沈天磊 黃 翔 武茁苗 史東旭 楊 柳 馬 鋼

（西安工程大學 西安 710048）

0 引言

隨著時代的高速發(fā)展，社會信息化進程不斷加快，我國的通訊系統(tǒng)正在呈現(xiàn)一股磅礴發(fā)展之勢。但是，伴隨著通訊網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，隨之而來的高能耗問題也日益凸顯，高能耗導致的高成本問題也不斷加重。近些年，國家雙碳目標的提出使得節(jié)能降碳成為國家發(fā)展的重中之重。這就導致通信機房領(lǐng)域不得不做出改變，運用節(jié)能環(huán)保的技術(shù)進行節(jié)能降碳。在整個通訊行業(yè)中，主要以電能消耗為主，占整體能耗的87%；在電能消耗中，又以通信設(shè)備和空調(diào)設(shè)備為主[1]。因此，降低空調(diào)能耗在通訊機房領(lǐng)域節(jié)能降碳中起到了至關(guān)重要的作用。

在制冷空調(diào)領(lǐng)域，蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一種利用干空氣能的綠色技術(shù)在節(jié)能減排方面發(fā)揮著重要的作用。蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要分為直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。相較而言，直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有成本低、安裝維護方便等優(yōu)點，被大量應(yīng)用于紡織廠、通訊機房以及軌道交通等領(lǐng)域。

直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一項日益成熟的技術(shù)已經(jīng)在通訊機房領(lǐng)域有了許多研究，其中周海東等結(jié)合工程設(shè)計實例，詳細探討了直接蒸發(fā)冷卻器應(yīng)用于通信機房（基站）的優(yōu)勢，表明在通信機房的節(jié)能改造過程中，采用直接蒸發(fā)冷卻器在通信機房進行降溫節(jié)能效果顯著且較為經(jīng)濟[2]。范坤等通過對西安某通信機房進行實測，分析研究了管式間接-直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機組在通信機房中的應(yīng)用情況，得出通過管式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)與直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)組合，在過渡季節(jié)可以起到良好的制冷節(jié)能效果[3]。黃翔等通過理論分析對機組進行優(yōu)化，得出直接蒸發(fā)冷卻在我國大部分地區(qū)的通信機房中都有很大的應(yīng)用潛力[4]。

本文通過對陜西渭南某通信機房采用蒸發(fā)式冷氣機運行期間的使用情況進行測試分析，探討直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在小型通信機房使用的可能性與節(jié)能性，并對類似通信機房的節(jié)能改造提供依據(jù)。

1 蒸發(fā)式冷氣機工作原理及特點

蒸發(fā)式冷氣機由填料、布水器、風機、水泵、輸水裝置、電控裝置等部件所組成，作為一種應(yīng)用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的空調(diào)設(shè)備，有著降溫效果好、安裝維護方便、占地面積小、運行費用低等特點[5]。在設(shè)備工作過程中，水通過布水器均勻的被噴淋在紙質(zhì)填料表面，在紙質(zhì)填料表面形成一層水膜。處于狀態(tài)點W 的外部空氣由機組四周的進風口進入機組，經(jīng)過粗效過濾后與紙質(zhì)填料表面的水膜進行熱濕交換，最后被等焓冷卻至接近室外空氣濕球溫度（狀態(tài)點O），再經(jīng)風機送入室內(nèi)，此時空氣處于狀態(tài)點N。該處理過程焓-濕圖如圖1所示[6]。該設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻空氣處理過程焓-濕圖Fig.1 Enthalpy and humidity diagram of direct evaporative cooling air treatment process

圖2 蒸發(fā)式冷氣機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of evaporative air conditioner

2 蒸發(fā)式冷氣機運行測試

2.1 工程概況

該通信機房位于陜西省渭南市高新區(qū)，整個機房層高為4m，機房占地面積30m2，為小型通信。整個機房共包含數(shù)據(jù)機柜17 個，呈3 列布置，機柜總功率19kW。通信機房平面布置圖如圖3所示。

圖3 通信機房平面布置圖Fig.3 Layout of the communications room

整個機房采用分散式空調(diào)系統(tǒng)形式，機房共設(shè)置兩種機型的空調(diào)設(shè)備，其中2 臺精密機房空調(diào)，1 臺蒸發(fā)式冷氣機。室內(nèi)精密空調(diào)與機柜垂直擺放。蒸發(fā)式冷氣機置于室外陽臺，機組采用四面進風，出風口連接鍍鋅風管，在2.5m-3m 高處，風管轉(zhuǎn)直角彎，成水平送風，沿機柜布置方向送風，風管共20m，空調(diào)送風方式采用頂部送風。蒸發(fā)式冷氣機相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 蒸發(fā)式冷氣機參數(shù)Table 1 Parameters of evaporative air conditioners

