀態點。

圖 3 機組濕模式運行原理及一次空氣處理過程Fig.3 Unit wet mode operation principle and primary air treatment process

3) 混合模式。在炎熱的夏季，當室外溫度較高且濕球溫度也較高時，機組以混合模式運行。噴淋蒸發制冷+部分機械制冷同時開啟，此時間接段噴淋系統和機械制冷系統同時運行，共同達到需要的制冷量。布水器向板翅式間接蒸發冷卻器進行布水，室外空氣從二次進風口進入，進入板翅式間接蒸發冷卻器進行換熱，后經二次排風機從二次排風口排出。數據中心較高溫度的回風先通過一次進風口進入機組，流經板翅式間接蒸發冷卻器與室外經過直接蒸發冷卻處理后的新風進行換熱，對數據中心回風進行預冷，再流經蒸發器被蒸發器冷卻后，由一次送風機經一次送風口送入數據機房，如此循環。而在冷凝部分，室外空氣從冷凝風口進入機械制冷段，依次通過蒸發填料、蒸發式冷凝器盤管表面進行熱濕交換，通過水的蒸發帶走冷凝熱，由上方的冷凝排風機排走，其運行原理及一次空氣處理過程如圖4所示，圖中N為室內回風狀態點，N′為室內回風經過間接蒸發冷卻段芯體后空氣狀態點，O為送風狀態點。機組運行時氣流走向如圖5所示。

圖 4 機組混合模式運行原理及一次空氣處理過程Fig.4 Unit mixed mode operation principle and primary air treatment process

圖 5 機組運行氣流示意圖Fig.5 Schematic diagram of air flow in unit operation

1.3 不同運行模式切換點的討論

上述3種不同運行模式之間的切換界限，由室外空氣的干球溫度和濕球溫度來確定，而作為判定條件的室外干球溫度和濕球溫度又受數據中心機房送風溫度、回風溫度以及間接蒸發冷卻換熱芯體換熱效率的影響。結合間接蒸發冷卻換熱芯體的效率計算公式，在計算間接蒸發冷卻空調不同模式的切換溫度時，間接蒸發冷卻效率主要受室外二次空氣的環境參數、數據中心機房室內側回風溫度、室內側送風溫度的影響，由于間接蒸發冷卻換熱芯體選定后，在忽略換熱器材質、結構形式、風速、換熱溫差、換熱面積等影響因素下，可假設間接蒸發冷卻換熱芯體的換熱效率一定，數據中心機房的回風溫度、送風溫度為確定的設計值，因此可以計算出間接蒸發冷卻空調不同模式相應的室外二次空氣溫度，即切換溫度。根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》標準，數據中心機房的送風參數見表1。

表 1 數據中心機房送風參數

根據數據中心機房送風參數要求，設定機組送風溫度為24 ℃，送回風溫差選取14 ℃，故數據中心回風溫度確定為38 ℃，以此參數對3種模式的切換溫度進行計算。

根據所在地區不同的氣候條件，間接蒸發冷卻器具有不同的效率。通過大量實驗數據以及實際工程測試[2]，高濕度地區(當地夏季空調設計濕球溫度在28 ℃以上)間接蒸發冷卻效率在35%～50%；中濕度地區(當地夏季空調設計濕球溫度在23～28 ℃之間)間接蒸發冷卻效率在45%～60%；干燥地區(當地夏季空調設計濕球溫度在23 ℃以下)間接蒸發冷卻效率在55%～70%，本文以干燥地區為例進行不同模式切換狀態的分析。

1) 干模式：假設間接蒸發冷卻芯體換熱效率為60%，干工況下蒸發冷卻效率計算公式，即

(1)

式中：η為間接蒸發冷卻芯體的換熱效率;tg1為數據中心內回風干球溫度，℃;

2) 濕模式：假設間接蒸發冷卻芯體換熱效率為70%，濕工況下蒸發冷卻效率計算公式，即

(2)

式中：η為間接蒸發冷卻芯體的換熱效率;tg1為數據中心內熱回風干球溫度，℃;ts1為室外空氣濕球溫度，℃;tg2為數據中心送風干球溫度，℃。

將設定值η≤70%，tg1=38 ℃，tg2=24 ℃代入，求得ts1≤18 ℃，即在室外環境空氣的干球溫度>14.7 ℃且濕球溫度≤18 ℃時，機組在濕模式下運行。

結合干模式與濕模式的切換條件，得出在室外環境空氣的干球溫度≤14.7 ℃或濕球溫度≤18 ℃時，可以實現完全利用自然冷源作為數據中心供冷。

3) 混合模式：當室外環境空氣的濕球溫度大于18 ℃時，開啟機械制冷模塊進行補冷。

綜上分析，數據中心送風干球溫度設定為24 ℃，數據中心回風干球溫度設定為38 ℃，間接蒸發冷卻芯體的蒸發效率在干工況和濕工況下分別假設為60%和70%，機組3種工況切換判定值見表2。

