金洋帆，黃 翔，屈名勛，王 穎，陳 夢(mèng)

（西安工程大學(xué)，西安 710048）

0 引言

隨著國(guó)家新基建和“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，進(jìn)一步加快了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，加劇了數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)作為降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗的節(jié)能“利器”已成為主流趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者，針對(duì)間接蒸發(fā)冷卻器的均勻布水進(jìn)行了相關(guān)研究。GUILIZZONI等［1］對(duì)間接蒸發(fā)冷卻器的布水器不同安裝方式（90°頂部、側(cè)部、90°底部、45°頂部和 45°底部）試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在間接蒸發(fā)冷卻器90°頂部布水優(yōu)于其他布水形式。ANTONELLIS等［2-4］研究發(fā)現(xiàn)間接蒸發(fā)冷卻器性能在一定程度上取決于噴嘴的數(shù)量和流量，但受水流速度的影響很大，另外將噴嘴與二次空氣氣流的方向逆流配置時(shí)冷卻效果更好。CHUA等［5-6］研究表明水膜覆蓋的均勻性對(duì)水膜溫度產(chǎn)生影響，并發(fā)現(xiàn)中壓噴霧相比于濕膜布水方式的濕球效率至少提升10%～25%。FABIEN等［7-8］基于噴淋形成機(jī)理和液滴擴(kuò)散機(jī)理建立了傳熱傳質(zhì)模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)小粒徑液滴、大噴淋錐角均有利于蒸發(fā)，水流量和噴嘴安裝間距同時(shí)影響液滴大小和分布區(qū)域。

宋姣姣等［9］對(duì)福州市某模擬機(jī)房交叉式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在間歇布水噴淋時(shí)間15 s時(shí)，最佳淋水密度為625 kg/（m·h）。孫鐵柱等［10］研究表明，多孔陶瓷管完全濕潤(rùn)的情況下，淋水密度越小，濕球效率越高。張鴻等［11］通過(guò)對(duì)復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器布水的間歇性周期研究發(fā)現(xiàn)，在停1 min噴10 s時(shí)冷卻器降溫幅度和濕球效率最大。賀紅霞等［12］研究發(fā)現(xiàn)間接蒸發(fā)冷卻器不同材料的親水性：聚合物纖維材料＞金屬鋁箔材料＞高分子材料，并對(duì)這3種材料采用何種噴頭、布水時(shí)間和安裝高度給出了建議。王樹信等［13］對(duì)于半橢圓管研究表明，隨淋水密度的增加，管外壁面溫度先減小后增大，存在最佳淋水密度，使得管外壁面溫度降低量最大。由玉文等［14］通過(guò)研究高溫高濕地區(qū)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，發(fā)現(xiàn)噴水量在2～2.5 L/min時(shí)系統(tǒng)降溫能力、濕球效率最高，較低的噴淋水溫可有效提高換熱效率。

目前數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的均勻布水問(wèn)題，已成為現(xiàn)階段間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)優(yōu)化改進(jìn)普遍關(guān)注的技術(shù)難題。本文針對(duì)板翅式間接蒸發(fā)冷卻器不同的布水方式進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)臺(tái)概況

1.1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

本試驗(yàn)臺(tái)主要是基于數(shù)據(jù)中心用的板翅式間接蒸發(fā)冷卻器搭建的試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，其工作原理與目前數(shù)據(jù)中心用的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組相同，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the test bench system

1.2 板翅式間接蒸發(fā)冷卻器

本試驗(yàn)所采用的板翅式間接蒸發(fā)冷卻器基本性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of plate-fin indirect evaporative cooler

本試驗(yàn)設(shè)備板翅式間接蒸發(fā)冷卻器最大的亮點(diǎn)便是采用移動(dòng)式布水器。移動(dòng)式布水器主要由驅(qū)動(dòng)單元部件和布水單元部件組成，驅(qū)動(dòng)單元部件的電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)，布水單元部件的布水管和噴嘴在鏈條驅(qū)動(dòng)下整體做機(jī)械往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)間歇性布水。布水器往返移動(dòng)一次時(shí)長(zhǎng)為6 s，只有在前進(jìn)單程3 s的時(shí)間內(nèi)噴淋布水，回程時(shí)不再噴淋布水。移動(dòng)布水的間歇性周期和噴水次數(shù)對(duì)應(yīng)的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 移動(dòng)式布水器的間歇性周期和噴水次數(shù)Tab.2 Intermittent period and water spray times of mobile water distributor

2 測(cè)試方案

2.1 測(cè)試工況

通過(guò)對(duì)室內(nèi)外溫濕度參數(shù)進(jìn)行模擬作為此次試驗(yàn)的測(cè)試工況，具體模擬的測(cè)試工況見(jiàn)表3。

