傅耀瑋，黃 翔

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展及5G時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)入加速期，尤其是新基建政策推出以來，其增長速度呈指數(shù)級(jí)爆炸式增長。在數(shù)據(jù)中心的能耗分布中，制冷能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%[1]；而冷卻系統(tǒng)“能源浪費(fèi)”最多、“節(jié)能潛力”最大； 在“碳達(dá)峰”“碳中和”節(jié)能減排的雙碳目標(biāo)下，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗已刻不容緩，從數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心能耗是重中之重。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)以水為冷卻介質(zhì)，利用可再生能源“干空氣能”通過水分蒸發(fā)吸熱制冷，由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，具有健康、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)[2-4]。蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合空調(diào)機(jī)組是常見的蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用方式[5-7]，目前，蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心得到了應(yīng)用[8-11]，常見形式多為間接蒸發(fā)冷卻一體化空調(diào)機(jī)組。在寧夏中衛(wèi)亞馬遜、360等大型數(shù)據(jù)中心采用蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，充分利用“干空氣能”實(shí)現(xiàn)“免費(fèi)供冷”，降低了傳統(tǒng)機(jī)房的空調(diào)能耗，為蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合技術(shù)在我國數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[12-15]。

蒸發(fā)冷凝技術(shù)是將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用在冷凝器散熱上，通過噴淋水與空氣在冷凝盤管表面進(jìn)行蒸發(fā)冷卻的過程，降溫后再給盤管內(nèi)部的制冷劑降溫冷凝，利用水的氣化潛熱進(jìn)行散熱，相較于傳統(tǒng)的風(fēng)冷式冷凝器和水冷式換熱效率高、能耗低[16-17]。將蒸發(fā)冷卻、蒸發(fā)冷凝、機(jī)械制冷3種技術(shù)相結(jié)合，有效彌補(bǔ)了蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械制冷方式的不足，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，同時(shí)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了設(shè)備能耗。目前蒸發(fā)冷凝技術(shù)已在空調(diào)機(jī)組中應(yīng)用[18-22]，但在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域應(yīng)用較少。因此，本文針對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)研發(fā)能耗更低、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理完善、工作性能良好、運(yùn)行維護(hù)可靠的新型空調(diào)機(jī)組。

1 機(jī)組設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)概況

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算配比，機(jī)組設(shè)計(jì)采用一體化設(shè)計(jì)，整機(jī)尺寸2 250 mm×850 mm×2 000 mm，制冷量22 kW，送風(fēng)量5 000 m3/h，各功能段由整體外殼包裹，主要有間接蒸發(fā)冷卻段、檢修段、蒸發(fā)冷凝段、直膨段等主要功能段。間接蒸發(fā)冷卻段芯體根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)及尺寸，通過調(diào)研對(duì)比選用金屬鋁箔高分子涂層材料的板翅式間接蒸發(fā)冷卻芯體，該芯體結(jié)構(gòu)緊湊、親水性好、防結(jié)垢能力強(qiáng)、換熱效率高。其中在室內(nèi)側(cè)的數(shù)據(jù)中心回風(fēng)依次經(jīng)過一次空氣進(jìn)風(fēng)口、板翅式間接蒸發(fā)冷卻換熱器(干通道)、一次送風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、一次空氣送風(fēng)口。室外側(cè)空氣依次經(jīng)過二次空氣進(jìn)風(fēng)口、板翅式間接蒸發(fā)冷卻換熱器(濕通道)、二次排風(fēng)機(jī)、二次空氣排風(fēng)口。在冷凝側(cè)，室外空氣依次經(jīng)過冷凝進(jìn)風(fēng)口、冷凝段填料、蒸發(fā)式冷凝器、冷凝排風(fēng)機(jī)。機(jī)組實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖 1 機(jī)組實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Picture of the unit and structure diagram

機(jī)組間接蒸發(fā)冷卻器的布水采用2種布水方式，一種將噴嘴設(shè)置在換熱芯體上部，采用上部噴淋的布水形式，二次空氣流向與布水方向相反，稱之為逆噴；另外一種將噴嘴設(shè)置在換熱芯體下部，采用下部噴霧的布水形式，二次空氣流向與布水方向相同，稱之為順噴。2種布水裝置相結(jié)合，彌補(bǔ)了常規(guī)單一布水方式存在的布水不均勻問題。

