數(shù)據(jù)中心空氣側蒸發(fā)冷卻技術性能及適用性分析

杜 妍 黃 翔 王 穎 屈名勛 薛寧靜

（西安工程大學 西安 710600）

0 引言

綠色數(shù)據(jù)中心（Green Data Center）是指：在全生命期內，最大限度地節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少污染，為電子信息設備運行和人員提供安全、可靠、健康、適用和高效使用空間的數(shù)據(jù)中心[1]。構建綠色數(shù)據(jù)中心，是構建新一代信息基礎設施的重要任務。蒸發(fā)冷卻技術以大自然空氣中的“干空氣能”為驅動勢，令不飽和空氣與水接觸發(fā)生熱、質傳遞，水分蒸發(fā)使得空氣溫度降低以達到制冷的目的，由于其節(jié)能性、低碳性、經濟性在數(shù)據(jù)中心目前較為推崇，其中蒸發(fā)冷卻式冷水機組、間接蒸發(fā)冷卻技術及機組也被列入2020 國家綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術產品目錄中。李婷婷等采用蒸發(fā)式冷氣機對數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能改造，并分析其在機房中應用時在結露、排風、局部熱點及潔凈度方面需要考慮的問題[2]。范坤、郭少華、郭斌等從溫降幅度、空氣被加濕問題、安裝、運行、監(jiān)測、電量數(shù)據(jù)等方面分別對蒸發(fā)式冷氣機應用情況進行分析[3-5]。傅烈虎等對采用全新風自然冷卻的數(shù)據(jù)中心進行熱環(huán)境模擬，強調空氣品質、方案經濟性及運維管理在該方案中的重要性[6]。金洋帆等從結垢原因、危害及解決措施方面對數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻空調機組進行分析[7]。薛志強、賈晨昱、胡雨等分別從與間接蒸發(fā)冷卻相結合的機械補冷系統(tǒng)補冷量百分比確定、間接蒸發(fā)冷卻技術應用于數(shù)據(jù)中心三種運行模式切換節(jié)點溫度確定以及應用于實際工程情況進行分析[8-10]。褚俊杰、劉佳莉等從二/一次風量比、淋水量、室外環(huán)境溫濕度等方面分別研究其對逆流式、復合式露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組性能的影響[11,12]。賀紅霞等提出一種應用于數(shù)據(jù)中心的流道結構為逆流和叉流結合的露點間接蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合空調，并模擬了機組在高濕工況和干燥工況下的性能[13]。宋嬌嬌等提出將交叉式露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組應用于機房中，對比在不同熱源功率情況下機組送風對發(fā)熱源表面溫度的降溫效果[14]。

本文對蒸發(fā)式冷氣機、間接蒸發(fā)冷卻空調機組以及露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組的空氣處理過程進行理論分析，并對其在高濕工況下不同風速、二/一次風量比情況下的換熱性能進行測試分析，歸納三者應用于通信機房、數(shù)據(jù)中心的優(yōu)劣，結合測試結果，計算了三種空調形式在福州、廣州、上海、南京僅采用自然冷卻的運行時間。

1 蒸發(fā)冷卻技術制取冷風原理

1.1 直接蒸發(fā)冷卻技術

如圖1所示，直接蒸發(fā)冷卻理想狀況下，A狀態(tài)點的室外空氣與水膜進行熱濕交換被等焓降溫至狀態(tài)點B，而實際的蒸發(fā)冷卻并非絕熱飽和過程，在該過程中，大多數(shù)空氣會被處理到C狀態(tài)點，再與少部分未與水膜接觸的空氣混合為D狀態(tài)點，經風機管道溫升至E狀態(tài)點送入室內，由于機房內主要為IT 設備產生的熱量，因此送入機房內的空氣近乎被等濕加熱至F狀態(tài)點后排至室外[15]。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻焓濕圖Fig.1 Direct evaporative cooling enthalpy and humidity diagram

1.2 間接蒸發(fā)冷卻技術

如圖2所示為間接蒸發(fā)冷卻熱濕交換過程圖，對于數(shù)據(jù)中心來說，間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體干通道側走一次空氣（機房的循環(huán)空氣），從E狀態(tài)點被等濕冷卻至F狀態(tài)點，而二次空氣（室外空氣）流通過換熱芯體的濕通道，與噴淋在換熱壁面的水膜發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻過程并通過間壁帶走機房回風熱量，增焓降溫至D狀態(tài)點排至室外[15]。