2.2 試驗(yàn)具體步驟

試驗(yàn)步驟如下所示：

（1）首先確定需要測(cè)量的參數(shù)，分別在板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)的一、二次空氣的進(jìn)出風(fēng)口設(shè)置測(cè)點(diǎn)。

（2）開(kāi)啟板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)的一、二次風(fēng)機(jī)，待風(fēng)速穩(wěn)定后，再開(kāi)啟電加熱器對(duì)室內(nèi)外一、二次空氣進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，開(kāi)啟濕膜加濕裝置對(duì)室內(nèi)側(cè)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得室內(nèi)外一、二次空氣的溫濕度達(dá)到測(cè)試工況。

（3）濕工況測(cè)試，水泵開(kāi)啟，設(shè)定初始條件一、二次風(fēng)量固定不變，調(diào)節(jié)水泵的壓力，對(duì)應(yīng)每組壓力下運(yùn)行板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)60 min，使其干、濕通道里的一、二次空氣參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)2.1小節(jié)中模擬的試驗(yàn)工況（濕工況 A，B，C，D）分別進(jìn)行測(cè)試，每隔 1 min測(cè)量并記錄板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)出口各斷面處的空氣狀態(tài)參數(shù)。

（4）濕工況下，設(shè)定初始條件一、二次風(fēng)量和噴淋水壓力固定不變，對(duì)上部移動(dòng)式間歇性布水、下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水、上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水依次分別進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示。每種布水方式下測(cè)120 min，每隔1 min測(cè)量并記錄各測(cè)點(diǎn)空氣狀態(tài)參數(shù)。

圖2 不同布水方式測(cè)試Fig.2 Test of different water distribution methods

（5）試驗(yàn)測(cè)試結(jié)束，關(guān)閉試驗(yàn)系統(tǒng)。

2.3 試驗(yàn)儀器

測(cè)試中使用的試驗(yàn)儀器參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)儀器參數(shù)Tab.4 Test instrument parameters

2.4 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

濕球效率是數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻器性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，其計(jì)算方法如下：

式中 ηwb——間接蒸發(fā)冷卻濕球效率；

tdb1——一次空氣進(jìn)口的干球溫度，℃；

tdb2——一次空氣出口的干球溫度，℃；

t'wb1——二次空氣進(jìn)口的濕球溫度，℃。

淋水密度是評(píng)價(jià)間接蒸發(fā)冷卻器布水均勻程度的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，其計(jì)算方法如下：

式中 Γ ——單位淋水長(zhǎng)度上的淋水量，kg /（m·h）；

Mw——噴淋水量，kg/h；

n ——流道隔板數(shù)；

L1—— 一次空氣通道長(zhǎng)度，即二次通道的寬度，m。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 上部移動(dòng)式間歇性布水

3.1.1 水壓對(duì)淋水密度的影響

圖3示出了該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)在采用上部移動(dòng)式間歇性布水時(shí)，淋水密度隨噴淋水壓力的變化情況。

圖3 上部移動(dòng)式間歇性布水水壓與淋水密度的關(guān)系Fig.3 Relationship between water distribution pressure and water spray density of upper mobile intermittent water distribution

從圖中可以看出，每一個(gè)間歇性布水周期，其淋水密度都是隨著噴淋水壓力的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度下降，且趨于平緩。當(dāng)布水間歇性周期為45 s時(shí)，其淋水密度隨著噴淋水壓力增加的幅度是先大后小，整體的增加幅度也是最大的，這對(duì)于板翅式間接蒸發(fā)冷卻器剛開(kāi)始布水是十分有利的，可以快速響應(yīng)在濕通道側(cè)表面形成水膜。對(duì)比布水間歇性周期45 s和95 s在同一水壓下的淋水密度，發(fā)現(xiàn)間歇性周期45 s的淋水密度正好為間歇性周期95 s的2倍，而其他布水間歇性周期之間并無(wú)此規(guī)律。

3.1.2 布水間歇性周期對(duì)濕球效率的影響

圖4示出了該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)在采用上部移動(dòng)式間歇性布水時(shí)，布水間歇性周期與濕球效率的變化情況。隨著布水間歇性周期的減少，布水時(shí)長(zhǎng)的增加，不同水壓下的濕球效率都逐漸增加，但是在水壓為0.3，0.4 MPa條件下，間歇性周期為從95 s→45 s時(shí)，濕球效率基本不變，且水壓為0.4 MPa條件下對(duì)應(yīng)的濕球效率最大值為68.5%。因此，對(duì)于該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)采用上部移動(dòng)式間歇性布水時(shí)，在水壓為0.4 MPa條件下，間歇性周期為95 s時(shí)（即布水器移動(dòng)噴3 s，間歇時(shí)長(zhǎng)95 s），濕球效率最大。

