杜 妍 黃 翔 王 穎 屈名勛 薛寧靜

（西安工程大學(xué) 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(nèi)，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為電子信息設(shè)備運(yùn)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(gòu)建綠色數(shù)據(jù)中心，是構(gòu)建新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要任務(wù)。蒸發(fā)冷卻技術(shù)以大自然空氣中的“干空氣能”為驅(qū)動(dòng)勢，令不飽和空氣與水接觸發(fā)生熱、質(zhì)傳遞，水分蒸發(fā)使得空氣溫度降低以達(dá)到制冷的目的，由于其節(jié)能性、低碳性、經(jīng)濟(jì)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(jī)組、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)及機(jī)組也被列入2020 國家綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)產(chǎn)品目錄中。李婷婷等采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造，并分析其在機(jī)房中應(yīng)用時(shí)在結(jié)露、排風(fēng)、局部熱點(diǎn)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(yùn)行、監(jiān)測、電量數(shù)據(jù)等方面分別對蒸發(fā)式冷氣機(jī)應(yīng)用情況進(jìn)行分析[3-5]。傅烈虎等對采用全新風(fēng)自然冷卻的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行熱環(huán)境模擬，強(qiáng)調(diào)空氣品質(zhì)、方案經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)維管理在該方案中的重要性[6]。金洋帆等從結(jié)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(diào)機(jī)組進(jìn)行分析[7]。薛志強(qiáng)、賈晨昱、胡雨等分別從與間接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的機(jī)械補(bǔ)冷系統(tǒng)補(bǔ)冷量百分比確定、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心三種運(yùn)行模式切換節(jié)點(diǎn)溫度確定以及應(yīng)用于實(shí)際工程情況進(jìn)行分析[8-10]。褚俊杰、劉佳莉等從二/一次風(fēng)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(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組性能的影響[11,12]。賀紅霞等提出一種應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的流道結(jié)構(gòu)為逆流和叉流結(jié)合的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合空調(diào)，并模擬了機(jī)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(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組應(yīng)用于機(jī)房中，對比在不同熱源功率情況下機(jī)組送風(fēng)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(jī)、間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組以及露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的空氣處理過程進(jìn)行理論分析，并對其在高濕工況下不同風(fēng)速、二/一次風(fēng)量比情況下的換熱性能進(jìn)行測試分析，歸納三者應(yīng)用于通信機(jī)房、數(shù)據(jù)中心的優(yōu)劣，結(jié)合測試結(jié)果，計(jì)算了三種空調(diào)形式在福州、廣州、上海、南京僅采用自然冷卻的運(yùn)行時(shí)間。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取冷風(fēng)原理

1.1 直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

如圖1所示，直接蒸發(fā)冷卻理想狀況下，A狀態(tài)點(diǎn)的室外空氣與水膜進(jìn)行熱濕交換被等焓降溫至狀態(tài)點(diǎn)B，而實(shí)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(diǎn)，再與少部分未與水膜接觸的空氣混合為D狀態(tài)點(diǎn)，經(jīng)風(fēng)機(jī)管道溫升至E狀態(tài)點(diǎn)送入室內(nèi)，由于機(jī)房內(nèi)主要為IT 設(shè)備產(chǎn)生的熱量，因此送入機(jī)房內(nèi)的空氣近乎被等濕加熱至F狀態(tài)點(diǎn)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(shù)

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(cè)走一次空氣（機(jī)房的循環(huán)空氣），從E狀態(tài)點(diǎn)被等濕冷卻至F狀態(tài)點(diǎn)，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(jī)房回風(fēng)熱量，增焓降溫至D狀態(tài)點(diǎn)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(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

對于露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，如圖3所示，由于其芯體的特殊結(jié)構(gòu)處理，室外空氣A先從二次空氣干通道入口進(jìn)入，其中分出一小部分空氣從靠前的預(yù)留孔洞進(jìn)入二次空氣濕通道，在濕通道內(nèi)與噴淋水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻作用同時(shí)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(jìn)行充分的熱質(zhì)交換作用后到達(dá)A′狀態(tài)點(diǎn)，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(diǎn)，再分出一小部分空氣從第二個(gè)預(yù)留孔洞進(jìn)入到濕通道側(cè)，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(diǎn)排至室外，未進(jìn)入濕通道的二次空氣被等濕冷卻至C狀態(tài)點(diǎn)繼續(xù)重復(fù)上述的處理過程，直至所有二次空氣到達(dá)D狀態(tài)點(diǎn)，從最后一個(gè)預(yù)留孔洞進(jìn)入到濕通道側(cè)被處理至D′狀態(tài)點(diǎn)然后排至外界，D′狀態(tài)點(diǎn)接近A狀態(tài)點(diǎn)的露點(diǎn)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(diǎn)等濕冷卻至G狀態(tài)點(diǎn)，然后送入機(jī)房[15]。

