不同運行模式下間接蒸發冷卻空調的能耗分析

武茁苗，黃 翔，史東旭，陳紅衛

(1.西安工程大學 城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710048；2.歐伏電氣股份有限公司 環控研發部，河北 三河 065201)

0 引 言

近年來，數據中心總耗電量已占到全社會總用電量的2%, 其中空調系統占據了數據中心近40% 的耗能[1]，因此在空調領域節能減排潛力巨大。隨著“雙碳”目標的提出，綠色低碳已成為各界共識，在此大背景下，間接蒸發冷卻空調技術以其高節能率和高適用性，逐漸成為綠色數據中心主流的冷卻方式之一[2]。隨著間接蒸發冷卻技術在國內外幾大數據中心的示范應用[3],能耗問題已成為間接蒸發冷卻空調的核心問題之一[4]。對于其耗能部件風機、水泵以及壓縮機，在不同室外氣象參數條件下，各個設備的開啟情況不同，不同的運行模式時長決定了數據中心間接蒸發冷卻空調系統能耗的高低。因此在不同氣候特征下，分析空調系統在不同運行模式下的能耗尤為重要。

文獻[5]中通過能耗模擬平臺，分析墨西卡利干旱地區蒸發冷卻空調，得出該地區在6—9月的開始和結尾運行蒸發冷卻空調，可以使室內達到較舒適的狀態，但在6—9月中間段由于室外空氣濕度大，蒸發冷卻空調不能使室內有較舒適的狀態。BRUNK模擬計算了6種不同形式的空調系統應用同一區域的能耗狀況，得出采用蒸發冷卻技術的空調系統具有明顯的節能效果[6]。崔華玉等基于逐時氣象參數，分析自然冷源、蒸發冷卻和蒸汽壓縮制冷等3種制冷方式的不同組合在機房空調應用中的能耗狀況，對比在不同氣候分區典型城市氣象條件下，不同技術方案的全年運行能耗，節能效果以及能效影響因素[7]。曾麗萍等以某數據中心為模擬仿真對象，利用能耗模擬軟件對數據中心3種不同運行模式的能耗進行仿真模擬，利用湖水進行自然冷卻的數據中心能源利用效率為1.23[8]。金洋帆等通過對新疆某醫院采用空氣-水蒸發冷卻空調系統和干燥地區某機場配餐中心采用全空氣蒸發冷卻空調系統的室內溫濕度及整體耗電量實測數據對比分析，評價蒸發冷卻空調系統的運行效果及能耗[9]。

目前針對數據中心間接蒸發冷卻空調不同運行模式能耗分析較少，本文測試了不同運行模式下，風機、水泵、壓縮機的功率，并探究不同室外干、濕球溫度空氣參數對空調能耗的影響規律。同時，利用能耗模擬軟件對烏魯木齊市(干燥地區)、北京市(中濕度地區)以及廣州市(高濕度地區)進行適用性、耗電量與節電率分析。

1 運行方案及能耗計算

1.1 干模式

圖 1 干模式下空氣處理焓濕圖Fig.1 Air treatment enthalpy wet diagram in dry mode

一次空氣進風N1(數據中心回風)在間接蒸發冷卻換熱芯體里與二次空氣進風W1(室外冷空氣)進行顯熱交換，一次空氣被等濕冷卻至狀態點N2，之后送入IT設備進行散熱，而二次空氣得到一次空氣的熱量后等濕升溫至狀態點W2。

1.2 濕模式

濕模式適用于春秋過渡季節運行，工作時長視空氣的相對濕度而定，濕模式運行時，空調系統風機開啟、循環水泵開啟、壓縮機關閉。其空氣處理過程焓濕圖如圖2所示。

圖 2 濕模式下空氣處理焓濕圖Fig.2 Air treatment enthalpy wet diagram in wet mode

從圖2可以看出，二次空氣進風W1經過濕膜進行絕熱加濕冷卻后，溫度逼近室外空氣的濕球溫度W2，之后在間接蒸發冷卻換熱芯體處與一次空氣進風N1進行顯熱交換，等濕升溫至狀態點W3，而一次空氣被等濕冷卻至狀態點N2，送入IT設備進行散熱。