圖4 上部移動(dòng)式間歇性布水周期與濕球效率的關(guān)系Fig.4 The relationship between the upper mobile intermittent water distribution period and the wet bulb efficiency

3.2 下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水

圖5示出了該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)在采用下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水時(shí)，布水間歇性周期對(duì)濕球效率和淋水密度的影響情況。對(duì)下部間歇性噴淋布水方式（即間歇性周期為245 s→45 s）進(jìn)行分析，隨著布水間歇性周期的減小，濕球效率逐漸增加，95 s→45 s時(shí)增加幅度平緩，且最終達(dá)到最大值63.2%，對(duì)應(yīng)的淋水密度也最大，其值為1 kg/（m·h）；對(duì)下部連續(xù)性噴淋布水方式（即間歇性周期為0 s）進(jìn)行分析，其淋水密度明顯大于間歇性布水的淋水密度，對(duì)應(yīng)的連續(xù)性布水濕球效率為62%，淋水密度為15 kg/（m·h）。對(duì)比下部間歇性和連續(xù)性布水的濕球效率發(fā)現(xiàn)，在布水間歇性周期為45 s和95 s時(shí)，連續(xù)性布水的效果不及間歇性布水的效果，另外連續(xù)性布水的濕球效率與間歇性周期為145 s的濕球效率61.6%僅相差0.4%的情況下，連續(xù)性布水的淋水密度卻是間歇性布水的50倍。分析其原因采用連續(xù)性的布水，噴淋水量太多，在板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的濕通道側(cè)底部會(huì)聚集大量的水珠，最終由于水珠自身的重力而脫落于濕通道側(cè)壁面，無(wú)法形成完整且薄薄的水膜，導(dǎo)致二次空氣與水膜的熱濕交換不夠充分，而對(duì)于間歇性的布水，在噴一個(gè)周期停一段時(shí)間的情況下，水珠不會(huì)大量聚集，加之二次空氣流動(dòng)的方向與噴淋水的方向一致，屬于順流噴淋的情況，這時(shí)二次空氣會(huì)對(duì)小水滴產(chǎn)生向上的剪切力，這是有利于水膜均勻分布的，從而提高板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率。因此，對(duì)于該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)在采用下部噴淋布水時(shí)，不一定噴淋水量越多，濕球效率就越高。

圖5 下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水間歇性周期與濕球效率的關(guān)系Fig.5 The relationship between the intermittent period of the lower intermittent/continuous spray water distribution and the wet bulb efficiency

3.3 上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水

圖6示出了該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)在采用上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水時(shí)，布水間歇性周期與淋水密度的變化關(guān)系。隨著布水間歇性周期的減小，上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水的淋水密度逐漸增加，且增加幅度不大。對(duì)于上部移動(dòng)式間歇性+下部連續(xù)性噴淋布水的淋水密度平均為15.2 kg/（m·h），上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性噴淋布水的淋水密度平均為0.52 kg/（m·h），兩者的淋水密度差距較大。

圖6 上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水間歇性周期與淋水密度關(guān)系Fig.6 The relationship between the intermittent period of the upper mobile intermittent + lower intermittent/continuous spray water distribution and the water spray density

圖7示出了該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)在采用上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水時(shí)，布水間歇性周期與濕球效率的變化關(guān)系。隨著布水間歇性周期的減小，采用上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性噴淋布水的方式，濕球效率在逐漸增加，在間歇性周期為45 s時(shí)，其濕球效率最大為71.1%；采用上部移動(dòng)式間歇性+下部連續(xù)性噴淋布水的方式，濕球效率在間歇性周期95 s→45 s時(shí)，濕球效率基本不變，對(duì)于試驗(yàn)樣機(jī)，當(dāng)布水間歇性周期為95 s→45 s時(shí)，此種布水方式下濕球效率達(dá)到最大值為69.3%。從圖7中可以看出采用上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性噴淋布水方式要比上部移動(dòng)式間歇性+下部連續(xù)性噴淋布水方式的濕球效率整體高0.7%～1.9%。

圖7 上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水間歇性周期與濕球效率關(guān)系Fig.7 The relationship between the intermittent period of upper mobile intermittent + lower intermittent/continuous spray water distribution and wet bulb efficiency

3.4 不同布水方式對(duì)比分析

圖8示出了該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)在采用不同布水方式時(shí)，布水間歇性周期與濕球效率的變化關(guān)系。