機(jī)械制冷段中冷凝器采用蒸發(fā)式冷凝器，相較于傳統(tǒng)的風(fēng)冷式冷凝器和水冷式冷凝器，有效降低了耗水量和設(shè)備能耗，換熱效率更高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在冷凝器底部盤管下增設(shè)填料，可優(yōu)先將進(jìn)風(fēng)口的空氣在填料中與淋水發(fā)生蒸發(fā)冷卻過程，冷卻后再吹向盤管，同時(shí)還可以有效降低循環(huán)水水溫，進(jìn)一步提高換熱效率。

本機(jī)組將蒸發(fā)冷卻、蒸發(fā)冷凝、機(jī)械制冷3種技術(shù)緊密結(jié)合在一起，根據(jù)不同室外氣象條件切換工況，使3種技術(shù)切換配合運(yùn)行。目前數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的蒸發(fā)冷卻機(jī)組是將蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷相結(jié)合的一體化機(jī)組，具有低碳、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、健康等特點(diǎn)，但在機(jī)械制冷模塊開啟運(yùn)行時(shí)，能耗仍然很高。而本文設(shè)計(jì)的機(jī)組在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)之上，將蒸發(fā)冷卻、機(jī)械制冷與蒸發(fā)冷凝技術(shù)耦合，通過應(yīng)用蒸發(fā)式冷凝器，在一定程度上提升了換熱效率，可以進(jìn)一步有效降低機(jī)械制冷開啟時(shí)的運(yùn)行能耗，也規(guī)避了普通冷凝器結(jié)水垢的問題。并且無須設(shè)置冷卻塔，減少了占地問題，在數(shù)據(jù)中心寸土寸金的地方有極大的應(yīng)用潛力，延長了數(shù)據(jù)中心自然冷源的使用時(shí)間，縮短了機(jī)械制冷運(yùn)行時(shí)長，最大程度地降低了電源使用效率(power usage effectiveness，PUE)，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

1.2 機(jī)組運(yùn)行模式

機(jī)組以自然冷卻為主，機(jī)械制冷為補(bǔ)充，間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為干模式、濕模式和混合模式3種模式。3種模式判定條件取決于室外新風(fēng)的溫濕度，需在本機(jī)組二次空氣(新風(fēng))進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置溫濕度檢測裝置，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，從而切換機(jī)組的3種運(yùn)行模式。

1) 干模式。冬季寒冷且室外環(huán)境溫度低，機(jī)組以干模式運(yùn)行。此時(shí)布水系統(tǒng)和機(jī)械制冷模塊關(guān)閉，完全由室外空氣對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房回風(fēng)進(jìn)行冷卻；二次側(cè)的低溫空氣從室外進(jìn)入機(jī)組，通過間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的濕通道與干通道中的數(shù)據(jù)中心機(jī)房的回風(fēng)進(jìn)行熱交換，然后經(jīng)排風(fēng)口排出。數(shù)據(jù)中心較高溫度的回風(fēng)進(jìn)入機(jī)組后，經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的干通道被室外低溫空氣直接冷卻后，由送風(fēng)口送入數(shù)據(jù)中心機(jī)房。機(jī)組干模式運(yùn)行原理及一次空氣處理過程如圖2所示，圖中N為室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，O為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖 2 機(jī)組干模式運(yùn)行原理及一次空氣處理過程Fig.2 Unit dry mode operation principle and primary air treatment process

2) 濕模式。在過渡季節(jié)，室外環(huán)境溫度較為溫和，機(jī)組以濕模式運(yùn)行。此時(shí)補(bǔ)水系統(tǒng)開啟，機(jī)械制冷模塊關(guān)閉，通過噴淋蒸發(fā)制冷。布水器向間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行布水，室外空氣從二次進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，進(jìn)入間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行換熱，后經(jīng)二次排風(fēng)機(jī)從二次排風(fēng)口排出。數(shù)據(jù)中心較高溫度的回風(fēng)先通過一次進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)組，流經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻器與室外經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻處理后的新風(fēng)進(jìn)行換熱，被冷卻后的數(shù)據(jù)中心回風(fēng)，由一次送風(fēng)機(jī)經(jīng)一次送風(fēng)口送入數(shù)據(jù)機(jī)房。機(jī)組濕模式運(yùn)行原理及一次空氣處理過程如圖3所示，圖中N為室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，O為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。

圖 3 機(jī)組濕模式運(yùn)行原理及一次空氣處理過程Fig.3 Unit wet mode operation principle and primary air treatment process

