引言

我國(guó)數(shù)據(jù)中心技術(shù)節(jié)能潛力的分析結(jié)果表明空調(diào)系統(tǒng)仍是數(shù)據(jù)中心提高能源效率的重點(diǎn)環(huán)節(jié) 。傳統(tǒng)空調(diào)能耗大、經(jīng)濟(jì)性差，存在過(guò)度冷卻等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足當(dāng)前機(jī)房的能耗要求。蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)以水作為冷卻介質(zhì)，通過(guò)水分蒸發(fā)帶走汽化潛熱，空氣和水直接或間接接觸，制取清潔的冷風(fēng)或者高溫冷水，節(jié)能減碳[2]。目前，該技術(shù)已在我國(guó)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，然而，受室外氣象條件的影響，機(jī)組制冷性能受限，將其與傳統(tǒng)機(jī)械制冷技術(shù)結(jié)合，可獲得較好的性能[3]。

試驗(yàn)樣機(jī)的工作原理

本機(jī)組將蒸發(fā)冷卻技術(shù)、蒸發(fā)冷凝技術(shù)和機(jī)械制冷技術(shù)有機(jī)結(jié)合。機(jī)組整體由集裝箱式外殼包裹；且采用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)組從左到右主要由機(jī)械制冷段、新（回）風(fēng)段、過(guò)濾段、管式間接蒸發(fā)冷卻段、直膨段、直接蒸發(fā)冷卻段、風(fēng)機(jī)段等組成。對(duì)于不同的室外氣象條件，選擇性的開(kāi)啟不同功能段和風(fēng)機(jī)，以最節(jié)能的運(yùn)行方式來(lái)適應(yīng)各種室外氣候條件，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的溫濕度。

機(jī)械制冷段中冷凝器采用的是板管型蒸發(fā)式冷凝器，該冷凝器的換熱管采用板管型，可以有效的使水膜均勻流動(dòng)在板管表面，且無(wú)干點(diǎn)，不易結(jié)水垢。本機(jī)組采用蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的形式，既能充分發(fā)揮蒸發(fā)冷卻低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、健康的特點(diǎn)，同時(shí)輔助以傳統(tǒng)機(jī)械制冷，增加機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，則可以盡可能多的延長(zhǎng)使用自然冷源的時(shí)間，減少機(jī)械制冷的開(kāi)啟時(shí)間，可以有效的節(jié)約能耗，降低PUE，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

根據(jù)建筑的負(fù)荷特性以及室外氣象參數(shù)的狀態(tài)，機(jī)組可以選擇性的開(kāi)啟各功能段，在相應(yīng)的模式下運(yùn)行，在滿(mǎn)足室內(nèi)負(fù)荷需求的前提下，最大限度的采用自然冷源降溫，節(jié)省能耗。本試驗(yàn)樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)的主要工作模式有：

試驗(yàn)樣機(jī)基本運(yùn)行模式

1、直接蒸發(fā)冷卻（DEC）運(yùn)行模式：在干燥地區(qū)，室外空氣干濕球溫差很大，此時(shí)開(kāi)啟直接蒸發(fā)冷卻器。一次空氣經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻器等焓加濕處理后即可滿(mǎn)足送風(fēng)需求。此時(shí)整個(gè)機(jī)組只開(kāi)啟直接蒸發(fā)冷卻段的循環(huán)水泵和機(jī)組送風(fēng)機(jī)，功耗很低。

2、間接+直接蒸發(fā)冷卻（IDEC）運(yùn)行模式：在中等濕度地區(qū)，室外空氣干濕球溫差較大，單開(kāi)啟直接蒸發(fā)冷卻器對(duì)空氣進(jìn)行處理已經(jīng)達(dá)不到送風(fēng)要求，此時(shí)需要再開(kāi)啟管式間接蒸發(fā)冷卻器。一次空氣先經(jīng)過(guò)管式間接蒸發(fā)冷卻段等濕冷卻后，濕球溫度被降低，再經(jīng)過(guò)直接蒸發(fā)冷卻器等焓加濕處理后，即可滿(mǎn)足送風(fēng)需求。此時(shí)整個(gè)機(jī)組只開(kāi)啟管式間接蒸發(fā)冷卻器的循環(huán)水泵和二次風(fēng)機(jī)，直接蒸發(fā)冷卻段的循環(huán)水泵和機(jī)組送風(fēng)機(jī)，功耗較低。

