兩種高效間接蒸發(fā)冷卻器性能對比與適用性研究

武茁苗 黃 翔 陳 夢 屈名勛 史東旭 陳紅衛(wèi) 王曉東 苗會成

（1.西安工程大學 西安 710048；2.歐伏電氣股份有限公司 廊坊 065201）

0 引言

近些年來，數(shù)據中心產業(yè)在中國新基建背景下蓬勃發(fā)展，用電量也在不斷增加。數(shù)據中心的能耗主要由IT設備、制冷設備、供配電系統(tǒng)、照明等消耗電能的數(shù)據中心設備組成，值得一提的是制冷設備的能耗就占到總能耗的40%左右，數(shù)據中心蓬勃發(fā)展背后的變化對于機樓的冷卻技術帶來一定的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的集中式空調系統(tǒng)中壓縮機所占能耗巨大，這即不滿足數(shù)據中心低PUE的要求，也會嚴重影響“雙碳”目標的實現(xiàn)。蒸發(fā)冷卻空調由于是用水作為制冷劑，不會排放CFC，因此蒸發(fā)冷卻空調是一種低碳、節(jié)能、經濟、健康的環(huán)保空調技術[2,3]。從數(shù)據中心應用的角度出發(fā)，目前機房設計標準放寬、高回風溫度設計、匹配的建筑氣流設計、模塊化集成技術和顯著的節(jié)能優(yōu)勢，大力推動了間接蒸發(fā)冷卻技術在數(shù)據中心的應用和發(fā)展[4,5]。然而現(xiàn)階段蒸發(fā)冷卻空調產品普遍面臨著以下的技術障礙：冷卻效率低、溫降幅度有限、設備體積比較大以及受環(huán)境空氣濕球溫度的影響程度大。這些問題都與間接蒸發(fā)冷卻器密切相關，因此對于不同的間接蒸發(fā)冷卻器性能對比與適用性研究就顯得尤為重要。

Vollebregt 和DeJong 研究了用于降低溫室內空氣的溫度和濕度的板式間接蒸發(fā)冷卻器強化傳熱方法，研究表明，一次空氣的溫度和濕度均有降低；空氣流速較低時，效果更好；在此條件下，潛熱量是顯熱量的兩倍多[6]。樊麗娟[7]等設計了一臺換熱管采用多孔陶瓷材料且換熱管立式布置的間接蒸發(fā)冷卻器，研究其溫降和效率等性能。常江[[8]等人對板管式間接蒸發(fā)冷卻換熱器，從芯體結構、材料的選擇、芯體的換熱計算和各功能部件的設計計算等方面進行詳細設計分析。賈晨昱[9]等引出了間接蒸發(fā)冷卻技術應用于數(shù)據中心時對應的3 種節(jié)能運行模式并對運行模式的切換條件進行了計算分析。鐘彩霞[10]采用夏季空調室外逐時氣象參數(shù)對陜北地區(qū)榆林、延安、定邊3 個典型城市進行了分析，判別蒸發(fā)冷卻技術在中等濕度地區(qū)的適應性。

本文主要從理論上分析了間接蒸發(fā)冷卻傳熱機理與制取冷風的原理。通過在數(shù)據中心兩種高效間接蒸發(fā)冷卻器實驗平臺上的對比，得出各自在不同二/一次風量比下的換熱效率，進而推算出各個換熱芯體在干模式、濕模式和混合模式切換條件。再結合我國典型氣候特征的三個城市全年室外氣象參數(shù)，得出兩種不同結構形式間接蒸發(fā)冷卻器各個模式下全年的小時數(shù)占比，進而分析其適用性。

1 間接蒸發(fā)冷卻技術

1.1 間接蒸發(fā)冷卻器傳熱分析

間接蒸發(fā)冷卻器是間接蒸發(fā)冷卻空調的核心部件[11]，它由兩個不同的空氣流道組成，一次通道內為被冷卻的空氣，二次空氣流道內發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻過程降低二次空氣溫度，通過二/一次間壁傳熱再降低一次空氣溫度[12]。如圖1所示，二次空氣經蒸發(fā)冷卻后的空氣溫度為tf2，經過二次空氣與水膜之間的傳熱熱阻1/h2溫度升至tw3；之后通過水膜的導熱熱阻δ2/λ2與換熱器的導熱熱阻δ1/λ1溫度升至tw1；最后再經過一次空氣與換熱器壁面之間的傳熱熱阻1/h1溫度達到tf1。此時的tf1即為一次通道側被冷卻后空氣的出風溫度[13,14]。