表 2 機組3種工況切換判定值

2 測試與分析

2.1 測試概況

1) 最佳二/一次空氣風量比(室外側空氣與室內機房回風)測試。固定一次空氣風量，依次調節二次空氣風量使二/一次風量比逐漸改變，對最佳二/一次空氣風量比進行測定，分析二/一次風量比對蒸發效率的影響。

2) 干模式工況測試。根據T/DZJN 27—2021《數據中心蒸發冷卻空調設備》標準中蒸發冷卻空調機組實驗工況的建議值，設定室外二次側氣象參數，在干模式工況下進行實驗測試。

3) 濕/混合模式工況測試。選取北京、上海室外氣象參數代表中濕度地區、高濕度地區，分別在濕模式、混合模式2種不同工況下進行實驗測試。

4) 改變布水策略測試。分別采用連續噴水、間歇噴水、不同間歇時間噴水進行測試，分析不同布水策略對蒸發效率的影響。

2.2 測試數據分析

1) 二/一次風量比。在焓差實驗室中模擬數據中心運行工況，進行機組最佳二/一次風量比測試。設定數據中心一次側回風干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，二次側室外空氣干/濕球溫度為16 ℃/11 ℃。固定一次側回風量，對二次風量進行調節，二/一次風量比與送風溫度和蒸發效率的關系如圖6所示。

圖 6 二/一次風量比與送風溫度和蒸發效率的關系Fig.6 The relationship between secondary and primary air volume ratio,supply air temperature and evaporation efficiency

從圖6可以看出：機組的送風溫度隨風量比的增大而降低，蒸發效率隨風量比的增大而增大，呈對數函數的趨勢變化；當二/一次風量比增大至2.25時，間接蒸發效率達到最高的69.78%，送風溫度達到最低22.3 ℃；風量比繼續增大后，其間接蒸發冷卻效率呈減小趨勢，相應的送風溫度略有上升。因為室外側二次風風量過大，其通過芯體時風速較高，導致二次風在間接蒸發冷卻芯體內停留時間太短，不能與數據中心一次回風充分換熱，引起間接蒸發冷卻換熱效率的降低。因此機組的最佳二/一次風量比區間在2.2～2.4之間。

2) 干燥地區干/濕工況。在焓差實驗室中進行模擬數據中心運行工況，對機組在干燥地區運行進行性能測試，設定數據中心一次側回風干/濕球溫度分別為38 ℃/21 ℃，二次側室外空氣干/濕球溫度分別為16 ℃/11 ℃，固定二/一次風量比，僅對運行模式進行調節，2種模式下蒸發效率變化情況如圖7所示。

圖 7 干燥地區干/濕工況測試蒸發效率Fig.7 Evaporation efficiency tested in dry/wet conditions in dry areas

從圖7可以看出：機組在干模式運行達到穩定工況時，蒸發效率維持在67%左右，溫降幅度達到14 ℃；在濕工況下運行達到穩定時，蒸發效率可以維持在72%左右，溫降幅度達到19 ℃，機組溫降效果顯著，送風溫度均低于24 ℃，滿足數據中心直接送風要求。

3) 中等濕度地區濕工況。在焓差實驗室中進行模擬數據中心運行工況，對機組在中等濕度地區濕模式運行進行性能測試，設定數據中心一次側回風干/濕球溫度分別為38 ℃/21 ℃，二次側進口干/濕球溫度模擬北京夏季室外空氣調節設計參數，分別為33.6 ℃/26.3 ℃。固定二/一次風量比，中濕度地區濕工況下蒸發效率及送風溫度如圖8所示。

圖 8 中濕度地區濕工況下蒸發效率及送風溫度Fig.8 Evaporation efficiency and air supply temperature under wet condition in medium humidity area

從圖8可以看出，機組在濕模式運行達到穩定工況時，蒸發效率維持在61%左右，溫降幅度達到7.1 ℃。雖然溫降效果明顯，但在此工況下不能滿足數據中心送風溫度的要求，需要開啟機械制冷補冷。

4) 高濕度地區濕模式/混合模式。在焓差實驗室中進行模擬數據中心運行工況，對機組在高濕度地區運行進行性能測試，設定數據中心一次側回風干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，二次側室外空氣干/濕球溫度模擬高溫高濕地區上海夏季室外氣象參數34.6 ℃/28.2 ℃。固定二/一次風量比，僅改變運行模式，高濕度地區濕模式/混合模式測試溫降情況如圖9所示。

圖 9 地區濕模式/混合模式測試 溫降情況Fig.9 The temperature drop test in wet or mixed mode in high humidity areas