圖3 露點(diǎn)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(jià)指標(biāo)

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(jì)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(jì)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(jī)

直接蒸發(fā)式冷氣機(jī)如圖4（a）所示，2020年8月對機(jī)組性能進(jìn)行測試，設(shè)定不同的入口風(fēng)速，進(jìn)風(fēng)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(jī)原理圖Fig.4(a) Schematic diagram of evaporative air conditioner

由圖4（b）可知，機(jī)組直接蒸發(fā)冷卻效率隨著進(jìn)口風(fēng)速的增加呈先增加后降低的趨勢，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速達(dá)到1.8m/s 時(shí)，效率最高可達(dá)到73.85%，其出風(fēng)溫度在29.5℃，而根據(jù)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)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(jī)所處理空氣達(dá)到的溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求，采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)制取的冷風(fēng)送入機(jī)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(jī)房專用空調(diào)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)室外環(huán)境情況切換來控制室內(nèi)溫濕度。

圖4（b） 蒸發(fā)式冷氣機(jī)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(jī)與機(jī)房專用空調(diào)聯(lián)用是直接將室外新風(fēng)等焓降溫處理送入室內(nèi)，可能會面臨如下問題：送風(fēng)相對濕度較大，開啟機(jī)房專用空調(diào)時(shí)會出現(xiàn)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)房專用空調(diào)除濕能耗高，因此在極端高溫高濕情況需關(guān)閉蒸發(fā)式冷氣機(jī)[3]；直流式導(dǎo)致空氣潔凈度不高，需做好新風(fēng)過濾；冬季溫度過低，導(dǎo)致新風(fēng)加濕空間小，機(jī)房環(huán)境相對濕度過低，可配合機(jī)房回風(fēng)改善[17]；室內(nèi)形成過高的正壓會影響蒸發(fā)式冷氣機(jī)的運(yùn)行效果，因此需設(shè)排風(fēng)裝置；對于可能產(chǎn)生的局部熱點(diǎn)問題，可連接管道進(jìn)行崗位送風(fēng)以解決[2]。

2.2 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組原理圖如圖5（a）所示，2021年9月對其進(jìn)行測試，測試工況下，機(jī)組二次空氣進(jìn)風(fēng)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(diào)機(jī)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(fēng)量比的增加，機(jī)組的間接蒸發(fā)冷卻效率呈增長的趨勢，增幅逐漸變緩，當(dāng)風(fēng)量比達(dá)到1.5 時(shí)，效率基本達(dá)到最高值64.8%，此時(shí)再增加風(fēng)量，效率不僅沒得到提升，還會增加風(fēng)機(jī)能耗。在最佳風(fēng)量比下，一次空氣出風(fēng)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(diào)機(jī)組雖未將一次空氣處理至送風(fēng)要求范圍內(nèi)，但也可起到一定的預(yù)冷效果，如根據(jù)所測數(shù)據(jù)，對于5000m3/h 送風(fēng)量的機(jī)組來說，間接蒸發(fā)冷卻器可提供7.63kW 的制冷量，搭配機(jī)械制冷系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)冷，在保證可靠性的同時(shí)可節(jié)約能耗。

圖5（b） 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)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(dāng)進(jìn)口空氣溫濕度較高，可利用的“干空氣能”較小時(shí)會影響其效率，可通過尋找最佳的二/一次風(fēng)量比和淋水量、采用間歇性布水、對循環(huán)水進(jìn)行水質(zhì)處理防止其結(jié)垢[7]、增強(qiáng)換熱芯體親水性或在其表面采取特殊結(jié)構(gòu)處理等方式來強(qiáng)化換熱。

2.3 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組原理圖如圖6（a）所示，2020年8月對機(jī)組在不同二/一次風(fēng)量比情況下的性能進(jìn)行測試，測試工況下，機(jī)組二次空氣進(jìn)風(fēng)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(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)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(fēng)量比的增加，機(jī)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(dāng)風(fēng)量比達(dá)到1.7 時(shí)，效率基本達(dá)到最高值96.5%，此時(shí)再增加風(fēng)量，效率不僅沒得到提升，還會增加風(fēng)機(jī)能耗。在最佳風(fēng)量比下，一次空氣出風(fēng)干球溫度在28.16℃，接近二次空氣進(jìn)風(fēng)濕球溫度，一次空氣溫降在7.24℃。在所測參數(shù)下，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組近乎可將空氣處理至18℃～27℃的送風(fēng)范圍，則對于一些較所測二次空氣進(jìn)風(fēng)參數(shù)溫度和相對濕度更低一點(diǎn)的地區(qū)，基本在全年可實(shí)現(xiàn)零機(jī)械制冷。