圖1 水膜與器壁的傳熱Fig.1 Heat transfer between water film and wall

1.2 間接蒸發(fā)冷卻制取冷風過程

圖2為間接蒸發(fā)冷卻空調空氣處理焓濕圖，干通道側一次空氣發(fā)生等濕冷卻過程，濕通道側二次空氣發(fā)生等焓冷卻加濕過程。二次空氣由狀態(tài)點1被等焓冷卻到狀態(tài)點4，此過程近似為一個絕熱過程。得到濕通道冷量的一次空氣從狀態(tài)點1 被等濕冷卻到狀態(tài)點2。同時，一次側的熱量就會傳遞到二次側，此時狀態(tài)點4 的水會持續(xù)升溫進而加速蒸發(fā)，最終到達狀態(tài)點3[15]。

圖2 間接蒸發(fā)冷卻器焓濕圖Fig.2 Enthalpy moisture diagram of indirect evaporative cooler

1.3 評價指標

換熱效率是衡量間接蒸發(fā)冷卻器性能的重要指標之一，它可以間接的反應一次空氣的溫降程度，而干模式與濕模式的計算效率方法也是不同的[16]。如下式：

其中，η干、η濕為間接蒸發(fā)冷卻器干模式、濕模式下的換熱效率，%；tg1,in、tg1,out為一次空氣進、出風干球溫度，℃；tg2,in、ts2,in為二次空氣進風干球、濕球溫度，℃。

2 兩種換熱芯體及其測試平臺

2.1 兩種換熱芯體

本次研究對象為目前數(shù)據中心普遍使用的兩種高效換熱芯體，均為金屬鋁箔材料，分別是板翅式與板式換熱芯體。如圖3（a）所示，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器由翅片、隔板和封條三部分組成。一次空氣與二次空氣分別在各自的流道中流動，它們的熱交換方式是通過翅片及與翅片連成一體的隔板進行傳熱。從中我們可以看出板翅式間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體結構非常緊湊，因此換熱效率高。正是因為其結構緊湊，所以它的流道非常窄，容易積灰或產生水垢，這樣不僅會增大傳熱熱阻，換熱效率降低；同時還會使空氣流經流道時的阻力增大，從而使風機的消耗功率加大。

如圖3（b）所示，板式間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體[17]的一次空氣流經管內，二次空氣在管外側垂直掠過板管。該換熱芯體的優(yōu)點有很多，主要有：布水均勻，易形成均勻水膜；該芯體與管式換熱芯體一樣，流道比較寬，可以很好的解決流道堵塞問題，從而使空氣流動阻力較小。它的缺點主要是緊湊型不高，不如板翅式換熱效率高。

圖3 兩種間接蒸發(fā)冷卻器實物圖Fig.3 Real drawings of two indirect evaporative coolers

2.2 測試平臺

圖4（a）為板翅式間接蒸發(fā)冷卻空調測試平臺實物圖，尺寸（DWH）為：2000mm×800mm×1800mm，風量5000m /h。圖4（b）為板式間接蒸發(fā)冷卻空調測試平臺，尺寸（DWH）為：6058mm×2825mm×3600mm，風量55000m /h。兩個實驗平臺均為用于數(shù)據中心的間接蒸發(fā)冷卻空調機組。

圖4 間接蒸發(fā)冷卻空調測試平臺實物圖Fig.4 Physical drawing of indirect evaporative cooling air conditioning test platform

2.3 測試儀器

為了減少實驗誤差，本次實驗在換熱芯體一次空氣側進、出口以及二次空氣側進、出口4 個位置分別布置多個測點，每個位置取測點所測數(shù)據的平均值。分別測出各個位置的干球溫度、相對濕度以及風速，具體情況如表1所示。

