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)濟性差,，存在過度冷卻等問題,，不能滿足當前機房的能耗要求。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,、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,，達到節(jié)能減排的目的,。

根據(jù)建筑的負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)冷卻器對空氣進行處理已經(jīng)達不到送風要求,，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)水泵和二次風機，直接蒸發(fā)冷卻段的循環(huán)水泵和機組送風機,，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)器對其進行減濕冷卻降溫后,，即可達到送風要求。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)濟器，預(yù)冷了一次空氣,，承擔了一部分制冷量,，所以機械制冷不需要滿負荷運轉(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為新回風混合狀態(tài)點,；Ｏ為送風狀態(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嚴重,，所以,，現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心都盡量避免新風直接通入機房內(nèi)，而是采用純回風的方式,，通過對回風進行處理,，達到送風要求后，對室內(nèi)環(huán)境或機柜進行降溫,。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,，此時機組進風為機房回風,。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口進入,，冷卻管內(nèi)的回風,，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降溫,，則開啟間接蒸發(fā)冷卻段,，機房回風通過間接蒸發(fā)冷卻段等濕降溫后，達到送風要求送入室內(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)冷卻對回風進行預(yù)冷,，承擔部分冷量,，剩余冷量由機械制冷部分承擔，對回風進行處理,，達到送風要求后送入機房內(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,，對機房回風進行處理,，達到送風要求后送入機房內(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℃。送風參數(shù)按常規(guī)機械制冷送風狀態(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)計風量為20000m³/h,，在干燥地區(qū),，間接蒸發(fā)冷卻效率按65%進行計算[4]。則根據(jù)公式（1）：

tg2=tg1-（tg1-ts1）*η

式中,，tg1—一次氣流進風空氣干球溫度,，℃；

tg2—一次氣流出風空氣干球溫度,，℃,；

ts1—二次氣流進風空氣濕球溫度，℃,；

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)濟性及其他因素,，對間接蒸發(fā)冷卻器不再進行單獨的開發(fā)設(shè)計。因機組設(shè)計風量為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)冷卻器選擇風量為5000m³/h的模塊化間接蒸發(fā)冷卻器4個。對其風機,、水泵進行選型,，風機選為風量12000m³/h，功率2.5kW的軸流風機,，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)冷卻段的風量等于機組送風量20000m³/h，在設(shè)計時需要滿足一下幾個條件：

1,、填料迎面風速應(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重要的,。為了探究該試驗樣機的最佳運行工況，對樣機進行系統(tǒng)的測試,。分別將溫濕度自記儀放置在進風口,、間接蒸發(fā)冷卻段后、直膨段后,、直接段后,、及機組出風口處進行測試。并且機組送風機采用變頻器控制,；采用超聲波流量計進行流量的測試,。

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,，機組最低出風溫度可達19.8℃，溫降達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,，機組最低出風溫度可達17.8℃，溫降達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,，對機組進行了測試,。在單開直膨段段的時候，機組出風溫度可達20℃,，平均整體溫降為8.2℃,；開啟管式間接+直膨段時，機組出風溫度可達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,，對機組整體進行運行情況進行分析,，并得出表1。單開啟直接蒸發(fā)冷卻段,，機組整體溫降可達9.7℃,；開啟間接+直接段，機組整機溫降可達10.7℃,；開啟間接+直膨段,，機組整機溫降可達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,，分別進行全年運行小時數(shù)的統(tǒng)計分析，機組出風參數(shù)按照GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》,，其中冷通道進風溫度為18℃~27℃,，楊彥霞等人認為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的進風溫度設(shè)定在23℃～25℃為宜[6]，本文取24℃,。機組進風參數(shù)同樣根據(jù)上述標準,，取送回風溫差為12℃，即機組進風溫度為36℃進行分析,。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,、機房空間上回風形式,。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?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),，年耗電量按滿負荷運行為885000kW/h,，但實際情況下，設(shè)備不可能滿負荷運轉(zhuǎn),，一般來說,，滿負荷運行比實際運行能耗可能高出20%～50%,，這里取40%進行計算，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)要求的送風溫度。筆者詳細介紹了機組的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85%,，中、高濕度地區(qū)自然冷源利用時間可達75%,。

4,、筆者針對新疆某數(shù)據(jù)中心進行能耗分析及對比，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%,。