圖2 間接蒸發(fā)冷卻焓濕圖Fig.2 Indirect evaporative cooling enthalpy and humidity diagram

1.3 露點間接蒸發(fā)冷卻技術

對于露點間接蒸發(fā)冷卻技術，如圖3所示，由于其芯體的特殊結構處理，室外空氣A先從二次空氣干通道入口進入，其中分出一小部分空氣從靠前的預留孔洞進入二次空氣濕通道，在濕通道內與噴淋水進行蒸發(fā)冷卻作用同時通過換熱板的傳熱等濕冷卻二次空氣干通道剩余的空氣以及一次空氣，在進行充分的熱質交換作用后到達A′狀態(tài)點，再從濕通道出口排出，二次空氣干通道剩余的空氣被等濕冷卻至B狀態(tài)點，再分出一小部分空氣從第二個預留孔洞進入到濕通道側，與噴淋水發(fā)生熱濕交換并帶走剩余的二次空氣和一次空氣的熱量被處理至B′狀態(tài)點排至室外，未進入濕通道的二次空氣被等濕冷卻至C狀態(tài)點繼續(xù)重復上述的處理過程，直至所有二次空氣到達D狀態(tài)點，從最后一個預留孔洞進入到濕通道側被處理至D′狀態(tài)點然后排至外界，D′狀態(tài)點接近A狀態(tài)點的露點溫度，而一次空氣則是不斷被二次空氣濕通道發(fā)生的熱濕處理過程帶走顯熱，從F狀態(tài)點等濕冷卻至G狀態(tài)點，然后送入機房[15]。

圖3 露點間接蒸發(fā)冷卻焓濕圖Fig.3 Dew point indirect evaporative cooling enthalpy and humidity diagram

1.4 性能評價指標

直接蒸發(fā)冷卻效率[15]用來描述一次空氣出口干球溫度接近一次空氣入口濕球溫度的程度，其計算式為：

式中：tg1為一次空氣入口干球溫度，℃；tg2為一次空氣出口干球溫度，℃；ts1為一次空氣入口濕球溫度，℃。

間接蒸發(fā)冷卻效率[15]用來描述一次空氣出口干球溫度接近二次空氣入口濕球溫度的程度，其計算式為：

式中：ts1′為二次空氣入口濕球溫度，℃。

2 測試分析

2.1 直接蒸發(fā)式冷氣機

直接蒸發(fā)式冷氣機如圖4（a）所示，2020年8月對機組性能進行測試，設定不同的入口風速，進風平均干球溫度34.2℃，平均濕球溫度27.8℃，數(shù)據(jù)分析如圖4（b）所示。

圖4（a） 蒸發(fā)式冷氣機原理圖Fig.4(a) Schematic diagram of evaporative air conditioner

由圖4（b）可知，機組直接蒸發(fā)冷卻效率隨著進口風速的增加呈先增加后降低的趨勢，當進口風速達到1.8m/s 時，效率最高可達到73.85%，其出風溫度在29.5℃，而根據(jù)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》[16]的規(guī)定，對于高溫高濕地區(qū)，在極端天氣情況下，蒸發(fā)式冷氣機所處理空氣達到的溫度高于標準要求，采用蒸發(fā)式冷氣機制取的冷風送入機房不僅起不到降溫效果，還增加了房間的相對濕度，因此需與機房專用空調聯(lián)動，根據(jù)室外環(huán)境情況切換來控制室內溫濕度。

圖4（b） 蒸發(fā)式冷氣機性能測試Fig.4(b) Performance test of evaporative air conditioner

表1 數(shù)據(jù)中心環(huán)境要求Table 1 Data center environmental requirements

采用蒸發(fā)式冷氣機與機房專用空調聯(lián)用是直接將室外新風等焓降溫處理送入室內，可能會面臨如下問題：送風相對濕度較大，開啟機房專用空調時會出現(xiàn)結露風險、機房專用空調除濕能耗高，因此在極端高溫高濕情況需關閉蒸發(fā)式冷氣機[3]；直流式導致空氣潔凈度不高，需做好新風過濾；冬季溫度過低，導致新風加濕空間小，機房環(huán)境相對濕度過低，可配合機房回風改善[17]；室內形成過高的正壓會影響蒸發(fā)式冷氣機的運行效果，因此需設排風裝置；對于可能產生的局部熱點問題，可連接管道進行崗位送風以解決[2]。