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

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

由于露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的換熱芯體干通道為強(qiáng)化換熱制作成Z字型，為預(yù)冷二次空氣，二次空氣會通過孔洞，經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎進(jìn)入濕通道，導(dǎo)致相同規(guī)格的機(jī)子，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體產(chǎn)生的壓降大于間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體，再加上機(jī)械制冷換熱器、過濾器等部件，會使得機(jī)組風(fēng)機(jī)壓降過大，采用軸流風(fēng)機(jī)無法滿足壓降需求，而風(fēng)量大、揚(yáng)程大的常規(guī)離心風(fēng)機(jī)能耗過高且占地面積大，用于機(jī)組生產(chǎn)得不償失，目前業(yè)界基本采用EC離心風(fēng)機(jī)，現(xiàn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組120kW 制冷量規(guī)格的一次空氣風(fēng)量一般在28000m3/h，如若選擇兩臺EC風(fēng)機(jī)，單臺風(fēng)量14000m3/h，如圖7 為14000m3/h 風(fēng)量，市面上的EC離心風(fēng)機(jī)功率隨著風(fēng)壓增大的改變情況，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的增大會導(dǎo)致功率的直線上升，而風(fēng)機(jī)是全年開啟的設(shè)備，則會影響到整機(jī)的能效，在機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)充分考慮到風(fēng)壓的影響。

圖7 風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)壓關(guān)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(jī)

蒸發(fā)式冷氣機(jī)由于會給室內(nèi)引入新風(fēng)，適用于對環(huán)境潔凈度等級要求不高的機(jī)房，設(shè)蒸發(fā)式冷氣機(jī)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)干球溫度為20℃[17]，根據(jù)逐時(shí)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(jì)算出采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)滿足提供充足制冷量時(shí)的進(jìn)風(fēng)濕球溫度（對于干球溫度低于送風(fēng)溫度的可直接列為滿足情況），與逐時(shí)濕球溫度對比，可計(jì)算全年滿足的小時(shí)數(shù)。

3.2 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組

根據(jù)所測間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)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(jī)組一次空氣送、回風(fēng)要求（38℃、25℃）以及間接蒸發(fā)冷卻效率，結(jié)合間接蒸發(fā)冷卻效率公式可計(jì)算出完全采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組可提供充足制冷量，外界濕球溫度的最高值。

3.3 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)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(jì)算出露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組所對應(yīng)的濕球溫度最高值，由計(jì)算結(jié)果可見，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組對濕球溫度的要求范圍較間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組寬裕了6.6℃。

3.4 運(yùn)行時(shí)長分析

由于機(jī)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(gè)高濕度地區(qū)，根據(jù)其全年逐時(shí)氣象參數(shù)，對三個(gè)機(jī)組自身可完全提供制冷量的小時(shí)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。

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

4 結(jié)論

（1）通過焓濕圖的分析，實(shí)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(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻由于工作空氣的預(yù)冷效果，送風(fēng)會實(shí)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(jī)直接蒸發(fā)冷卻效率在風(fēng)速為1.8m/s時(shí)達(dá)到最高值73.85%；間接蒸發(fā)冷卻器當(dāng)二/一次風(fēng)量比達(dá)到1.5 時(shí)，效率基本達(dá)到最高值64.8%，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器當(dāng)二/一次風(fēng)量比達(dá)到1.7 時(shí)，效率基本達(dá)到最高值96.5%，出風(fēng)溫度受換熱器效率、二/一次風(fēng)量比、淋水量、布水形式等的影響。

（3）通過分析得出風(fēng)機(jī)功率隨風(fēng)壓的增長基本呈線性增長趨勢，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組由于其流道的特殊性，風(fēng)阻會較普通的板翅式等間接蒸發(fā)冷卻器大，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到風(fēng)機(jī)能耗問題。

（4）預(yù)測三種機(jī)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(yùn)行時(shí)長，由于露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)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(shí)間最高可達(dá)到7709 小時(shí)，有巨大的節(jié)能空間。