王 穎，黃 翔，寇 凡，靳如意

（1.西安工程大學(xué)，西安 710048；2.西安市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一項(xiàng)以“干空氣能”為制冷驅(qū)動(dòng)勢(shì)，以水為制冷劑的節(jié)能、低碳、經(jīng)濟(jì)、健康的制冷空調(diào)技術(shù)［1］，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)由于其等濕冷卻的特性，受到廣大研究學(xué)者的青睞。

DUAN 等［2-3］對(duì)間接蒸發(fā)冷卻器二、一次空氣進(jìn)口空氣流量、溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，在不同條件下的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)氣速度從0.75 m/s 增加到2.83 m/s 時(shí)，由于空氣和水膜換熱時(shí)間的減少，其冷卻效率逐漸降低。張鴻等［4］在同風(fēng)量比的條件下，對(duì)板管式間接蒸發(fā)冷卻器和復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，在風(fēng)量比1.1 時(shí)冷卻器換熱性能最佳，且后者換熱效率要遠(yuǎn)高于前者。劉佳莉等［5］在干燥工況下對(duì)復(fù)合式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：進(jìn)風(fēng)量和淋水密度為換熱器性能的主要影響因素，當(dāng)該換熱器風(fēng)量比為0.7、淋水密度為0.4 m3/h 時(shí)，效率達(dá)到最高值。由玉文等［6］對(duì)高濕度地區(qū)間接蒸發(fā)冷卻換熱器能量回收效率進(jìn)行研究，在多種工況下進(jìn)行測(cè)試，得出風(fēng)量比為1.1 時(shí)，溫降可達(dá)11.8℃，濕球效率為65%，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果建立間接蒸發(fā)冷卻的運(yùn)行分區(qū)模型。李晗剛等［7］采用調(diào)節(jié)新風(fēng)與回風(fēng)的風(fēng)量來(lái)測(cè)試機(jī)組性能，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)分別調(diào)節(jié)回風(fēng)量和新風(fēng)量使風(fēng)量比從0.8 遞減到0.4 時(shí)，采用調(diào)節(jié)回風(fēng)量的方式機(jī)組出風(fēng)溫度更低。LEE 等［8］控制總新風(fēng)量不變的情況下，逐漸增大回風(fēng)中的新風(fēng)比例，分析對(duì)換熱器性能的影響，試驗(yàn)表明回風(fēng)中的新風(fēng)與總風(fēng)量的比值為0.3 時(shí)，機(jī)組的濕球效率達(dá)到峰值。Climate Wizard 型露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器［9］，當(dāng)出風(fēng)溫度接近傳統(tǒng)機(jī)械制冷空調(diào)時(shí)，二次空氣與一次空氣的比值為0.8 左右。于凱等［10］針對(duì)蘭州的室外氣象條件，對(duì)管式間接蒸發(fā)冷卻器二次空氣風(fēng)量比進(jìn)行試驗(yàn)研究，在淋水密度保持不變時(shí)，風(fēng)量比與間接蒸發(fā)冷卻器的效率成正比，但超過(guò)峰值點(diǎn)0.7 時(shí)，將會(huì)額外增加設(shè)備的能耗。吳生等［11］分別在干燥地區(qū)、中等濕度地區(qū)對(duì)間接-直接兩級(jí)蒸發(fā)冷卻器空調(diào)機(jī)組進(jìn)行性能測(cè)試，得出干燥地區(qū)風(fēng)量比應(yīng)取1.0，中等濕度地區(qū)由于干空氣能稀薄，風(fēng)量比應(yīng)增大為2.0。褚俊杰等［12］在不同濕球溫度條件下對(duì)逆流式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行試驗(yàn)研究，在風(fēng)量比為1.1 時(shí)露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器濕球效率為105%，當(dāng)風(fēng)量比增加到2 時(shí)，濕球效率增長(zhǎng)20%左右。

但目前針對(duì)間接蒸發(fā)冷卻器在數(shù)據(jù)中心的使用還未成熟，還存在諸多亟待解決的問(wèn)題，如氣流形式明顯區(qū)別于民用間接蒸發(fā)冷卻器，在各種環(huán)境工況下二/一次風(fēng)量配比與換熱效率的關(guān)系等問(wèn)題。本文針對(duì)一種數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻器，在多種工況條件下，測(cè)試分析了該冷卻器干、濕運(yùn)行工況下，其二/一次風(fēng)量比對(duì)換熱效率、溫降幅度等參數(shù)的影響。