3) 混合模式。在炎熱的夏季，當(dāng)室外溫度較高且濕球溫度也較高時(shí)，機(jī)組以混合模式運(yùn)行。噴淋蒸發(fā)制冷+部分機(jī)械制冷同時(shí)開啟，此時(shí)間接段噴淋系統(tǒng)和機(jī)械制冷系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，共同達(dá)到需要的制冷量。布水器向板翅式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行布水，室外空氣從二次進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，進(jìn)入板翅式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行換熱，后經(jīng)二次排風(fēng)機(jī)從二次排風(fēng)口排出。數(shù)據(jù)中心較高溫度的回風(fēng)先通過一次進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)組，流經(jīng)板翅式間接蒸發(fā)冷卻器與室外經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻處理后的新風(fēng)進(jìn)行換熱，對(duì)數(shù)據(jù)中心回風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷，再流經(jīng)蒸發(fā)器被蒸發(fā)器冷卻后，由一次送風(fēng)機(jī)經(jīng)一次送風(fēng)口送入數(shù)據(jù)機(jī)房，如此循環(huán)。而在冷凝部分，室外空氣從冷凝風(fēng)口進(jìn)入機(jī)械制冷段，依次通過蒸發(fā)填料、蒸發(fā)式冷凝器盤管表面進(jìn)行熱濕交換，通過水的蒸發(fā)帶走冷凝熱，由上方的冷凝排風(fēng)機(jī)排走，其運(yùn)行原理及一次空氣處理過程如圖4所示，圖中N為室內(nèi)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，N′為室內(nèi)回風(fēng)經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻段芯體后空氣狀態(tài)點(diǎn)，O為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)氣流走向如圖5所示。

圖 4 機(jī)組混合模式運(yùn)行原理及一次空氣處理過程Fig.4 Unit mixed mode operation principle and primary air treatment process

圖 5 機(jī)組運(yùn)行氣流示意圖Fig.5 Schematic diagram of air flow in unit operation

1.3 不同運(yùn)行模式切換點(diǎn)的討論

上述3種不同運(yùn)行模式之間的切換界限，由室外空氣的干球溫度和濕球溫度來確定，而作為判定條件的室外干球溫度和濕球溫度又受數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度以及間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體換熱效率的影響。結(jié)合間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的效率計(jì)算公式，在計(jì)算間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)不同模式的切換溫度時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻效率主要受室外二次空氣的環(huán)境參數(shù)、數(shù)據(jù)中心機(jī)房室內(nèi)側(cè)回風(fēng)溫度、室內(nèi)側(cè)送風(fēng)溫度的影響，由于間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體選定后，在忽略換熱器材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、風(fēng)速、換熱溫差、換熱面積等影響因素下，可假設(shè)間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的換熱效率一定，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的回風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度為確定的設(shè)計(jì)值，因此可以計(jì)算出間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)不同模式相應(yīng)的室外二次空氣溫度，即切換溫度。根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的送風(fēng)參數(shù)見表1。

表 1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)參數(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)參數(shù)要求，設(shè)定機(jī)組送風(fēng)溫度為24 ℃，送回風(fēng)溫差選取14 ℃，故數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度確定為38 ℃，以此參數(shù)對(duì)3種模式的切換溫度進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)所在地區(qū)不同的氣候條件，間接蒸發(fā)冷卻器具有不同的效率。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)際工程測試[2]，高濕度地區(qū)(當(dāng)?shù)叵募究照{(diào)設(shè)計(jì)濕球溫度在28 ℃以上)間接蒸發(fā)冷卻效率在35%～50%；中濕度地區(qū)(當(dāng)?shù)叵募究照{(diào)設(shè)計(jì)濕球溫度在23～28 ℃之間)間接蒸發(fā)冷卻效率在45%～60%；干燥地區(qū)(當(dāng)?shù)叵募究照{(diào)設(shè)計(jì)濕球溫度在23 ℃以下)間接蒸發(fā)冷卻效率在55%～70%，本文以干燥地區(qū)為例進(jìn)行不同模式切換狀態(tài)的分析。

1) 干模式：假設(shè)間接蒸發(fā)冷卻芯體換熱效率為60%，干工況下蒸發(fā)冷卻效率計(jì)算公式，即

(1)

式中：η為間接蒸發(fā)冷卻芯體的換熱效率;tg1為數(shù)據(jù)中心內(nèi)回風(fēng)干球溫度，℃;