1.3 混合模式

混合模式下主要用于夏季高負荷時段。混合模式運行時，空調系統風機開啟、循環水泵開啟、壓縮機開啟。其空氣處理過程焓濕圖如圖3所示。

圖 3 混合模式下空氣處理焓濕圖Fig.3 Air treatment enthalpy moisture diagram in mixed mode

從圖3可以看出，二次空氣進風W1經過濕膜進行絕熱加濕冷卻后，溫度逼近室外空氣的濕球溫度W2，之后在間接蒸發冷卻換熱芯體處與一次空氣進行顯熱交換，等濕升溫至W3，而被等濕冷卻后的一次空氣N2溫度還未達到數據中心送風要求，此時開啟DX(direct expansion)機械補冷系統，對冷卻后的一次空氣再一次減濕冷卻至狀態點N3，此時滿足數據中心送風要求的一次空氣送入IT設備進行散熱。

1.4 能耗計算

風機作為間接蒸發冷卻空調輸配側能耗占比最大的部件，在干模式、濕模式以及混合模式下均需要工作運行，風機的消耗功率(P1)計算公式[11-12]為

我認為，在目前的發展階段，部分產業談共享經濟也許是過早的。但我并不認為有些產業注定沒有辦法走網絡協同的道路，很可能未來它們會在一個更大的網絡協同或者說是協同網絡中去發展。像租車，本身并不適合共享經濟，但是智能交通可能會出現一個巨大的網絡協同平臺，而租車只是其中的一個服務。所以，共享平臺或者說共享經濟、網絡協同也許能在一個更大的產業范圍內實現。這就需要更長時間的積累。

(1)

(2)

式中：PS為送風機的全壓，kPa；ηs為送風機的全壓效率;G為新風量，m3/h;QX為室內顯熱負荷，kW；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·k)；ρ為空氣密度，kg/m3；tN為室內干球溫度，K；tL為送風溫度，K；1.1為富裕系數。

水泵也是間接蒸發冷卻空調輸配側的主要耗能部件之一，在干模式下水泵停止運行，在濕模式以及混合模式下均需要工作運行，水泵消耗功率(P2)計算公式[13]為

P2=γQH/(102η)

(3)

式中：Q為水泵的流量，m3/s；H為水泵的揚程，m；η為水泵的效率；γ為水的容重，取10 kN/m3。

壓縮機作為空調系統DX補冷裝置中的主要耗能部件，在干模式、濕模式下均停止運行，僅在混合模式下工作運行，可以使整個空調系統全年壓縮機運行小時數占比減少，從而大幅度降低數據中心空調能耗。壓縮機消耗功率(P3)計算公式[14]為

(4)

式中：VP為壓縮機理論排氣量，m3/h；λ為壓縮機輸氣系數；h2為壓縮機入口蒸汽比焓，kJ/kg；h1為壓縮機出口蒸汽比焓，kJ/kg；v為壓縮機進口處過熱氣體比容，m3/kg。

數據中心間接蒸發冷卻空調系統主要能耗來自間接蒸發冷卻空調機組，而間接蒸發冷卻空調主要耗能部件為一、二次側EC風機、循環水泵以及變容量壓縮機。因此，空調機組耗電量是供冷期內上述耗電部件耗電量之和，空調系統總耗電量(W)為

W=∑PiTi

(5)

式中:Pi為各個耗電部件的實時功率，kW；Ti為各設備的運行時間，h。

2 測試平臺

2.1 空調機組

測試平臺為廊坊市某數據中心用間接蒸發冷卻空調機組，空調機組流程及原理圖如圖4所示。圖4中，空調機組總制冷量為220 kW(DX補冷120 kW)，設計送/回風溫度：25 ℃/37 ℃，機組尺寸6 000 mm×2 825 mm×5 150 mm。該空調系統采用遠程數據實時監控展示系統，每隔10 s記錄1次干、濕通道內各個測點的空氣參數以及耗能部件的實時功率。

圖 4 空調機組流程及原理圖Fig.4 Flow and schematic diagram of the air conditioning unit

2.2 耗電設備控制流程

間接蒸發冷卻空調耗電設備控制流程如圖5所示。

圖 5 空調耗電設備控制流程圖Fig.5 Flow chart of air conditioning power consumption equipment control

在該系統控制邏輯下，一旦確定了室外空氣氣象參數，空調系統干模式、濕模式以及混合模式各自運行時長占比是一定的[15]，因此可以根據不同運行模式下耗電設備的啟停情況計算出該空調系統某一時刻的總功率以及能效(COP)，進而進行能耗分析。