從圖9可以看出，在濕模式時，蒸發效率為53.45%，溫降幅度在5 ℃左右；開啟機械制冷補冷后，送風溫度達到22.92 ℃，溫降幅度達到15 ℃左右，滿足數據中心的送風要求。

機組在中/高濕度地區間接蒸發冷卻效率降低。因為在不同濕度地區，隨著空氣濕度的增加，空氣的干濕球溫差越小，而干濕球溫差越大，越有利于水分蒸發，因此在中/高濕度地區由于空氣濕度的增加，蒸發效率比干燥地區降低。但本機組采取機械制冷補冷的方式配合蒸發冷卻技術，可以滿足數據中心要求，提高了蒸發冷卻在全國不同氣候區的適用范圍。

5) 布水改變。在進行不同布水策略對機組性能影響的測試時，固定機組一/二次側進口空氣參數，分別改變機組間接蒸發冷卻芯體的布水策略和二/一次風量比，分析不同布水策略對機組蒸發效率的影響。

當二/一次風量比固定時，分別采用噴淋時間為8、15、30 s和連續噴淋4種布水策略(其中間歇停止噴淋時間為60 s)。通過分析數據得到在采用間歇布水時，隨著噴淋時間的改變，不同的布水策略，對蒸發效率的影響不明顯。而在采用連續布水策略時，蒸發效率明顯較高，分析原因為采用間歇布水策略時，在間歇停止噴淋的時間內，濕通道內附著的水量有限，不能持續通過水的蒸發吸熱帶走熱量，導致換熱效率不高；而在連續噴淋時，有源源不斷水量供給，可以維持濕通道內的蒸發吸熱過程，因而蒸發效率比間歇布水策略明顯較高。

而當二/一次風量比改變時，無論是間歇噴淋還是連續噴淋的布水策略，蒸發效率都呈現隨二/一次風量比的增大而增大的變化趨勢，與前文所述間接段蒸發效率在一定二/一次風量比的范圍內隨其增大而增大的結論吻合。不同布水策略在不同風量比下與蒸發效率的關系如圖10所示。

圖 10 不同布水策略在不同風量比下與蒸發 效率的關系Fig.10 The relationship between different water distribution strategies and evaporation efficiency at different air volume ratios

2.3 機組適用性

根據蒸發冷卻設計分區[2]，主要以高濕地區(上海)、中等濕度地區(北京)、干燥地區(蘭州)3個不同氣候區域的樣本城市為代表，分析本機組在不同濕度地區下3種運行模式的全年運行小時數。

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范標準》，選取一次側回風干球溫度38 ℃，送風干球溫度24 ℃，假定干模式下間接蒸發冷卻芯體換熱效率為60%，濕模式下間接蒸發冷卻芯體換熱效率為70%，計算機組不同模式下的切換狀態點，即干模式：tg≤15.4℃；濕模式：tg>15.4 ℃，ts≤18.4 ℃；混合模式：ts>18.4 ℃。

根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》收錄的氣象信息，對不同地區的全年逐時氣象參數中的適用小時數進行統計，機組在不同樣本城市全年運行小時數分析結果見表3。

表 3 機組在不同樣本城市全年運行小時數

從表3可以看出，該機組全年8 760 h的運行時間內，在干燥地區(蘭州)有98%的小時數可以實現關閉機械制冷，全自然冷源為數據中心供冷。在中濕度地區(北京)有78%的小時數可以通過蒸發冷卻為數據中心供冷，僅有22%的時間需要開啟機械制冷補冷。在高濕度地區(上海)，也有62%的時間可以實現全自然冷源供冷。

機組在不同氣候區域都可以極大地應用自然冷源供冷，具有良好的適用性，在干燥地區幾乎可以實現全年利用自然冷源為數據中心制冷，即使是在高溫高濕地區也可以實現在全年40%以上的運行小時數內完全利用自然冷源制冷，縮短機械制冷的使用時間，減少能耗，有效降低數據中心PUE。

3 結 論

1) 針對數據中心研發的蒸發冷凝式間接蒸發冷卻空調機組將間接蒸發冷卻、蒸發冷凝與機械制冷3種技術相結合，發揮蒸發冷卻和蒸發冷凝技術利用自然冷源的優勢，減少了機械制冷的開啟時間，降低了空調能耗。

2) 通過焓差實驗室模擬不同二/一次風量比和不同干濕工況條件，對機組進行性能測試,得出該機組最佳二/一次風量比范圍區間為2.2～2.4，間接蒸發冷卻段效率在干燥地區、中濕度地區、高濕度地區分別為72%、61%、53.45%，機組送風溫度24 ℃左右，滿足了數據中心機房送風的要求。

3) 針對機組在蘭州、北京、上海3個不同氣候區樣本城市在數據中心的應用作了全年運行小時數分析，得出該機組在3座城市利用自然冷源供冷時間占全年運行總小時數分別為98%、78%、62%，適用性良好。