表1 測試內容及儀器Table 1 Test contents and instruments

3 性能對比

3.1 溫降、效率對比分析

本次實驗干、濕模式條件下室外氣象參數(shù)均一致，即二次風進口干球溫度為25℃，相對濕度為39.3%，濕球溫度為16℃；用鍋爐加熱裝置模擬數(shù)據中心高散熱設備，使得一次空氣進風干球溫度（數(shù)據中心回風溫度）維持在37.7℃。通過改變二次風進口風速（1.2m/s～3.1m/s）使二/一次風量比維持在0.8～1.4 之間。

在干模式運行情況下，由圖5可知，當二/一次風量比從0.8 到1.4 時，板翅式與板式間接蒸發(fā)冷卻器的一次風溫降和效率都會有所上升。在當前測試環(huán)境下，板翅式、板式間接蒸發(fā)冷卻器溫降在7.9℃～8.8℃、7.5℃～8.3℃之間，各自對應的換熱效率在62.2%～69.3%、59.1%～65.4%之間。如圖6所示，濕模式運行時板翅式、板式間接蒸發(fā)冷卻器溫降在13.2℃～14.4℃、12.4℃～13.6℃之間，各自對應的濕球效率在60.8%～66.4%、57.1%～62.7%之間，濕模式下一次風溫降相較于干模式更大，板翅式平均溫降大5.6℃，板式平均溫降大5.2℃。

圖5 干模式下溫降、效率對比Fig.5 Temperature drop and efficiency comparison in dry mode

圖6 濕模式下溫降、效率對比Fig.6 Temperature drop and efficiency comparison in wet mode

由圖5、6 可知，無論干模式或濕模式，增加二次進風風量會使換熱效率增大。但過多的增大風量，效率提升速率會變得很緩慢，這樣會造成風機能耗加大；同時會導致二次通道側風速增大，不利于壁面水膜的均勻附著，同時空氣與水膜接觸的時間也會減少，使蒸發(fā)冷卻效率下降。因此合理的二/一次風量比也是非常重要的。同時，板翅式換熱效果明顯優(yōu)于板式。

3.2 不同模式出風溫度對比分析

如圖7所示，在干模式下板翅式間接蒸發(fā)冷卻器一次風出風溫度在28.9℃～29.8℃范圍內，濕模式下一次風出風溫度在23.3℃～24.5℃范圍內。板式間接蒸發(fā)冷卻器一次風出風溫度如圖8所示，干模式下一次風出風溫度在29.4℃～30.2℃范圍內，濕模式下一次風出風溫度在24.1℃～25.3℃范圍內。板翅式一次風出風溫度明顯低于板式。

圖7 板翅式出風溫度Fig.7 Plate-fin outlet temperature

圖8 板式出風溫度Fig.8 Plate outlet air temperature

根據《數(shù)據中心設計規(guī)范》（GB 50174-2017）和《數(shù)據中心蒸發(fā)冷卻空調技術規(guī)范》（T/DZJN 10-2020）[18,19]中規(guī)定的數(shù)據中心機房送風溫度在18℃～27℃之間，回風溫度在35℃～38℃之間。本次測試的室外環(huán)境干球溫度為25℃，相對濕度為39.3%，濕球溫度16℃。從圖7、8 中可以看出此狀態(tài)下兩種換熱芯體濕模式送風溫度均在23.3℃～25.3℃范圍內，是符合數(shù)據中心送風要求的；而此時干模式送風溫度在28.9℃～30.2℃范圍內，不符合數(shù)據中心送風要求。因此接下來對兩種不同結構的間接蒸發(fā)冷卻器在不同室外空氣狀態(tài)參數(shù)下各個模式的適用小時數(shù)進行劃分[20]。

4 適用性分析

4.1 溫度區(qū)間劃分

由于在數(shù)據中心全年運行中，間接蒸發(fā)冷卻空調二/一次風量比會根據室外環(huán)境的變化而進行調整，芯體換熱效率也會隨之波動[21]。為了充分保證數(shù)據中心全年穩(wěn)定運行，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器取最低效率值62.2%（干模式）、60.8%（濕模式）；板式間接蒸發(fā)冷卻器取最低效率值59.1%（干模式）、57.1%（濕模式）。數(shù)據中心送風溫度取24℃，目前國內大部分機房送回風溫差選取12℃，故回風溫度確定為36℃。根據式（1）、（2）計算得到全年運行模式室外二次空氣的切換條件[22]：