2) 濕模式：假設(shè)間接蒸發(fā)冷卻芯體換熱效率為70%，濕工況下蒸發(fā)冷卻效率計(jì)算公式，即

(2)

式中：η為間接蒸發(fā)冷卻芯體的換熱效率;tg1為數(shù)據(jù)中心內(nèi)熱回風(fēng)干球溫度，℃;ts1為室外空氣濕球溫度，℃;tg2為數(shù)據(jù)中心送風(fēng)干球溫度，℃。

將設(shè)定值η≤70%，tg1=38 ℃，tg2=24 ℃代入，求得ts1≤18 ℃，即在室外環(huán)境空氣的干球溫度>14.7 ℃且濕球溫度≤18 ℃時(shí)，機(jī)組在濕模式下運(yùn)行。

結(jié)合干模式與濕模式的切換條件，得出在室外環(huán)境空氣的干球溫度≤14.7 ℃或濕球溫度≤18 ℃時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完全利用自然冷源作為數(shù)據(jù)中心供冷。

3) 混合模式：當(dāng)室外環(huán)境空氣的濕球溫度大于18 ℃時(shí)，開啟機(jī)械制冷模塊進(jìn)行補(bǔ)冷。

綜上分析，數(shù)據(jù)中心送風(fēng)干球溫度設(shè)定為24 ℃，數(shù)據(jù)中心回風(fēng)干球溫度設(shè)定為38 ℃，間接蒸發(fā)冷卻芯體的蒸發(fā)效率在干工況和濕工況下分別假設(shè)為60%和70%，機(jī)組3種工況切換判定值見表2。

表 2 機(jī)組3種工況切換判定值

2 測試與分析

2.1 測試概況

1) 最佳二/一次空氣風(fēng)量比(室外側(cè)空氣與室內(nèi)機(jī)房回風(fēng))測試。固定一次空氣風(fēng)量，依次調(diào)節(jié)二次空氣風(fēng)量使二/一次風(fēng)量比逐漸改變，對(duì)最佳二/一次空氣風(fēng)量比進(jìn)行測定，分析二/一次風(fēng)量比對(duì)蒸發(fā)效率的影響。

2) 干模式工況測試。根據(jù)T/DZJN 27—2021《數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)中蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組實(shí)驗(yàn)工況的建議值，設(shè)定室外二次側(cè)氣象參數(shù)，在干模式工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

3) 濕/混合模式工況測試。選取北京、上海室外氣象參數(shù)代表中濕度地區(qū)、高濕度地區(qū)，分別在濕模式、混合模式2種不同工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

4) 改變布水策略測試。分別采用連續(xù)噴水、間歇噴水、不同間歇時(shí)間噴水進(jìn)行測試，分析不同布水策略對(duì)蒸發(fā)效率的影響。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

1) 二/一次風(fēng)量比。在焓差實(shí)驗(yàn)室中模擬數(shù)據(jù)中心運(yùn)行工況，進(jìn)行機(jī)組最佳二/一次風(fēng)量比測試。設(shè)定數(shù)據(jù)中心一次側(cè)回風(fēng)干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，二次側(cè)室外空氣干/濕球溫度為16 ℃/11 ℃。固定一次側(cè)回風(fēng)量，對(duì)二次風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，二/一次風(fēng)量比與送風(fēng)溫度和蒸發(fā)效率的關(guān)系如圖6所示。

圖 6 二/一次風(fēng)量比與送風(fēng)溫度和蒸發(fā)效率的關(guān)系Fig.6 The relationship between secondary and primary air volume ratio,supply air temperature and evaporation efficiency

從圖6可以看出：機(jī)組的送風(fēng)溫度隨風(fēng)量比的增大而降低，蒸發(fā)效率隨風(fēng)量比的增大而增大，呈對(duì)數(shù)函數(shù)的趨勢(shì)變化；當(dāng)二/一次風(fēng)量比增大至2.25時(shí)，間接蒸發(fā)效率達(dá)到最高的69.78%，送風(fēng)溫度達(dá)到最低22.3 ℃；風(fēng)量比繼續(xù)增大后，其間接蒸發(fā)冷卻效率呈減小趨勢(shì)，相應(yīng)的送風(fēng)溫度略有上升。因?yàn)槭彝鈧?cè)二次風(fēng)風(fēng)量過大，其通過芯體時(shí)風(fēng)速較高，導(dǎo)致二次風(fēng)在間接蒸發(fā)冷卻芯體內(nèi)停留時(shí)間太短，不能與數(shù)據(jù)中心一次回風(fēng)充分換熱，引起間接蒸發(fā)冷卻換熱效率的降低。因此機(jī)組的最佳二/一次風(fēng)量比區(qū)間在2.2～2.4之間。