2.2 測試方法

本文將矩形風管按截面平均劃分成9 個等面積的小矩形，利用測試儀器，在各小矩形中心布置測點進行測量，最后取平均值作為測量結(jié)果。機組進出風截面測點布置圖如圖4（a）、（b）所示。

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

機組進風平均溫度與平均風速按公式（1）、（2）進行計算[9]：

式中：為機組平均進風溫度，℃；Ta1為第一個記錄機組溫度數(shù)據(jù)，℃；Tan為第n個記錄機組溫度數(shù)據(jù)，℃；n為記錄機組溫度數(shù)據(jù)的數(shù)量。

式中：為機組平均進風風速，m/s；v1、v2、v3為各個測點的風速，m/s；n為測點數(shù)。

在測量出風口平均溫度以及平均風速后，可根據(jù)公式（3）算出機組送風量qv：

式中：qv為機組風量，m3/h；為斷面平均風速，m/s；F為測定斷面面積，m2；

最后根據(jù)蒸發(fā)式冷氣機制冷量計算公式（4），可以計算出機組制冷量：

式中：QZ為蒸發(fā)式冷風機制冷量，kW；ρi為風口處空氣密度，kg/m3；t1、t2分別為機組進風干球溫度和出風干球溫度，℃。

2.3 評價指標

蒸發(fā)效率是評判機組冷卻性能的一個重要參數(shù)[7]。越為干燥炎熱的地區(qū)，空氣的干濕球溫度差越大，空氣中能容納水的能力就越強，其蒸發(fā)效率也就越強。蒸發(fā)效率定義為進出風干球溫度差與進風干濕球溫度差的比值。蒸發(fā)式冷氣機的蒸發(fā)效率可由公式（5）計算：

式中，η為蒸發(fā)效率，%。ts1為進風濕球溫度，℃。

2.4 誤差分析

本實驗利用K 型熱電偶、Testo405V1 熱敏式風速儀、Testo174H 溫濕度自記儀以及多路數(shù)據(jù)記錄儀進行空氣狀態(tài)參數(shù)的測量。由于測量會產(chǎn)生測量誤差，因此需要對實驗數(shù)據(jù)進行不確定度分析。根據(jù)測量得到的直接量可以通過公式（6）計算得到相應(yīng)的間接量的不確定度[8]。

公式中，直接測量值標準不確定度Δx分為兩類：

（1）多次連續(xù)測量所造成的不確定度，其計算公式如下：

（2）由于儀器給定誤差所產(chǎn)生的不確定度，其計算公式如下：

最后，實驗直接測量值標準不確定度Δx可由公式（9）計算：

通過進風口與出風口溫濕度等直接測量，可以求得蒸發(fā)效率的不確定度。以測量中某一點測量值為例，當t1=33℃，t2=25.9℃，ts1=23.8℃時，濕球效率的理論值為0.78，絕對不確定度為±0.001，相對不確定度為±0.15%。

3 結(jié)果分析

3.1 機組進/出風測試結(jié)果分析

機組進/出風空氣狀態(tài)測試結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，進風干球溫度隨時間的推移逐漸升高，由31℃升高至38℃。進風濕球溫度波動較平緩，保持在23℃-25℃之間。整體進風相對濕度較低，伴隨時間推移，進風相對濕度由51.7%降低至34%。進風干濕球溫差隨時間推移不斷增大，在18:00 時進風干濕球溫差最高可達13.5℃，此時利用蒸發(fā)式冷氣機處理空氣將冷卻的更加充分。

圖5 機組進/出風狀態(tài)測試結(jié)果Fig.5 Test results of unit inlet/outlet air conditions

機組出風干球溫度與機組進風干球溫度存在著相同趨勢的變化，機組進風干球溫度升高，其出風干球溫度也會隨之升高，兩者溫升程度存在差異。機組總體維持出風溫度在26.5℃左右，出風濕球溫度由開始的22.1℃增加至23.74℃再降低至23.52℃，機組出風相對濕度在77%左右進行波動。

3.2 機組蒸發(fā)效率及制冷量測試結(jié)果分析

機組蒸發(fā)效率及制冷量測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，在同一風速下，機組制冷量與蒸發(fā)效率均先增加后下降。隨著時間變化，機組制冷量由13.7kW 逐漸增加至25kW，隨后又緩慢降低至21.7kW，機組蒸發(fā)效率由72.5%增加至79%，隨后又降低至78%。

圖6 機組蒸發(fā)效率及制冷量測試結(jié)果Fig.6 test results of unit evaporation efficiency and cooling capacity

3.3 送風口到機柜相對濕度變化分析

按照《通信中心機房環(huán)境條件要求》[9]要求，A、B 類機房室內(nèi)相對濕度要求為30%-70%，C、D 類機房室內(nèi)相對濕度要求為20%-80%。因此本文實測了機房室內(nèi)12:00-19:00 的逐時相對濕度，如圖7所示。