3、間接蒸發(fā)冷卻+機(jī)械制冷（IEC+DX）運(yùn)行模式：在高濕度地區(qū)，室外空氣干濕球溫差較小，此時(shí)間接+直接蒸發(fā)冷卻運(yùn)行模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足送風(fēng)需求，則關(guān)閉直接蒸發(fā)冷卻段，開(kāi)啟機(jī)械制冷段。一次空氣先經(jīng)過(guò)管式間接蒸發(fā)冷卻器等濕降溫后，在通過(guò)機(jī)械制冷直膨段蒸發(fā)器對(duì)其進(jìn)行減濕冷卻降溫后，即可達(dá)到送風(fēng)要求。此時(shí)除了直接蒸發(fā)冷卻循環(huán)水泵不開(kāi)之外，其他設(shè)備都在運(yùn)轉(zhuǎn)，能耗較高。但要說(shuō)明的是，在該運(yùn)行工況下，管式間接蒸發(fā)冷卻器作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)器，預(yù)冷了一次空氣，承擔(dān)了一部分制冷量，所以機(jī)械制冷不需要滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，只需處理余下的冷量即可，所以相對(duì)于完全使用機(jī)械制冷來(lái)說(shuō)，也有著一定的節(jié)能意義。

4、機(jī)械制冷（DX）模式：在高濕或中濕部分極端炎熱地區(qū)，管式間接蒸發(fā)冷卻段所能提供的冷量有限，COP較高時(shí)，則完全以機(jī)械制冷模式運(yùn)行，此時(shí)只開(kāi)啟機(jī)械制冷循環(huán)部件和機(jī)組風(fēng)機(jī)，能耗較高。但是這種模式的運(yùn)行時(shí)間僅僅只占據(jù)全年運(yùn)行時(shí)間的很小一部分，所以該機(jī)組從全年運(yùn)行的角度看，節(jié)約了極大的能耗。

上述4種運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的一次空氣處理過(guò)程焓濕圖、機(jī)組結(jié)構(gòu)原理圖依次如圖1～圖2所示。

（a）DEC模式

（b）IDEC模式

（c）IEC+DX模式

（d）DX模式

W為室外狀態(tài)點(diǎn)；W1為一次空氣預(yù)冷后狀態(tài)點(diǎn)；N為室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)；C為新回風(fēng)混合狀態(tài)點(diǎn)；Ｏ為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；ε為熱濕比線。

圖1 四種工作模式下一次空氣處理過(guò)程焓濕圖

圖2 蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行模式

數(shù)據(jù)中心是一個(gè)高顯熱且需全年制冷的建筑。同時(shí)，新風(fēng)對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響不僅僅存在于空氣中的揚(yáng)塵污染，更多的是空氣中含有的硫化物污染物對(duì)數(shù)據(jù)中心芯片的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，所以，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心都盡量避免新風(fēng)直接通入機(jī)房?jī)?nèi)，而是采用純回風(fēng)的方式，通過(guò)對(duì)回風(fēng)進(jìn)行處理，達(dá)到送風(fēng)要求后，對(duì)室內(nèi)環(huán)境或機(jī)柜進(jìn)行降溫。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本機(jī)組可以開(kāi)啟不同功能段，來(lái)適應(yīng)數(shù)據(jù)中心特有的空氣處理模式，此時(shí)機(jī)組進(jìn)風(fēng)為機(jī)房回風(fēng)。主要有以下幾個(gè)運(yùn)行模式：

1、自然冷卻運(yùn)行模式：在冬季或春秋季較寒冷的時(shí)期，此時(shí)室外溫度較低，在管式間接蒸發(fā)冷卻段中，較低的室外空氣從二次風(fēng)口進(jìn)入，冷卻管內(nèi)的回風(fēng)，盡可能的應(yīng)用室外自然冷源為機(jī)房供冷。

2、間接蒸發(fā)冷卻（IEC）運(yùn)行模式：在過(guò)度季節(jié)，此時(shí)室外溫度較高，不能直接作為冷源給機(jī)房回風(fēng)降溫，則開(kāi)啟間接蒸發(fā)冷卻段，機(jī)房回風(fēng)通過(guò)間接蒸發(fā)冷卻段等濕降溫后，達(dá)到送風(fēng)要求送入室內(nèi)，這種運(yùn)行模式，既能滿(mǎn)足降溫要求，也無(wú)濕度變化，非常適合對(duì)回風(fēng)的處理。

