數據中心間接蒸發冷卻空調機組二/一次風量比

黃 翔,傅耀瑋，寇 凡

(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“新基建”以及“東數西算”的提出和實施，數據中心的需求量和建設力度都有了爆炸式提高，相繼帶來的巨大能耗問題也受到廣泛關注，建設綠色節能的數據中心已是形勢所迫[1]。隨著蒸發冷卻技術的發展，其在數據中心中的應用也越來越廣泛，蒸發冷卻技術的優勢在于節能環保，降溫效果好，降低了機械制冷壓縮機的開啟時間，運行成本較低[2-4]。

研究發現，受諸多因素的影響，間接蒸發冷卻設備的運行性能出現一定的變化，其中受室外空氣氣象參數和風量比的影響較大[5-7]。如果工作在最優的風量比下，則有助于改善換熱效率，減少二次風機功耗，而且對于控制數據中心電源使用效率值(power usage effectiveness，PUE)具有積極作用。通常情況下，風量比與間接蒸發冷卻器的效率成正比[8-10]。隨著風量比的增大，蒸發效率會在某一風量比值下達到峰值，隨后不再增大或略有降低，因此最佳風量比為一個區間[11-13]。不同機組因采用的芯體材料和應用場景不同，其最佳風量比區間也有所不同[14-17]，而同一機組在不同氣候地區運行，其最佳的風量比區間也有所不同[18-20]。

針對最佳風量比區間的研究不僅可以減小二次風機導致的能量損耗，而且可以保證間接蒸發冷卻器的效率。但目前的研究大多只是涉及到基本的應用形式[21-23]，即一、二次空氣都采用室外新風。如果數據中心中采用間接蒸發冷卻技術，需要利用室外的低溫空氣對來自機房內的高溫回風進行冷卻，因此在數據中心的應用場景下，間接蒸發冷卻的一、二次空氣分別采用室內回風和室外新風。目前，對數據中心兩股空氣來源不同情況下的風量比規律的研究較少，大多是面向夏季運行條件。對于數據中心用間接蒸發冷卻器而言，則需要在各個季節保持正常的工作，從而滿足對于數據中心溫度等環境參數控制的要求，所以在研究風量比時必須將外部氣候變化的影響考慮在內。為了使間接蒸發冷卻設備在數據中心全年保持高效、節能的運行，本文對數據中心間接蒸發冷卻空調機組進行二/一次風量比的分析。

1 測試內容及機組介紹

1.1 測試概況

測試對象為針對數據中心設計研發的間接蒸發冷卻空調機組，測試樣機結構示意圖如圖1所示。

圖 1 測試樣機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of test prototype structure

間接蒸發冷卻空調機組實驗在雙焓差實驗室內開展，實驗室劃分為室內、室外環境間2部分。二者用于模擬不同的工況，其中室外環境間可對不同地區不同季節的天氣情況進行模擬，室內環境間可以模擬數據中心機房工況，實驗室整體隔熱效果良好，對機組性能測試結果基本無影響，能夠保證研究結果的可靠性。

測試時間為2021年6月18日—7月1日。設定數據中心一次側回風干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，二次側空氣狀態參數結合具體的項目進行設置。

測試信息：①干工況下二/一次空氣的最佳風量比；②濕工況下二/一次空氣的最佳風量比；③不同風量比下機組溫降、機組整體換熱效率；④不同氣候地區相同運行模式下二/一次空氣的最佳風量比。

1.2 機組運行原理

機組各功能段由整體外殼包裹，由間接蒸發冷卻段、蒸發冷凝段、直膨段等主要功能段組成。在間接蒸發冷卻和機械制冷結合的空調機組基礎上將傳統風冷式冷凝器改為蒸發式冷凝器。其中在空氣側數據中心回風通過間接蒸發冷卻換熱器(干通道)。室外空氣通過間接蒸發冷卻換熱器(濕通道)。在冷凝側采用蒸發式冷凝器，室外空氣經過蒸發式冷凝器，基于空氣、噴淋水實現蒸發冷卻，然后對盤管中的制冷劑降溫，通過水的氣化潛熱實現散熱。

機組以蒸發冷卻為主，機械制冷輔助供冷，將間接蒸發冷卻、蒸發冷凝、機械制冷等3種技術緊密結合，根據不同工況，3種技術切換配合運行。同時，間接段在運行時有干模式、濕模式和混合模式等3種運行模式。基于室外新風溫濕度采用的模式，在溫濕度檢測中需要利用溫濕度檢測裝置，置于二次空氣進風口位置，根據檢測結果設置對應的模式。

2 測試結果與討論

為了探究高效性與節能性的最佳風量比值，在測試中，設置間接蒸發冷卻器的風量比，在機組運行達到穩定工況之后對各個口的溫度進行監測，記錄測量的結果。然后進行統計分析，對間接蒸發冷卻器出風溫度、熱交換效率與風量比之間的關系做進一步研究。

2.1 干工況最佳風量比

在焓差實驗室內進行模擬時，設置一次側回風干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，機組在干模式運行時，二次側室外空氣干/濕球溫度設置為16 ℃/11 ℃。然后對風量進行設置，通過逐步提高二次風量，每次增幅保持在500 m3/h上下，而一次側回風量設為3 500 m3/h，且保持不變，使得二/一次風量比處于0.96～2.42之間。干模式下不同二/一次風量比蒸發效率的關系如圖2所示。

圖 2 干模式下風量比與蒸發效率的關系Fig.2 Relationship between air volume ratio and evaporation efficiency in dry mode