2) 干燥地區(qū)干/濕工況。在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)中心運(yùn)行工況，對(duì)機(jī)組在干燥地區(qū)運(yùn)行進(jìn)行性能測試，設(shè)定數(shù)據(jù)中心一次側(cè)回風(fēng)干/濕球溫度分別為38 ℃/21 ℃，二次側(cè)室外空氣干/濕球溫度分別為16 ℃/11 ℃，固定二/一次風(fēng)量比，僅對(duì)運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)節(jié)，2種模式下蒸發(fā)效率變化情況如圖7所示。

圖 7 干燥地區(qū)干/濕工況測試蒸發(fā)效率Fig.7 Evaporation efficiency tested in dry/wet conditions in dry areas

從圖7可以看出：機(jī)組在干模式運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)，蒸發(fā)效率維持在67%左右，溫降幅度達(dá)到14 ℃；在濕工況下運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，蒸發(fā)效率可以維持在72%左右，溫降幅度達(dá)到19 ℃，機(jī)組溫降效果顯著，送風(fēng)溫度均低于24 ℃，滿足數(shù)據(jù)中心直接送風(fēng)要求。

3) 中等濕度地區(qū)濕工況。在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)中心運(yùn)行工況，對(duì)機(jī)組在中等濕度地區(qū)濕模式運(yùn)行進(jìn)行性能測試，設(shè)定數(shù)據(jù)中心一次側(cè)回風(fēng)干/濕球溫度分別為38 ℃/21 ℃，二次側(cè)進(jìn)口干/濕球溫度模擬北京夏季室外空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，分別為33.6 ℃/26.3 ℃。固定二/一次風(fēng)量比，中濕度地區(qū)濕工況下蒸發(fā)效率及送風(fēng)溫度如圖8所示。

圖 8 中濕度地區(qū)濕工況下蒸發(fā)效率及送風(fēng)溫度Fig.8 Evaporation efficiency and air supply temperature under wet condition in medium humidity area

從圖8可以看出，機(jī)組在濕模式運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)，蒸發(fā)效率維持在61%左右，溫降幅度達(dá)到7.1 ℃。雖然溫降效果明顯，但在此工況下不能滿足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)溫度的要求，需要開啟機(jī)械制冷補(bǔ)冷。

4) 高濕度地區(qū)濕模式/混合模式。在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)中心運(yùn)行工況，對(duì)機(jī)組在高濕度地區(qū)運(yùn)行進(jìn)行性能測試，設(shè)定數(shù)據(jù)中心一次側(cè)回風(fēng)干/濕球溫度為38 ℃/21 ℃，二次側(cè)室外空氣干/濕球溫度模擬高溫高濕地區(qū)上海夏季室外氣象參數(shù)34.6 ℃/28.2 ℃。固定二/一次風(fēng)量比，僅改變運(yùn)行模式，高濕度地區(qū)濕模式/混合模式測試溫降情況如圖9所示。

圖 9 地區(qū)濕模式/混合模式測試 溫降情況Fig.9 The temperature drop test in wet or mixed mode in high humidity areas

從圖9可以看出，在濕模式時(shí)，蒸發(fā)效率為53.45%，溫降幅度在5 ℃左右；開啟機(jī)械制冷補(bǔ)冷后，送風(fēng)溫度達(dá)到22.92 ℃，溫降幅度達(dá)到15 ℃左右，滿足數(shù)據(jù)中心的送風(fēng)要求。

機(jī)組在中/高濕度地區(qū)間接蒸發(fā)冷卻效率降低。因?yàn)樵诓煌瑵穸鹊貐^(qū)，隨著空氣濕度的增加，空氣的干濕球溫差越小，而干濕球溫差越大，越有利于水分蒸發(fā)，因此在中/高濕度地區(qū)由于空氣濕度的增加，蒸發(fā)效率比干燥地區(qū)降低。但本機(jī)組采取機(jī)械制冷補(bǔ)冷的方式配合蒸發(fā)冷卻技術(shù)，可以滿足數(shù)據(jù)中心要求，提高了蒸發(fā)冷卻在全國不同氣候區(qū)的適用范圍。