2.2 間接蒸發(fā)冷卻空調機組

間接蒸發(fā)冷卻空調機組原理圖如圖5（a）所示，2021年9月對其進行測試，測試工況下，機組二次空氣進風平均干球溫度34.58℃，平均濕球溫度27.97℃，數(shù)據(jù)分析如圖5（b）所示。

圖5（a） 間接蒸發(fā)冷卻空調機組原理圖Fig.5(a) Schematic diagram of indirect evaporative cooling air-conditioning unit

由圖5（b）)可知，隨著二/一次風量比的增加，機組的間接蒸發(fā)冷卻效率呈增長的趨勢，增幅逐漸變緩，當風量比達到1.5 時，效率基本達到最高值64.8%，此時再增加風量，效率不僅沒得到提升，還會增加風機能耗。在最佳風量比下，一次空氣出風干球溫度在30.47℃，一次空氣溫降在4.73℃。在所測參數(shù)下，間接蒸發(fā)冷卻空調機組雖未將一次空氣處理至送風要求范圍內，但也可起到一定的預冷效果，如根據(jù)所測數(shù)據(jù)，對于5000m3/h 送風量的機組來說，間接蒸發(fā)冷卻器可提供7.63kW 的制冷量，搭配機械制冷系統(tǒng)進行補冷，在保證可靠性的同時可節(jié)約能耗。

圖5（b） 間接蒸發(fā)冷卻空調機組性能測試Fig.5(b) Performance test of indirect evaporative cooling air-conditioning unit

對于間接蒸發(fā)冷卻器，當進口空氣溫濕度較高，可利用的“干空氣能”較小時會影響其效率，可通過尋找最佳的二/一次風量比和淋水量、采用間歇性布水、對循環(huán)水進行水質處理防止其結垢[7]、增強換熱芯體親水性或在其表面采取特殊結構處理等方式來強化換熱。

2.3 露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組

露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組原理圖如圖6（a）所示，2020年8月對機組在不同二/一次風量比情況下的性能進行測試，測試工況下，機組二次空氣進風平均干球溫度34.54℃，平均濕球溫度27.97℃，數(shù)據(jù)分析如圖6（b）所示。

圖6（a） 露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組原理圖Fig.6(a) Schematic diagram of dew point indirect evaporative cooling air-conditioning unit

由圖6（b）可知，隨著二/一次風量比的增加，機組的間接蒸發(fā)冷卻效率也是呈增長的趨勢，增幅逐漸變緩，當風量比達到1.7 時，效率基本達到最高值96.5%，此時再增加風量，效率不僅沒得到提升，還會增加風機能耗。在最佳風量比下，一次空氣出風干球溫度在28.16℃，接近二次空氣進風濕球溫度，一次空氣溫降在7.24℃。在所測參數(shù)下，露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組近乎可將空氣處理至18℃～27℃的送風范圍，則對于一些較所測二次空氣進風參數(shù)溫度和相對濕度更低一點的地區(qū)，基本在全年可實現(xiàn)零機械制冷。

圖6（b） 露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組性能測試Fig.6(b) Dew point indirect evaporative cooling airconditioning unit performance test

對于強化露點間接蒸發(fā)冷卻器換熱性能，也可從探究其最佳二/一次風量比、淋水量[11,12]；優(yōu)化布水、改變風速以強化傳熱；增加材料親水性[17]來改進。

