引言

我國數(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環(huán)節(jié) 。傳統(tǒng)空調(diào)能耗大、經(jīng)濟(jì)性差，存在過度冷卻等問題，不能滿足當(dāng)前機房的能耗要求。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，機組制冷性能受限，將其與傳統(tǒng)機械制冷技術(shù)結(jié)合，可獲得較好的性能[3]。

試驗樣機的工作原理

本機組將蒸發(fā)冷卻技術(shù)、蒸發(fā)冷凝技術(shù)和機械制冷技術(shù)有機結(jié)合。機組整體由集裝箱式外殼包裹；且采用模塊化設(shè)計，機組從左到右主要由機械制冷段、新（回）風(fēng)段、過濾段、管式間接蒸發(fā)冷卻段、直膨段、直接蒸發(fā)冷卻段、風(fēng)機段等組成。對于不同的室外氣象條件，選擇性的開啟不同功能段和風(fēng)機，以最節(jié)能的運行方式來適應(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在板管表面，且無干點，不易結(jié)水垢。本機組采用蒸發(fā)冷卻與機械制冷相結(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，同時輔助以傳統(tǒng)機械制冷，增加機組運行穩(wěn)定性。對于數(shù)據(jù)中心來說，則可以盡可能多的延長使用自然冷源的時間，減少機械制冷的開啟時間，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)，機組可以選擇性的開啟各功能段，在相應(yīng)的模式下運行，在滿足室內(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。本試驗樣機可實現(xiàn)的主要工作模式有：

試驗樣機基本運行模式

1、直接蒸發(fā)冷卻（DEC）運行模式：在干燥地區(qū)，室外空氣干濕球溫差很大，此時開啟直接蒸發(fā)冷卻器。一次空氣經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器等焓加濕處理后即可滿足送風(fēng)需求。此時整個機組只開啟直接蒸發(fā)冷卻段的循環(huán)水泵和機組送風(fēng)機，功耗很低。

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

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

4、機械制冷（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，則完全以機械制冷模式運行，此時只開啟機械制冷循環(huán)部件和機組風(fēng)機，能耗較高。但是這種模式的運行時間僅僅只占據(jù)全年運行時間的很小一部分，所以該機組從全年運行的角度看，節(jié)約了極大的能耗。

上述4種運行模式對應(yīng)的一次空氣處理過程焓濕圖、機組結(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；W1為一次空氣預(yù)冷后狀態(tài)點；N為室內(nèi)狀態(tài)點；C為新回風(fēng)混合狀態(tài)點；Ｏ為送風(fēng)狀態(tài)點；ε為熱濕比線。

圖1 四種工作模式下一次空氣處理過程焓濕圖

圖2 蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機組試驗樣機結(jié)構(gòu)原理圖

應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的運行模式

數(shù)據(jù)中心是一個高顯熱且需全年制冷的建筑。同時，新風(fēng)對數(shù)據(jù)中心的影響不僅僅存在于空氣中的揚塵污染，更多的是空氣中含有的硫化物污染物對數(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)直接通入機房內(nèi)，而是采用純回風(fēng)的方式，通過對回風(fēng)進(jìn)行處理，達(dá)到送風(fēng)要求后，對室內(nèi)環(huán)境或機柜進(jìn)行降溫。針對這一現(xiàn)狀，本機組可以開啟不同功能段，來適應(yīng)數(shù)據(jù)中心特有的空氣處理模式，此時機組進(jìn)風(fēng)為機房回風(fēng)。主要有以下幾個運行模式：

1、自然冷卻運行模式：在冬季或春秋季較寒冷的時期，此時室外溫度較低，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房供冷。

2、間接蒸發(fā)冷卻（IEC）運行模式：在過度季節(jié)，此時室外溫度較高，不能直接作為冷源給機房回風(fēng)降溫，則開啟間接蒸發(fā)冷卻段，機房回風(fēng)通過間接蒸發(fā)冷卻段等濕降溫后，達(dá)到送風(fēng)要求送入室內(nèi)，這種運行模式，既能滿足降溫要求，也無濕度變化，非常適合對回風(fēng)的處理。

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

4、機械制冷（DX）運行模式：對于極端炎熱且干濕球溫差過小的季節(jié)，間接蒸發(fā)冷卻的降溫效果不佳時，只開啟機械制冷運行模式，對機房回風(fēng)進(jìn)行處理，達(dá)到送風(fēng)要求后送入機房內(nèi)。