3 測試分析及平臺優化

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》和T/DZJN 10—2020《數據中心蒸發冷卻空調技術規范》[16-17]規定的數據中心機房送風溫度在18.0～27.0 ℃之間，回風溫度在35.0～38.0 ℃之間，通過改變二次空氣側進風參數使一次空氣側空氣參數保持在規范要求的范圍內，且干模式、濕模式以及混和模式一次空氣循環側空氣參數均保持一致。由于該空調系統總制冷量為220.0 kW，在一次空氣側送、回風溫度不變前提下，得出一次風量恒定在56 000 m3/h左右，一次空氣循環側參數見表1。因此無論哪種運行模式，一次風機功率均保持恒定，其大小在23.0 kW左右。同時濕模式、混合模式下需要開啟循環水泵，該空調系統采用的是定頻水泵，其輸出功率為0.25 kW。本次實驗測試分析是在滿足數據中心送、回風要求前提下進行間接蒸發冷卻空調不同運行模式能耗分析。

表1 一次空氣循環側參數Tab.1 Side parameters of primary air circulation

3.1 干模式

干模式測試環境下，當干球溫度從11.0 ℃上升到17.0 ℃時，濕球溫度均保持在9.0 ℃左右；濕球溫度從8.0 ℃上升到14.0 ℃時，干球溫度均保持在15.6 ℃左右。干模式下干、濕球溫度對空調能耗的影響如圖6所示。

(a) 干球溫度 (b) 濕球溫度圖 6 干模式下干、濕球溫度對空調能耗的影響Fig.6 Effect of dry and wet bulb temperatures on air conditioner power consumption in dry mode

從圖6(a)可以看出，隨著干球溫度的上升，二次風機功率與總功率均有所上升，空調COP明顯降低。二次風機功率為8.9～33.6 kW、總功率為32.1～57.1 kW，空調COP在3.9～7.0之間，干球溫度的上升對空調系統的總功率與COP影響較大。從圖6(b)可以看出，隨著濕球溫度的上升，二次風機功率為20.0～20.6 kW之間、總功率為43.1～44.4 kW，空調COP在4.9～5.1之間。濕球溫度的上升對于空調系統的總功率與COP幾乎沒有影響。同時，當干球溫度大于16.0 ℃時，空調系統的總功率增大，干模式已經不能適用，應開啟濕模式。

3.2 濕模式

濕模式測試環境下，當干球溫度從20.0 ℃上升到26.0 ℃時，濕球溫度均保持在15.6 ℃左右；濕球溫度從11.0 ℃上升到17.0 ℃時，干球溫度均保持在20.9 ℃左右。濕模式下干、濕球溫度對空調能耗的影響如圖7所示。

(a) 干球溫度 (b) 濕球溫度圖 7 濕模式下干、濕球溫度對空調能耗影響Fig.7 Effect of dry and wet bulb temperatures on air conditioner power consumption in wet mode

從圖7(a)可以看出，隨著干球溫度的上升，二次風機功率為19.9～22.2 kW，總功率為43.1～46.5 kW，空調COP在4.7～5.1之間。從圖7(b)可以看出，隨著濕球溫度的上升，二次風機功率為8.9～22.2 kW，總功率為33.3～46.3 kW，空調COP在4.7～7.2之間。隨著干、濕球溫度的上升，空調總功率均上升，COP均有所下降，但是濕球溫度的變化對空調系統的總功率與COP的影響大于干球溫度的變化。

3.3 混合模式

在混合模式下變容量壓縮機也開始工作進行DX補冷，各個耗電設備均開始工作。在混合模式測試環境下，當干球溫度從30.0 ℃上升到36.0 ℃時，濕球溫度均保持在21.0 ℃左右；濕球溫度從18.0 ℃上升到24.0 ℃時，干球溫度均保持在30.0 ℃左右?；旌夏Ｊ较赂?、濕球溫度對空調能耗影響如圖8所示。

(a) 干球溫度

(b) 濕球溫度對空調能耗影響圖 8 混合模式下干、濕球溫度對空調能耗影響Fig.8 Effect of dry and wet bulb temperatures on air conditioner power consumption in mixed mode

從圖8(a)可以看出，隨著干球溫度的上升，壓縮機功率為12.8～16.4 kW、總功率為60.2～63.2 kW、空調COP在3.5～3.7之間。從圖8(b)可以看出，隨著濕球溫度的上升，壓縮機功率為2.1～20.4 kW、總功率為48.4～68.1 kW，空調COP在3.2～4.6之間。此時在2種因素改變條件下，一、二次風機功率均已達到最大值23 kW。隨著干、濕球溫度的上升，空調總功率都會上升，COP均有所下降。與濕模式相同的是，濕球溫度的變化對于空調系統的總功率與COP的影響大于干球溫度的變化。

不同模式下干、濕球溫度對空調系統COP的影響差異：干模式下，整個空調系統的換熱過程只有換熱芯體處的顯熱交換，因此空氣的濕球溫度(相對濕度)的大小對其無影響。而在濕模式和混合模式下，在濕膜段工作中，整個空調系統發生的換熱過程不僅有換熱芯體處的顯熱交換，還有濕膜段的潛熱交換，因此濕球溫度的大小對其影響較大，決定機組能耗的高低。