由于露點間接蒸發(fā)冷卻機組的換熱芯體干通道為強化換熱制作成Z字型，為預冷二次空氣，二次空氣會通過孔洞，經90°轉彎進入濕通道，導致相同規(guī)格的機子，露點間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體產生的壓降大于間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體，再加上機械制冷換熱器、過濾器等部件，會使得機組風機壓降過大，采用軸流風機無法滿足壓降需求，而風量大、揚程大的常規(guī)離心風機能耗過高且占地面積大，用于機組生產得不償失，目前業(yè)界基本采用EC離心風機，現(xiàn)間接蒸發(fā)冷卻空調機組120kW 制冷量規(guī)格的一次空氣風量一般在28000m3/h，如若選擇兩臺EC風機，單臺風量14000m3/h，如圖7 為14000m3/h 風量，市面上的EC離心風機功率隨著風壓增大的改變情況，風機風壓的增大會導致功率的直線上升，而風機是全年開啟的設備，則會影響到整機的能效，在機組設計時也應充分考慮到風壓的影響。

圖7 風機功率與風壓關系圖Fig.7 Relationship between fan power and wind pressure

3 三種蒸發(fā)冷卻方式適用性分析

3.1 蒸發(fā)式冷氣機

蒸發(fā)式冷氣機由于會給室內引入新風，適用于對環(huán)境潔凈度等級要求不高的機房，設蒸發(fā)式冷氣機送風狀態(tài)點干球溫度為20℃[17]，根據(jù)逐時氣象參數(shù)以及在高溫高濕工況所測的濕球效率，取73.85%，可計算出采用蒸發(fā)式冷氣機滿足提供充足制冷量時的進風濕球溫度（對于干球溫度低于送風溫度的可直接列為滿足情況），與逐時濕球溫度對比，可計算全年滿足的小時數(shù)。

3.2 間接蒸發(fā)冷卻空調機組

根據(jù)所測間接蒸發(fā)冷卻空調機組數(shù)據(jù)，在高溫高濕地區(qū)，其間接蒸發(fā)冷卻效率取64.8%，根據(jù)機組一次空氣送、回風要求（38℃、25℃）以及間接蒸發(fā)冷卻效率，結合間接蒸發(fā)冷卻效率公式可計算出完全采用間接蒸發(fā)冷卻空調機組可提供充足制冷量，外界濕球溫度的最高值。

3.3 露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組

根據(jù)所測數(shù)據(jù)，取間接蒸發(fā)冷卻效率為96.5%，同理可計算出露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組所對應的濕球溫度最高值，由計算結果可見，露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組對濕球溫度的要求范圍較間接蒸發(fā)冷卻空調機組寬裕了6.6℃。

3.4 運行時長分析

由于機組所測效率均在高溫高濕的環(huán)境參數(shù)下求得，選取了福州、廣州、上海、南京4 個高濕度地區(qū)，根據(jù)其全年逐時氣象參數(shù)，對三個機組自身可完全提供制冷量的小時數(shù)進行統(tǒng)計，結果如圖8所示。

圖8 典型高溫高濕地區(qū)機組自然冷卻運行時間Fig.8 Unit natural cooling operation time in typical high-temperature and high-humidity areas

4 結論

（1）通過焓濕圖的分析，實際直接蒸發(fā)冷卻過程為增焓過程。相較于間接蒸發(fā)冷卻，露點間接蒸發(fā)冷卻由于工作空氣的預冷效果，送風會實現(xiàn)更大的溫降。

（2）根據(jù)性能測試，得出在高溫高濕工況下，蒸發(fā)式冷氣機直接蒸發(fā)冷卻效率在風速為1.8m/s時達到最高值73.85%；間接蒸發(fā)冷卻器當二/一次風量比達到1.5 時，效率基本達到最高值64.8%，露點間接蒸發(fā)冷卻器當二/一次風量比達到1.7 時，效率基本達到最高值96.5%，出風溫度受換熱器效率、二/一次風量比、淋水量、布水形式等的影響。

（3）通過分析得出風機功率隨風壓的增長基本呈線性增長趨勢，露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組由于其流道的特殊性，風阻會較普通的板翅式等間接蒸發(fā)冷卻器大，在設計時需考慮到風機能耗問題。

（4）預測三種機組在福州、廣州、上海、南京高濕度地區(qū)完全采用自然冷卻的運行時長，由于露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組可將空氣處理至接近或低于濕球溫度的值，其在高濕度地區(qū)全年僅采用自然冷卻可提供充足制冷量的時間最高可達到7709 小時，有巨大的節(jié)能空間。