3、間接蒸發(fā)冷卻+機(jī)械制冷（IEC+DX）運(yùn)行模式：在夏季炎熱季節(jié)，利用間接蒸發(fā)冷卻對(duì)回風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷，承擔(dān)部分冷量，剩余冷量由機(jī)械制冷部分承擔(dān)，對(duì)回風(fēng)進(jìn)行處理，達(dá)到送風(fēng)要求后送入機(jī)房?jī)?nèi)。

4、機(jī)械制冷（DX）運(yùn)行模式：對(duì)于極端炎熱且干濕球溫差過(guò)小的季節(jié)，間接蒸發(fā)冷卻的降溫效果不佳時(shí)，只開(kāi)啟機(jī)械制冷運(yùn)行模式，對(duì)機(jī)房回風(fēng)進(jìn)行處理，達(dá)到送風(fēng)要求后送入機(jī)房?jī)?nèi)。

試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)

室外氣象參數(shù)的確定

機(jī)組以新疆烏魯木齊這樣的干燥地區(qū)作為設(shè)計(jì)地區(qū)，其夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為：33.5℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度濕球溫度為：18.2℃。送風(fēng)參數(shù)按常規(guī)機(jī)械制冷送風(fēng)狀態(tài)的上限，干球溫度為：18℃，相對(duì)濕度為：95%。

間接蒸發(fā)冷卻段設(shè)計(jì)

機(jī)組設(shè)計(jì)風(fēng)量為20000m³/h，在干燥地區(qū)，間接蒸發(fā)冷卻效率按65%進(jìn)行計(jì)算[4]。則根據(jù)公式（1）：

tg2=tg1-（tg1-ts1）*η

式中，tg1—一次氣流進(jìn)風(fēng)空氣干球溫度，℃；

tg2—一次氣流出風(fēng)空氣干球溫度，℃；

ts1—二次氣流進(jìn)風(fēng)空氣濕球溫度，℃；

η—間接蒸發(fā)冷卻器效率。

得出經(jīng)過(guò)間接蒸發(fā)冷卻器處理的空氣干球溫度為：23.6℃。

根據(jù)公式（2）計(jì)算間接蒸發(fā)冷卻制冷量QIEC。

QIEC=L1*ρ*(hw-hw1)/3600

式中，L1—一次空氣風(fēng)量，m³/h；

ρ—空氣密度，1.2kg/m；

hw—一次空氣預(yù)冷前焓值，51.47kJ/kg；

hw1—一次空氣預(yù)冷后焓值，41.35kJ/kg；

得出間接蒸發(fā)冷卻制冷量QIEC=67.46kW。

本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)考慮到經(jīng)濟(jì)性及其他因素，對(duì)間接蒸發(fā)冷卻器不再進(jìn)行單獨(dú)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。因機(jī)組設(shè)計(jì)風(fēng)量為20000m³/h，故使用目前市場(chǎng)上較為成熟的模塊化間接蒸發(fā)冷卻器，則間接蒸發(fā)冷卻器選擇風(fēng)量為5000m³/h的模塊化間接蒸發(fā)冷卻器4個(gè)。對(duì)其風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行選型，風(fēng)機(jī)選為風(fēng)量12000m³/h，功率2.5kW的軸流風(fēng)機(jī)，水泵選用流量為6m³/h，揚(yáng)程為19.5m，功率為1.2kW的輕型臥式離心泵。

直接蒸發(fā)冷卻段設(shè)計(jì)

在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，直接蒸發(fā)冷卻段的風(fēng)量等于機(jī)組送風(fēng)量20000m³/h，在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿(mǎn)足一下幾個(gè)條件：

1、填料迎面風(fēng)速應(yīng)不低于2.7m/s，保證空氣和水充分發(fā)生熱質(zhì)交換。

2、考慮防火要求，應(yīng)使用阻燃性高的材料，采用金屬填料。

3、對(duì)于金屬填料，其淋水密度不應(yīng)低于5400kg/（m·h），以保證蒸發(fā)效率保持在95%以上。

最終選定直接蒸發(fā)冷卻金屬填料的尺寸為：2000mm×2000mm×300mm，比表面積為700m/m ，材質(zhì)為不銹鋼填料。

布水方式采用三維布水方式，在填料上部、側(cè)面分別設(shè)有噴排，這樣可以使填料布水更加均勻，熱濕交換更加充分。選取揚(yáng)程為15m，流量為6m³/h，功率0.37kW的輕型臥式多級(jí)離心泵。