1 數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用濕通道內(nèi)不飽和狀態(tài)的空氣與水接觸時(shí)的汽化潛熱，帶走干通道內(nèi)空氣的熱量如圖1 所示。間接蒸發(fā)冷卻器在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時(shí)，不同于民用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)一、二次空氣均來(lái)源于室外的形式，其一次空氣為機(jī)房回風(fēng)，二次空氣來(lái)自室外新風(fēng)如圖2 所示。一次空氣與二次空氣不發(fā)生直接接觸，通過(guò)換熱器間壁換熱。一次空氣為內(nèi)循環(huán)式，從機(jī)房中來(lái)冷卻后到機(jī)房中去。二次空氣使用室外新風(fēng)，吸熱后又排到室外，為外循環(huán)形式［13］。有效保證了機(jī)房送風(fēng)的潔凈度，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域存在巨大的發(fā)展空間。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻器換熱原理示意Fig.1 Schematic diagram of heat transfer principle of indirect evaporative cooler

圖2 數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻二、一次空氣循環(huán)方式Fig.2 Secondary and primary air circulation mode for indirect evaporative cooling of data center

1.2 數(shù)據(jù)中心用間接蒸發(fā)冷卻運(yùn)行模式

1.2.1 干工況

當(dāng)冬季或過(guò)渡季節(jié)室外溫度較低時(shí)，直接室外新風(fēng)直接作為二次空氣與機(jī)房回風(fēng)進(jìn)行顯熱交換即可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)要求，無(wú)需開(kāi)啟噴淋裝置對(duì)濕通道進(jìn)行布水，間接蒸發(fā)冷卻器充當(dāng)空-空換熱器。其熱濕交換過(guò)程如圖3 所示，圖中N為室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)，W 為室外空氣狀態(tài)點(diǎn)，O 為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖3 干工況下間接蒸發(fā)冷卻器一、二次空氣處理過(guò)程焓濕Fig.3 Enthalpy and humidity diagrams of the primary and secondary air treatment processes of the indirect evaporative cooler under dry conditions

1.2.2 濕工況

當(dāng)外界溫度較高時(shí)，通過(guò)干式換熱不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)要求時(shí)，開(kāi)啟噴淋裝置進(jìn)行間接蒸發(fā)冷卻濕式換熱。數(shù)據(jù)機(jī)房的循環(huán)空氣流通過(guò)換熱芯體的干通道被等濕冷卻；外界環(huán)境空氣流通過(guò)換熱芯體的濕通道，與換熱表面的水膜發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻的換熱過(guò)程，帶走機(jī)房熱量，其熱濕交換過(guò)程如圖4 所示。

圖4 濕工況下間接蒸發(fā)冷卻器一、二次空氣處理過(guò)程焓濕Fig.4 Enthalpy and humidity diagrams of the primary and secondary air treatment processes of the indirect evaporative cooler under wet conditions

1.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

間接蒸發(fā)冷卻器干模式下的換熱效率η計(jì)算式見(jiàn)式（1），間接蒸發(fā)冷卻器濕模式下的換熱效率ηwb計(jì)算式見(jiàn)式（2）［14］。

式中 tdb1——一次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃；

tdb2——一次空氣出風(fēng)干球溫度，℃；

tdb1'——二次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃；

twb1——二次空氣進(jìn)風(fēng)濕球溫度，℃。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)T/DZJN 10-2020《數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)規(guī)范》［15］，數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)區(qū)域劃分和間接蒸發(fā)冷卻換熱效率推薦值見(jiàn)表1。

表1 不同區(qū)域間接蒸發(fā)冷卻效率推薦Tab.1 Recommended evaporative cooling efficiencies in different areas

2.2 試驗(yàn)參數(shù)的確定

根據(jù)GB 50736—2012［16］中規(guī)定的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干濕球溫度，分別取烏魯木齊市、西安市、南京市對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中心區(qū)域劃分中的3 種典型工況，試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境工況見(jiàn)表2，焓差試驗(yàn)室內(nèi)模擬工況誤差為±0.5 ℃。室外空氣干球溫度低于16 ℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行干模式，大于16 ℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行濕模式。

表2 焓差試驗(yàn)室內(nèi)的模擬工況Tab.2 Simulation conditions of enthalpy difference laboratory

2.3 試驗(yàn)臺(tái)

數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻試驗(yàn)臺(tái)如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心用板翅式間接蒸發(fā)冷卻試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Plate-fin indirect evaporative cooling test bed for data center

機(jī)組主要包括送風(fēng)段、板翅式間接蒸發(fā)冷卻段、排風(fēng)段。一次空氣模擬數(shù)據(jù)中心回風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，二次空氣模擬室外新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)。

該試驗(yàn)的一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為5 000 m3/h，風(fēng)機(jī)配有變頻器，設(shè)置有10 個(gè)檔位，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)量的大小，進(jìn)風(fēng)口有效截面積為0.24 m2，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)變頻器各檔位風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量計(jì)算其對(duì)應(yīng)風(fēng)量，一次風(fēng)機(jī)各檔位與風(fēng)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。噴淋裝置采用上部移動(dòng)式間歇性布水和下部間歇性/連續(xù)性噴淋布水。