從圖2可以看出，在一定范圍內蒸發效率隨著風量比的變化而改變。當二/一次風量比達到水平之后繼續增大，即風量比高于2.1時，蒸發效率并不會繼續提高；另外，在確定最佳風量比時還需要考慮到風機功耗等問題，而不只是參考蒸發效率，因此風量比并非越高越好。

結合圖2數據分析可知，風量比達到2.1左右時，蒸發效率達到最高，即69.78%。此后繼續提高風量比，蒸發效率基本穩定不再提高，但是提高了二次風機功耗。干模式下不同二/一次風量比與送風溫度如圖3所示。

圖 3 干模式下風量比與送風溫度的關系Fig.3 Relationship between air volume ratio and supply air temperature in dry mode

從圖3可以看出，風量比提高時一次出風溫度基本固定在19.16 ℃左右，雖然略有波動，但是幅度總體較小。因此在干工況下， 最優風量比為2.1，此時可以同時滿足蒸發效率的要求。

2.2 濕工況最佳風量比

針對濕工況最佳風量比進行模擬和測試。設置一次側回風干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃；二次側室外空氣干/濕球溫度有2種工況：第一種工況為與干模式測試時相同的16 ℃/11 ℃，而間接蒸發冷卻通常在中高濕度地區需要開啟噴淋布水，因此濕模式測試的第二種工況設置溫度為33.6 ℃/26.3 ℃，機組采用連續不間斷的布水方式。

1) 二次側干濕球溫度16 ℃/11 ℃。在測試過程中設置二次風量逐步增大，增幅約500 m3/h，一次側回風量始終不變，即3 500 m3/h。風量比處于0.9～2.42之間。濕模式下隨著二/一次風量比的提高蒸發效率、送風溫度結果如圖4～5所示。

圖 4 濕模式下風量比與蒸發效率的關系Fig.4 Relationship between air volume ratio and evaporation efficiency in wet mode

圖 5 濕模式下風量比與送風溫度的關系Fig.5 The relationship between air volume ratio and supply air temperature in wet mode

從圖4～5可以看出，在焓差實驗室中一次側進口空氣參數穩定的情況下，隨著二/一次風量比的逐漸增大，一次空氣送風溫度持續減小，蒸發效率也呈明顯的變化趨勢。隨著風量比的增大，二次風量越大，將會帶走更多的熱量，所以和一次空氣的換熱量同樣保持了增長的趨勢。在一定范圍內，蒸發效率和一次空氣送風溫度之間呈負相關，但是蒸發效率在達到73.5%時基本不再提高，因此在該工況下，濕模式運行的最佳風量比為1.9。對應的送風溫度保持在18.15 ℃上下。在風量比持續提高的情況下，一次空氣出風溫度始終保持在18.15 ℃上下，盡管存在一定的波動變化，但是總體幅度較小。

在相同工況下，對干模式與濕模式的測試結果進行對比，不同二/一次風量比在相同工況下干、濕模式蒸發效率、溫降對比結果如圖6～7所示。

圖 6 風量比在不同模式下的蒸發效率對比Fig.6 Evaporation efficiency comparison of air volume ratio in different modes

圖 7 風量比在不同模式下的溫降對比Fig.7 Comparison of temperature drop of air volume ratio under different modes

從圖6～7可以看出，相同的二次側工況運行時，濕模式下間接蒸發冷卻設備的最佳風量比小于干模式。發現2種模式下換熱的驅動力不同，干模式是一、二次空氣干球溫差，濕模式是一次干球、二次濕球溫差，所以在二次空氣流量一致時，通過濕模式使得一次空氣可以達到更小的溫度。在2種模式下需要將一次空氣保持在特定溫度點時所要求的二次風量也明顯不同，相對于干模式，濕模式要求的二次風量更低。

2) 二次側干濕球溫度33.6 ℃/26.3 ℃。在測試過程中設置二次風量逐步增大，增幅約500 m3/h，一次側回風量始終不變，即3 500 m3/h。風量比處于0.88～2.31之間。中濕度地區不同二/一次風量比與蒸發效率和送風溫度測試結果如圖8所示。

圖 8 中濕度地區風量比與蒸發效率和 送風溫度的關系Fig.8 The relationship between air volume ratio and evaporation efficiency and supply air temperature in medium humidity area

從圖8可以看出，對于濕模式而言，當二次側空氣參數模擬中濕度地區的氣象參數時，數據所反映的蒸發效率與在干燥地區測試的數據對比明顯偏低，且此時最佳風量比值也比干燥地區測試所得的最佳風量比數值大；當濕模式的最佳風量比為2時，蒸發效率為56.76%,送風溫度達到22.67 ℃。因為在中等濕度地區，室外側二次空氣的濕球溫度相較于干燥地區有明顯提高，此時一次空氣干球溫度與二次空氣的濕球溫度之差縮小，因此機組在中等濕度地區運行時的蒸發效率比在干燥地區運行的蒸發效率明顯降低；同時由于蒸發效率的降低，處理相同風量的一次空氣需要更多的二次空氣，所以同為在濕模式下運行，但在中等濕度地區運行的最佳二/一次風量比的數值偏大。

3 結 論

1) 在相同室外工況下運行時，濕模式的最佳風量比小于干模式。在二次空氣流量保持固定時，濕模式使一次空氣的溫度更小，對一次空氣處理到特定的溫度點，濕模式的二次風量更低。

2) 對于干燥工況而言，干模式和濕模式的最佳風量比分別為2.1和1.9，對應蒸發冷卻效率分別為69.78%和73.5%，在最佳風量比下對應的溫降分別達到19.16 ℃和18.15 ℃。

3) 在中濕度地區工況下，濕模式的最佳風量比為2，在此風量比下蒸發效率為56.76%，送風溫度達到22.67 ℃。