機(jī)械制冷段設(shè)計(jì)

根據(jù)間接蒸發(fā)冷卻段制冷量，選取制冷量為60kW，制冷劑為R22的雙渦旋壓縮機(jī)，并匹配相應(yīng)的板管蒸發(fā)式冷凝器。

最終確定機(jī)組整機(jī)尺寸為：6900mm×2000mm×2000mm，機(jī)組實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

樣機(jī)試驗(yàn)分析

對(duì)于蒸發(fā)冷卻設(shè)備來(lái)說(shuō)，空氣流量和噴淋水流量的匹配是相當(dāng)重要的。為了探究該試驗(yàn)樣機(jī)的最佳運(yùn)行工況，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。分別將溫濕度自記儀放置在進(jìn)風(fēng)口、間接蒸發(fā)冷卻段后、直膨段后、直接段后、及機(jī)組出風(fēng)口處進(jìn)行測(cè)試。并且機(jī)組送風(fēng)機(jī)采用變頻器控制；采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量的測(cè)試。

直接蒸發(fā)冷卻段最佳水氣比測(cè)定

在入口干濕球溫差基本保持不變（tg=28.4℃，ts=17.9℃）的情況下，淋水量從4m³ /h以每組0.5m³/h為調(diào)整幅度增加至6m³/h，可以看出直接蒸發(fā)冷卻效率隨著淋水量的增加而增加，而在淋水量增加至5.5m³/h，也就是0.37水氣比時(shí)，直接蒸發(fā)冷卻效率達(dá)到最高97.22%。淋水量繼續(xù)增大后，其直接蒸發(fā)冷卻效率反而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。由此得出，直接蒸發(fā)冷卻運(yùn)行模式下，直接段效率最高的淋水量為5.5m³/h，即水氣比為0.37。此時(shí)，機(jī)組最低出風(fēng)溫度可達(dá)19.8℃，溫降達(dá)10.3℃。

圖4 直接蒸發(fā)冷卻段最佳水氣比測(cè)定統(tǒng)計(jì)表

間接蒸發(fā)冷卻段最佳水氣比測(cè)定

在入口干濕球溫差基本保持不變的情況下（tg=23.5℃，ts=16.93℃），淋水量從2m³/h以每組0.5m³/h為調(diào)整幅度增加至3.9m³/h，可以看出間接蒸發(fā)冷卻效率隨著淋水量的增加而增加，而在淋水量增加至3.45m³/h，也就是0.28水氣比時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻效率達(dá)到最高62.98%。淋水量繼續(xù)增大后，其間接蒸發(fā)冷卻效率反而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。由此得出，間接蒸發(fā)冷卻運(yùn)行模式下，間接段效率最高的淋水量為3.45m/h，即水氣比為0.28。此時(shí)，機(jī)組最低出風(fēng)溫度可達(dá)17.8℃，溫降達(dá)5.7℃。

圖5 間接蒸發(fā)冷卻段最佳水氣比測(cè)定統(tǒng)計(jì)表

直膨段溫降測(cè)試分析

在入口干濕球溫差基本保持不變的情況下（28.℃，49%），分別開(kāi)啟表冷段與管式間接段+表冷段，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試。在單開(kāi)直膨段段的時(shí)候，機(jī)組出風(fēng)溫度可達(dá)20℃，平均整體溫降為8.2℃；開(kāi)啟管式間接+直膨段時(shí)，機(jī)組出風(fēng)溫度可達(dá)18.5℃，平均整體溫降為9.5℃。

圖6 單開(kāi)直膨段與開(kāi)啟管式間接段+直膨段時(shí)機(jī)組出風(fēng)溫度比較

在入口參數(shù)為tg=29.1℃，ts=18.7℃的情況下，對(duì)機(jī)組整體進(jìn)行運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并得出表1。單開(kāi)啟直接蒸發(fā)冷卻段，機(jī)組整體溫降可達(dá)9.7℃；開(kāi)啟間接+直接段，機(jī)組整機(jī)溫降可達(dá)10.7℃；開(kāi)啟間接+直膨段，機(jī)組整機(jī)溫降可達(dá)11.7℃。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)機(jī)組整機(jī)測(cè)試記錄表