表3 一、二次風(fēng)機(jī)風(fēng)量與變頻器檔位對(duì)應(yīng)Tab.3 The corresponding table of the air volume of primary and secondary fans and the tap position of frequency converter

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 干模式效率

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)首先關(guān)閉布水裝置，控制進(jìn)口平均干球溫度35.48 ℃的一次空氣風(fēng)量保持在1 500 m3/h，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)改變二次風(fēng)量，使二次風(fēng)量從1 200 m3/h 遞增至2 700 m3/h，每次遞增值為150 m3/h，完成對(duì)二/一次風(fēng)量比0.8～1.8 范圍內(nèi)的試驗(yàn)測(cè)試。

圖6 示出在3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器干模式運(yùn)行時(shí)，其換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。

圖6 干模式換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.6 Variation of dry mode heat transfer efficiency with secondary/primary air volume ratio

由圖6 可知，機(jī)組風(fēng)量比從0.8 逐漸增至1.8的過(guò)程中，冷卻器換熱效率提升明顯，3 種工況的的最佳換熱效率為59.6%，55.4%，54.2%。風(fēng)量比在1.5 之后熱交換效率基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明冷卻器的二/一次風(fēng)量比并不是越大越好，而最佳風(fēng)量比的確定也不一定是設(shè)備熱交換效率最高的狀態(tài)點(diǎn)，要綜合考慮由于二次空氣流量增大引起的風(fēng)機(jī)能耗問(wèn)題。

3.2 干模式進(jìn)出風(fēng)溫降

圖7 示出在3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器干模式運(yùn)行時(shí)，其一次空氣進(jìn)出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。由圖7 可知，隨著二次風(fēng)的比值增大，機(jī)組溫降增大，風(fēng)量比增至1.5 之后趨于穩(wěn)定。機(jī)組的溫降隨二次空氣進(jìn)口干球溫度的降低而降低，在進(jìn)風(fēng)口溫度9.3 ℃時(shí)，機(jī)組溫降最大可達(dá)15.67 ℃。

圖7 干模式一次空氣進(jìn)出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.7 Variation of primary air inlet and outlet temperature drop with secondary/primary air volume ratio in dry mode

由圖6，7 可知，3 種工況下機(jī)組在風(fēng)量比為1.5 時(shí)換熱效率已基本達(dá)到峰值，繼續(xù)增加風(fēng)量比不但不會(huì)提高熱交換效率，反而由于二次風(fēng)量的增大，增加二次風(fēng)機(jī)的能耗。因此該換熱器干模式下最佳二/一次風(fēng)量比為1.5。

3.3 濕模式下最佳淋水工況

在進(jìn)行濕工況下風(fēng)量比的試驗(yàn)測(cè)試之前，對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)的最佳淋水工況進(jìn)行確定。噴淋裝置采用上部移動(dòng)式間歇性布水和下部連續(xù)性噴淋布水，間歇性淋水的間隔時(shí)間通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕控制，各檔位下噴淋6 s 后對(duì)應(yīng)的淋水間隔時(shí)間見(jiàn)表4。

表4 各檔位對(duì)應(yīng)淋水間隔時(shí)間Tab.4 The corresponding gear to water spray time interval

在西安工況下，保持二/一次風(fēng)量比為1.2，調(diào)節(jié)旋鈕使間接蒸發(fā)冷卻芯體分別在不同淋水間隔時(shí)間下運(yùn)行，同時(shí)設(shè)置下部連續(xù)性布水進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，通過(guò)對(duì)芯體熱交換效率的比對(duì)，確定最佳的淋水間隔時(shí)間。圖8 示出不同淋水間隔下板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的性能參數(shù)，2 種方式耗水量的對(duì)比見(jiàn)表5。

圖8 不同淋水間隔下間接蒸發(fā)冷卻器的性能曲線Fig.8 The performance curve of the indirect evaporative cooler under different water spray interval

由圖8 可知，上部移動(dòng)式布水器在間隔時(shí)間為175 s 時(shí)效率最低（48.45%），3 s 時(shí)效率最高（62.36%），當(dāng)淋水間隔時(shí)間逐漸縮短時(shí)，芯體的熱交換效率明顯提高，淋水間隔時(shí)間為10 s 時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻換熱效率可達(dá)61.48%，略低于對(duì)比試驗(yàn)中下部連續(xù)性布水的換熱效率66.32%，但通過(guò)表5 可以發(fā)現(xiàn)，上部移動(dòng)式布水方式，大大縮減了噴嘴的數(shù)量，相較于下部連續(xù)性布水方式每小時(shí)可以節(jié)約70 L 的淋水量，既不會(huì)大幅降低設(shè)備的換熱效率，又能節(jié)約水量，因此本次試驗(yàn)中采用淋水間隔時(shí)間10 s 為經(jīng)濟(jì)淋水工況。