圖7 機房室內(nèi)環(huán)境相對濕度Fig.7 Relative humidity of indoor environment in the equipment room

如圖7中所示，機房內(nèi)部環(huán)境相對濕度在42%左右不斷波動，滿足機房相對濕度要求。隨后沿蒸發(fā)式冷氣機出風口垂直向下，按0.5m 間隔分別取4 個測點，測量了出風口垂直距離上的空氣相對濕度分布情況。在同一風速下，檢測到離出風口垂直方向上相對濕度變化如圖8所示。

圖8 出風口垂直方向相對濕度分布Fig.8 Relative humidity distribution in vertical direction of air outlet

從圖中可以看出，隨著不斷遠離送風口，空氣相對濕度由77%逐步降低到40%，逐漸在40%左右波動。分析其原因可能是機房室內(nèi)整體空氣相對濕度較低，蒸發(fā)式冷氣機送入室內(nèi)的高相對濕度的空氣經(jīng)過與室內(nèi)空氣混合，整體相對濕度會迅速下降，最后處于機房要求的濕度范圍之內(nèi)。

3.4 節(jié)能性分析

為更直觀的研究蒸發(fā)式冷氣機的節(jié)能性，本文根據(jù)實際情況設(shè)定了兩種空調(diào)設(shè)置方案的對比研究。選取相鄰兩天，在相同負荷率條件下，分別針對（方案一）啟用2 臺機房精密機械空調(diào)+關(guān)閉蒸發(fā)式冷氣機和（方案二）啟用1 臺蒸發(fā)式冷氣機+關(guān)閉兩臺機房精密機械空調(diào)進行了逐時耗電量測試。同時運用Testo174H 溫濕度自記儀對機房內(nèi)部和外部環(huán)境溫濕度進行記錄。方案一實測數(shù)據(jù)如圖9所示，方案二實測數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 方案一實測數(shù)據(jù)Fig.9 Measured data of Scheme 1

圖10 方案二實測數(shù)據(jù)Fig.10 Measured data of Scheme 2

由圖9可以看出，在只開啟2 臺機房精密機械制冷空調(diào)，不開啟蒸發(fā)式冷氣機的情況下，機房精密機械空調(diào)的制冷量不足以滿足機房制冷需求。在測試時間內(nèi)，室外平均干球溫度為36.3℃，室內(nèi)環(huán)境平均干球溫度為26.3℃，機房總體耗電55kWh。

由圖10可以看出，在只開啟1 臺蒸發(fā)式冷氣機，不開啟機房精密機械空調(diào)的情況下，蒸發(fā)式冷氣機的制冷量可以滿足機房制冷需求。在測試時間內(nèi)，室外平均干球溫度為34.8℃，室內(nèi)環(huán)境平均干球溫度為33.7℃，機房總體耗電10kWh。

根據(jù)兩者對比可以看出，蒸發(fā)式冷氣機具有良好的節(jié)能性。在相同時間內(nèi)，同負荷率的條件下，蒸發(fā)式冷氣機在滿足室內(nèi)制冷需求的基礎(chǔ)上消耗電能更少。

4 存在問題及解決措施

（1）機組位于室外陽臺通過風管送風進入室內(nèi)，由于風管排布不太合理，存在2 個上翻彎頭導致整個送風過程局部阻力較大，造成出風口風速較低，達不到機組設(shè)計風量。所以，后期改造可將風管位置進行調(diào)整，減少彎頭的產(chǎn)生，保證風管內(nèi)氣流組織順暢，由此可以使得出風口能有更大的風速，提高機組的制冷能力。

（2）在實際測試中發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)式冷氣機淋水系統(tǒng)采用不間斷持續(xù)淋水方案，由此造成較大的能量損耗。后期可考慮采用相應(yīng)的間歇式淋水方案進行淋水，降低能量損耗，更加節(jié)能。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)過實測驗證，本文所測試的蒸發(fā)式冷氣機在室外平均干球溫度為34.9℃，室外平均濕球溫度為24℃的條件下可以將空氣冷卻至干球平均溫度26.4℃，濕球平均溫度23℃向室內(nèi)送風。機組進出風溫差為8.5℃，機組出風口處平均相對濕度為77%。

（2）機組蒸發(fā)效率以及制冷量均隨機組進出口空氣狀態(tài)變化而變化，通過實測研究發(fā)現(xiàn)該機組平均直接蒸發(fā)效率為77%，平均制冷量為20kW。機組最大直接蒸發(fā)效率可達79%，最大制冷量可達25kW，且直接蒸發(fā)效率最大點不一定對應(yīng)制冷量最大點。

（3）針對于小型通信機房，蒸發(fā)式冷風機具有良好的實用性與節(jié)能性。在老舊通信機房改造方面，可適當使用蒸發(fā)式冷氣機，以較低的成本實現(xiàn)老舊機房的節(jié)能改造。