試驗(yàn)樣機(jī)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能性分析

試驗(yàn)樣機(jī)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)

根據(jù)蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)分區(qū)[5]，取樣本城市烏魯木齊、蘭州、西安、上海4個(gè)城市，根據(jù)前文提到的試驗(yàn)樣機(jī)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的4種運(yùn)行模式，分別進(jìn)行全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，機(jī)組出風(fēng)參數(shù)按照GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中冷通道進(jìn)風(fēng)溫度為18℃~27℃，楊彥霞等人認(rèn)為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)定在23℃～25℃為宜[6]，本文取24℃。機(jī)組進(jìn)風(fēng)參數(shù)同樣根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，取送回風(fēng)溫差為12℃，即機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度為36℃進(jìn)行分析。得出結(jié)果如下表所示：

表2 樣本城市蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)

由表2可以得出，該機(jī)組應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心，可以極大的應(yīng)用自然冷源進(jìn)行供冷。在新疆、蘭州等干燥地區(qū)，全年近85%的時(shí)間不使用機(jī)械制冷；在西安、上海這樣中、高濕度地區(qū)，全年近70%時(shí)間不使用機(jī)械制冷，極大的降低了能耗，可以有效的降低數(shù)據(jù)中心PUE。

機(jī)組應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心節(jié)能性分析

新疆中國(guó)移動(dòng)通信某交換機(jī)房，該機(jī)房面積為315㎡，總發(fā)熱量為160kW，發(fā)熱密度為508W/m。其空調(diào)系統(tǒng)采用了5臺(tái)機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)，均為直接膨脹式氟系統(tǒng)。氣流組織采用高架（防）靜電地板下送風(fēng)、機(jī)房空間上回風(fēng)形式。機(jī)房室內(nèi)溫度基本維持在26℃±2℃，相對(duì)濕度為50%±5%，符合設(shè)計(jì)要求。已知當(dāng)?shù)叵募究照{(diào)室外計(jì)算干/濕球溫度為32.90℃/21.30℃，干濕球溫差為11.60℃。采用機(jī)房原空調(diào)系統(tǒng)，年耗電量按滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行為885000kW/h，但實(shí)際情況下，設(shè)備不可能滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，一般來(lái)說(shuō)，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行比實(shí)際運(yùn)行能耗可能高出20%～50%，這里取40%進(jìn)行計(jì)算，則數(shù)據(jù)中心年耗電量修正為354000kW/h。

采用蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組，對(duì)其耗電量進(jìn)行分析。結(jié)果如下表所示：

表3 蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組應(yīng)用在該數(shù)據(jù)中心全年耗電量

采用蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組應(yīng)用在該數(shù)據(jù)中心里，一年耗電量為172051.4kW/h，相比原系統(tǒng)，節(jié)約用電量181948.6kW，節(jié)電率為51.4%。電費(fèi)按0.8元/度計(jì)算，一年可節(jié)約145559元。

結(jié)論

1、筆者介紹了一種用于數(shù)據(jù)中心的新型蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組，該機(jī)組將蒸發(fā)冷卻技術(shù)、蒸發(fā)冷凝技術(shù)、機(jī)械制冷技術(shù)相結(jié)合，可極大的減少機(jī)械制冷開(kāi)啟時(shí)間，與水冷機(jī)組相比，沒(méi)有冷卻塔，且機(jī)組采用集裝箱設(shè)計(jì)，安裝方便。

2、該機(jī)組可以根據(jù)不同的負(fù)荷需求、不同的室外氣象參數(shù)從而開(kāi)啟不同的機(jī)組功能段，來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的送風(fēng)溫度。筆者詳細(xì)介紹了機(jī)組的4中基本運(yùn)行模式，特別介紹了針對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的機(jī)組運(yùn)行模式。

3、筆者針對(duì)烏魯木齊、蘭州、西安、上海4個(gè)典型城市對(duì)該機(jī)組應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心作了全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)分析，得出在干燥地區(qū)自然冷源利用時(shí)間可達(dá)85%，中、高濕度地區(qū)自然冷源利用時(shí)間可達(dá)75%。

4、筆者針對(duì)新疆某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行能耗分析及對(duì)比，采用該蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機(jī)組應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心可節(jié)電51.4%。