表5 2 種布水方式耗水量對(duì)比Tab.5 Comparison of water consumption of two water distribution ways

3.4 濕模式效率

在相同試驗(yàn)工況下開(kāi)啟噴淋裝置，對(duì)機(jī)組濕模式運(yùn)行條件下的最佳二/一次風(fēng)量比進(jìn)行測(cè)定。保持一次風(fēng)量為1 500 m3/h，以每次150 m3/h 的調(diào)節(jié)布長(zhǎng)增加二次風(fēng)量，使二次風(fēng)量從1 050 m3/h遞增至2 400 m3/h，完成對(duì)二/一次風(fēng)量比在0.7～1.6 范圍內(nèi)的試驗(yàn)測(cè)試。

圖9 示出3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式運(yùn)行時(shí)，其換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。

圖9 濕模式換熱效率隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.9 Variation of wet mode heat transfer efficiency with secondary/primary air volume ratio

隨著二/一次風(fēng)量比的逐漸增大，3 種工況下，一次空氣的出風(fēng)的溫度逐漸降低，濕模式下?lián)Q熱效率顯著提高。烏魯木齊工況下，風(fēng)量比為1.4 時(shí)，冷卻效率趨于穩(wěn)定可達(dá)68.42%，一次空氣出口溫度為23.61 ℃。西安工況下，風(fēng)量比為1.4時(shí)，冷卻效率達(dá)到66.35%，一次空氣出口溫度為28.95 ℃。南京工況下，風(fēng)量比為1.5 時(shí)，冷卻效率穩(wěn)定在65.28%，一次空氣出口溫度為30.51 ℃。

從圖7 和9 可以看出，濕模式下間接蒸發(fā)冷卻器的最佳風(fēng)量比小于干模式，主要由于干模式下?lián)Q熱的驅(qū)動(dòng)勢(shì)為一、二次空氣的干球溫差，而濕模式下的驅(qū)動(dòng)勢(shì)為一次空氣干球溫度與二次空氣的濕球溫度之差，相比于干模式更具制冷潛力。故相同的二次空氣流量下，濕模式下能將一次空氣處理到更低的溫度，因此將一次空氣處理到相同溫度點(diǎn)時(shí)，濕模式下所需要的二次風(fēng)量就越小。此外在濕模式下隨著其溫降驅(qū)動(dòng)勢(shì)的減小，最佳二/一次風(fēng)量比有所增大。

3.5 濕模式進(jìn)出風(fēng)溫降

圖10 示出在3 種工況條件下，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式運(yùn)行時(shí)，其一次空氣進(jìn)出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化。由圖10 可知，隨著二/一次風(fēng)量比的增大，機(jī)組溫降增大。二次空氣進(jìn)口濕球溫度的越低，其降溫幅度越明顯。在烏魯木齊工況下，冷卻器的溫降均保持較高的水平，最佳工況下溫降可達(dá)11.94 ℃。南京工況下，溫降僅為5.04 ℃。

圖10 濕模式一次空氣進(jìn)出口溫降隨二/一次空氣風(fēng)量比的變化Fig.10 Variation of primary air inlet and outlet temperature drop with secondary/primary air volume ratio in wet mode

4 結(jié)論

（1）在3 種不同工況下運(yùn)行板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的干模式，機(jī)組風(fēng)量比從0.8 逐漸增至1.8的過(guò)程中，冷卻器換熱效率提升明顯，3 種不同進(jìn)口干球溫度下的最佳換熱效率分別為59.6%，55.4%，54.2%，干模式下該板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的最佳二/一次風(fēng)量比為1.5。

（2）板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式運(yùn)行時(shí)，隨著二/一次風(fēng)量比的逐漸增大，一次空氣的出風(fēng)的溫度逐漸降低，換熱效率顯著提高。在烏魯木齊、西安、南京工況下的最佳二/一次風(fēng)量比分別為1.4，1.4，1.5，換熱效率可達(dá)68.42%，66.35%，65.28%。

（3）由于干濕模式下?lián)Q熱驅(qū)動(dòng)勢(shì)的差異，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器濕模式下的最佳風(fēng)量比小于干模式，且隨著濕模式下二次空氣進(jìn)口濕球溫度的提升，其最佳二/一次風(fēng)量比有所增大。

（4）板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的二/一次風(fēng)量比并不是越大越好，最佳風(fēng)量比的確定也不一定是設(shè)備熱交換效率最高的狀態(tài)點(diǎn)，要綜合考慮由于二次空氣流量增大引起的風(fēng)機(jī)能耗問(wèn)題。