通過3種運行模式的測試結果，可以得出間接蒸發冷卻空調機組水泵運行的功率都很小，其主要差別在于風機、壓縮機的能耗。而不同地區因其氣候條件的不同，各個模式下耗電差距較大。

3.4 適用性、耗電量與節電率

間接蒸發冷卻空調作為氣象空調，其性能參數受室外空氣的干球溫度和濕球溫度的影響較為嚴重[18-20]，因此，室外氣象參數對數據中心間接蒸發冷卻空調的耗電量影響較大。本次實驗對象選取我國烏魯木齊、北京以及廣州3個城市為代表，3個典型城市的氣候特征見表2。

表2 3個典型城市的氣候特征 Tab.2 Climatic characteristics of three typical cities

采用TRNSYS能耗模擬軟件分別搭建數據中心間接蒸發冷卻系統的仿真測試平臺，模擬仿真干模式、濕模式、混合模式[21]，再結合3個城市全年8 760 h的逐時室外氣象參數以及圖5測試平臺3種運行模式的切換條件，分析各個城市不同運行模式的運行時長占比以及年累計耗電量[22]。同時與數據中心傳統風冷直膨空調(制冷量220 kw)的耗電量進行對比，得出間接蒸發冷卻空調的節電率，典型城市適用性、耗電量與節電率如圖9所示。

(a) 烏魯木齊市(干燥地區)

(b) 北京市(中濕度地區)

(c) 廣州市(高濕度地區)圖 9 典型城市適用性、耗電量與節電率Fig.9 Applicability, power consumption and power saving rate of the typical cities

從圖9可以看出，由于北京、烏魯木齊、廣州各城市全年室外空氣狀態不同，新風自然冷卻(干模式)、間接蒸發冷卻(濕模式)、DX機械制冷補冷(混合模式)各自運行時長占比以及年累計耗電量也不同。烏魯木齊市干、濕、混合模式運行時長占比分別為64%、31%、5%；年累計耗電量分別為175 709、98 633、22 320 kW·h；節電率分別為57%、50%、37%，年累計節電量為345 738 kW·h。北京市運行時長占比分別為57%、17%、26%；年累計耗電量分別為159 656、63 065、134 387 kW·h；節電率分別為56%、42%、20%，年累計節電量為285 292 kW·h。廣州市運行時長占比分別為21%、15%、64%；年累計耗電量分別為86 172、66 106、337 891 kW·h；節電率分別為36%、31%、18%，年累計節電量為152 231 kW·h。當數據中心采用新風自然冷卻以及間接蒸發冷卻為冷源時較為節能。這是由于干燥空氣可以容納較多水汽，而水蒸發成氣體會吸收熱量，因此干空氣在由干變潮的過程中，為空調提供所需要的能量。故干燥地區數據中心年耗電量最低，中等濕度地區數據中心年耗電量次之，高濕度地區數據中心年耗電量最高。

3.5 平臺優化建議

1) 間接蒸發冷卻空調又稱氣象空調，其制冷量受室外環境的影響因素較大。因此，應該根據室外環境參數的變化調節空調系統運行策略，優化空調機組各個耗能部件啟停的自動控制系統，降低空調能耗。

2) 空調系統循環水泵相較于二次風機功率很低，應加大濕模式的使用范圍，部分干模式應該由濕模式代替運行。濕模式下使室外空氣降至其濕球溫度，在負荷一定前提下，可以最大限度地降低二次空氣側的新風量，降低二次風機能耗。

3) 布水周期是影響間接蒸發冷卻器均勻布水的重要因素，合適的布水周期可以使濕膜表面形成水膜薄層，不僅提高了蒸發冷卻效率，而且節水節電。因此，在濕模式以及混合模式下，對于制冷段的濕膜應進行間歇性布水，以減少水泵能耗。

4 結 論

1) 在設備側，耗電部件風機、壓縮機運行功率相較于水泵占比較大。在室外環境側，干、濕球溫度對于不同運行模式下空調機組COP的影響程度并不相同，無論哪種模式下，室外干、濕球溫度的上升均會導致空調機組COP的下降。

2) 間接蒸發冷卻空調應用于我國不同濕度地區的數據中心，均具有較好的節能性。干燥地區較中等濕度地區、高濕度地區總體節電率更高；同時，無論在哪個地區，干模式節電率最高、濕模式次之、混合模式最低。

3) 空調機組“干模式+濕模式”的全年運行時長占比越大，耗電量越低。