圖8 不同布水方式下，間歇性周期與濕球效率的關(guān)系Fig.8 Relationship between intermittent period and wet bulb efficiency under different water distribution methods

（1）多種布水方式結(jié)合與單獨(dú)一種布水方式對(duì)比分析。從圖8中可以得到，采用上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水的結(jié)合方式效果整體均優(yōu)于單獨(dú)采用一種布水的方式，上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性噴淋布水相比于上部移動(dòng)式間歇性布水的濕球效率提高1%～3%；相比于下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水提高4%～9%。分析其原因?yàn)榘宄崾介g接蒸發(fā)冷卻器采用上部和下部同時(shí)布水的方式，可以集成上下布水的優(yōu)點(diǎn)形成互補(bǔ)，減少了大量干點(diǎn)，使得濕通道側(cè)壁面都能形成均勻的水膜，可以有效提高板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率。

（2）上部逆流噴淋與下部順流噴淋布水對(duì)比分析。上部移動(dòng)式間歇性布水和下部間歇性噴淋布水的濕球效率隨布水間歇性周期的變化趨勢(shì)基本一致，且都是濕球效率隨著布水間歇性周期的減小逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。上部移動(dòng)式間歇性布水相比于下部間歇性噴淋布水的濕球效率提高5.5%左右。因此，上部移動(dòng)式間歇性布水效果優(yōu)于下部間歇性噴淋布水。分析其原因?yàn)榘宄崾介g接蒸發(fā)冷卻器采用上部移動(dòng)式間歇性布水，二次空氣流向與噴淋水方向相反屬于逆流噴淋的形式；下部間歇性噴淋布水，二次空氣流向與噴淋水方向相同屬于順流噴淋的形式。采用逆流噴淋時(shí)，二次空氣與噴淋水之間是一種紊流的狀態(tài)，發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流換熱，有利于濕通道側(cè)的二次空氣與水膜充分發(fā)生熱濕交換，而對(duì)于下部順流噴淋的形式，二次空氣與噴淋水之間接觸時(shí)間有限，加之受噴淋水滴自身的重力的影響，無(wú)法形成完整的水膜，使得二次空氣與水膜之間熱濕交換不夠充分，所以逆流噴淋效果優(yōu)于順流噴淋。

（3）間歇性布水與連續(xù)性布水對(duì)比分析。從圖8中可以看出無(wú)論板翅式間接蒸發(fā)冷卻器試驗(yàn)樣機(jī)采用上部還是下部布水，其間歇性布水效果都優(yōu)于與之對(duì)應(yīng)的連續(xù)性布水效果，分析其原因?yàn)殚g歇性布水形成的小水滴和薄水膜充分與二次空氣接觸，可以在短時(shí)間內(nèi)完全蒸發(fā)，而對(duì)于連續(xù)性的布水使得濕通道側(cè)壁面的水膜厚度增加，流道截面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致二次空氣的流速加快，縮短了與水膜的接觸時(shí)間，熱濕交換不夠充分。因此，間歇性布水的瞬時(shí)蒸發(fā)速率高于連續(xù)性布水的瞬時(shí)蒸發(fā)速率。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)表明，淋水密度隨著噴淋水壓力的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度下降，且趨于平緩，在同一水壓下，布水間歇性周期45 s的淋水密度正好為間歇性周期95 s的2倍。

（2）對(duì)比下部間歇性和連續(xù)性布水的濕球效率發(fā)現(xiàn)，在布水間歇性周期為45 s和95 s時(shí)，連續(xù)性布水的效果（濕球效率為62%，淋水密度為15 kg/（m·h））不及間歇性布水的效果，另外連續(xù)性布水的濕球效率與間歇性周期為145s的濕球效率61.6%僅相差0.4%的情況下，連續(xù)性布水的淋水密度卻是間歇性布水的50倍。因此，間歇性布水的效果優(yōu)于連續(xù)性。

（3）上部移動(dòng)式間歇性布水和下部間歇性噴淋布水的濕球效率隨布水間歇性周期的變化趨勢(shì)基本一致，且都是濕球效率隨著布水間歇性周期的減小逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。上部移動(dòng)式間歇性布水相比于下部間歇性噴淋布水的濕球效率提高5.5%左右。因此，逆流噴淋布水的效果優(yōu)于順流噴淋。

（4）對(duì)比不同布水方式的效果，上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水的結(jié)合方式效果整體均優(yōu)于單獨(dú)采用一種布水的方式，上部移動(dòng)式間歇性+下部間歇性噴淋布水相比于上部移動(dòng)式間歇性布水的濕球效率提高1%～3%；相比于下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水提高4%～9%。