注：以下結果保留一位小數(shù)。

不同間接蒸發(fā)冷卻器對應三種冷卻模式下的溫度區(qū)間劃分不同，三種冷卻模式的設備運行狀態(tài)也不同，代入上述已知數(shù)據，得到的結果如表2所示。

表2 運行模式的溫度劃分Table 2 Operating mode temperature division

4.2 典型城市選取

蒸發(fā)冷卻空調作為氣象空調[23,24]，其性能參數(shù)往往受室外空氣的干球溫度和相對濕度的影響較為嚴重，因此，室外氣象參數(shù)對間接蒸發(fā)冷卻空調應用于數(shù)據中心的適用性有著重要的影響[25]。本次實驗對象選取我國干燥地區(qū)[26]（烏魯木齊市）、中濕度地區(qū)（北京市）以及高濕度地區(qū)（廣州市）三個城市為代表，如表3所示。

表3 三個典型城市的氣候特征Table 3 Climatic characteristics of three typical cities

4.3 全國典型城市適用性分析

利用DeST 模擬軟件，輸出模擬結果報表，得到上述三個城市全年8760 小時的逐時室外氣象參數(shù)，依據氣象數(shù)據[27]并結合表2各個運行模式的切換條件，得到這三個城市全年各冷卻模式的運行小時數(shù)，如圖9所示。

圖9 不同城市各個模式運行小時數(shù)Fig.9 Operating hours of different modes in different cities

由圖9可知，由于各個城市全年室外空氣狀態(tài)不同，全新風自然冷卻（干模式）、間接蒸發(fā)冷卻（濕模式）、機械制冷補冷（混合模式）各自占比也是不同的。板翅式、板式換熱芯體的三種模式運行小時數(shù)在烏魯木齊市分別為5926h、1976h、858h；5717h、1590h、1453h。在北京市運行小時數(shù)分別為5142h、1164h、2454h；4928h、983h、2849h。在廣州市運行小時數(shù)分別為2013h、979h、5768h；1767h、914h、6079h。同時，無論在那個地區(qū)，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的干模式與濕模式運行小時數(shù)均大于板式；混合模式運行小時數(shù)均小于板式。

5 結論

（1）通過實驗對比，板翅式、板式換熱芯體的平均濕球效率分別為64.1%、60.4%，且在相同二/一次風量比條件下，無論是干模式還是濕模式，板翅式換熱芯體的換熱效率總是大于板式換熱芯體，與理論分析的結果一致，因此板翅式間接蒸發(fā)冷卻器具有良好的節(jié)能效果與推廣應用價值。同時板翅式、板式換熱芯體的濕模式比干模式平均溫降分別大5.6℃、5.2℃，這充分體現(xiàn)了間接蒸發(fā)冷卻技術的優(yōu)勢。

（2）在三個典型城市各個模式運行小時數(shù)中，無論板翅式或者板式換熱芯體，烏魯木齊市（干燥地區(qū)）的干模式占比最大，混合模式占比最小；北京市（中濕度地區(qū)）的干模式占比最大，濕模式占比最小；廣州市（高濕度地區(qū)）的混合模式占比最大，濕模式占比最小。造成此種現(xiàn)象的原因為各個城市的全年室外氣象參數(shù)不同，干空氣能的下降會直接影響間接蒸發(fā)冷卻空調的適用性，隨之系統(tǒng)所需要的機械制冷補冷量也會增大。

（3）當數(shù)據中心采用新風自然冷卻以及間接蒸發(fā)冷卻為冷源時，板翅式換熱芯體在烏魯木齊、北京、廣州的全年運行小時數(shù)為7902h、6306h、2992h，全年占比90.2%、72.0%，34.2%；而板式換熱芯體在烏魯木齊、北京、廣州的全年運行小時數(shù)為7307h、5911h、2681h，全年占比83.4%、67.5%，30.6%。故該研究為不同地區(qū)數(shù)據中心推廣與應用間接蒸發(fā)冷卻空調提供了參考依據。