試驗樣機的設(shè)計

室外氣象參數(shù)的確定

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

間接蒸發(fā)冷卻段設(shè)計

機組設(shè)計風(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。

本實驗樣機考慮到經(jīng)濟(jì)性及其他因素，對間接蒸發(fā)冷卻器不再進(jìn)行單獨的開發(fā)設(shè)計。因機組設(shè)計風(fēng)量為20000m³/h，故使用目前市場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。對其風(fēng)機、水泵進(jìn)行選型，風(fēng)機選為風(fēng)量12000m³/h，功率2.5kW的軸流風(fēng)機，水泵選用流量為6m³/h，揚程為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

在機組運行時，直接蒸發(fā)冷卻段的風(fēng)量等于機組送風(fēng)量20000m³/h，在設(shè)計時需要滿足一下幾個條件：

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。選取揚程為15m，流量為6m³/h，功率0.37kW的輕型臥式多級離心泵。

機械制冷段設(shè)計

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，并匹配相應(yīng)的板管蒸發(fā)式冷凝器。

最終確定機組整機尺寸為：6900mm×2000mm×2000mm，機組實物圖如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)機組試驗樣機實物圖

樣機試驗分析

對于蒸發(fā)冷卻設(shè)備來說，空氣流量和噴淋水流量的匹配是相當(dāng)重要的。為了探究該試驗樣機的最佳運行工況，對樣機進(jìn)行系統(tǒng)的測試。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、及機組出風(fēng)口處進(jìn)行測試。并且機組送風(fēng)機采用變頻器控制；采用超聲波流量計進(jìn)行流量的測試。

直接蒸發(fā)冷卻段最佳水氣比測定

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，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。由此得出，直接蒸發(fā)冷卻運行模式下，直接段效率最高的淋水量為5.5m³/h，即水氣比為0.37。此時，機組最低出風(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定統(tǒng)計表

間接蒸發(fā)冷卻段最佳水氣比測定

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，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。由此得出，間接蒸發(fā)冷卻運行模式下，間接段效率最高的淋水量為3.45m/h，即水氣比為0.28。此時，機組最低出風(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定統(tǒng)計表

直膨段溫降測試分析

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

圖6 單開直膨段與開啟管式間接段+直膨段時機組出風(fēng)溫度比較

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

表1 試驗樣機機組整機測試記錄表

試驗樣機應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能性分析

試驗樣機應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心全年運行小時數(shù)

根據(jù)蒸發(fā)冷卻設(shè)計分區(qū)[5]，取樣本城市烏魯木齊、蘭州、西安、上海4個城市，根據(jù)前文提到的試驗樣機應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的4種運行模式，分別進(jìn)行全年運行小時數(shù)的統(tǒng)計分析，機組出風(fēng)參數(shù)按照GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(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)機組運行小時數(shù)

由表2可以得出，該機組應(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%的時間不使用機械制冷；在西安、上海這樣中、高濕度地區(qū)，全年近70%時間不使用機械制冷，極大的降低了能耗，可以有效的降低數(shù)據(jù)中心PUE。

機組應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心節(jié)能性分析

新疆中國移動通信某交換機房，該機房面積為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臺機房專用空調(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)、機房空間上回風(fēng)形式。機房室內(nèi)溫度基本維持在26℃±2℃，相對濕度為50%±5%，符合設(shè)計要求。已知當(dāng)?shù)叵募究照{(diào)室外計算干/濕球溫度為32.90℃/21.30℃，干濕球溫差為11.60℃。采用機房原空調(diào)系統(tǒng)，年耗電量按滿負(fù)荷運行為885000kW/h，但實際情況下，設(shè)備不可能滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，一般來說，滿負(fù)荷運行比實際運行能耗可能高出20%～50%，這里取40%進(jìn)行計算，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)機組，對其耗電量進(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%。電費按0.8元/度計算，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)機組，該機組將蒸發(fā)冷卻技術(shù)、蒸發(fā)冷凝技術(shù)、機械制冷技術(shù)相結(jié)合，可極大的減少機械制冷開啟時間，與水冷機組相比，沒有冷卻塔，且機組采用集裝箱設(shè)計，安裝方便。

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

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

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