5) 布水改變。在進(jìn)行不同布水策略對(duì)機(jī)組性能影響的測試時(shí)，固定機(jī)組一/二次側(cè)進(jìn)口空氣參數(shù)，分別改變機(jī)組間接蒸發(fā)冷卻芯體的布水策略和二/一次風(fēng)量比，分析不同布水策略對(duì)機(jī)組蒸發(fā)效率的影響。

當(dāng)二/一次風(fēng)量比固定時(shí)，分別采用噴淋時(shí)間為8、15、30 s和連續(xù)噴淋4種布水策略(其中間歇停止噴淋時(shí)間為60 s)。通過分析數(shù)據(jù)得到在采用間歇布水時(shí)，隨著噴淋時(shí)間的改變，不同的布水策略，對(duì)蒸發(fā)效率的影響不明顯。而在采用連續(xù)布水策略時(shí)，蒸發(fā)效率明顯較高，分析原因?yàn)椴捎瞄g歇布水策略時(shí)，在間歇停止噴淋的時(shí)間內(nèi)，濕通道內(nèi)附著的水量有限，不能持續(xù)通過水的蒸發(fā)吸熱帶走熱量，導(dǎo)致?lián)Q熱效率不高；而在連續(xù)噴淋時(shí)，有源源不斷水量供給，可以維持濕通道內(nèi)的蒸發(fā)吸熱過程，因而蒸發(fā)效率比間歇布水策略明顯較高。

而當(dāng)二/一次風(fēng)量比改變時(shí)，無論是間歇噴淋還是連續(xù)噴淋的布水策略，蒸發(fā)效率都呈現(xiàn)隨二/一次風(fēng)量比的增大而增大的變化趨勢(shì)，與前文所述間接段蒸發(fā)效率在一定二/一次風(fēng)量比的范圍內(nèi)隨其增大而增大的結(jié)論吻合。不同布水策略在不同風(fēng)量比下與蒸發(fā)效率的關(guān)系如圖10所示。

圖 10 不同布水策略在不同風(fēng)量比下與蒸發(fā) 效率的關(guān)系Fig.10 The relationship between different water distribution strategies and evaporation efficiency at different air volume ratios

2.3 機(jī)組適用性

根據(jù)蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)分區(qū)[2]，主要以高濕地區(qū)(上海)、中等濕度地區(qū)(北京)、干燥地區(qū)(蘭州)3個(gè)不同氣候區(qū)域的樣本城市為代表，分析本機(jī)組在不同濕度地區(qū)下3種運(yùn)行模式的全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》，選取一次側(cè)回風(fēng)干球溫度38 ℃，送風(fēng)干球溫度24 ℃，假定干模式下間接蒸發(fā)冷卻芯體換熱效率為60%，濕模式下間接蒸發(fā)冷卻芯體換熱效率為70%，計(jì)算機(jī)組不同模式下的切換狀態(tài)點(diǎn)，即干模式：tg≤15.4℃；濕模式：tg>15.4 ℃，ts≤18.4 ℃；混合模式：ts>18.4 ℃。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》收錄的氣象信息，對(duì)不同地區(qū)的全年逐時(shí)氣象參數(shù)中的適用小時(shí)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，機(jī)組在不同樣本城市全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)分析結(jié)果見表3。

表 3 機(jī)組在不同樣本城市全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)

從表3可以看出，該機(jī)組全年8 760 h的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，在干燥地區(qū)(蘭州)有98%的小時(shí)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉機(jī)械制冷，全自然冷源為數(shù)據(jù)中心供冷。在中濕度地區(qū)(北京)有78%的小時(shí)數(shù)可以通過蒸發(fā)冷卻為數(shù)據(jù)中心供冷，僅有22%的時(shí)間需要開啟機(jī)械制冷補(bǔ)冷。在高濕度地區(qū)(上海)，也有62%的時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)全自然冷源供冷。

機(jī)組在不同氣候區(qū)域都可以極大地應(yīng)用自然冷源供冷，具有良好的適用性，在干燥地區(qū)幾乎可以實(shí)現(xiàn)全年利用自然冷源為數(shù)據(jù)中心制冷，即使是在高溫高濕地區(qū)也可以實(shí)現(xiàn)在全年40%以上的運(yùn)行小時(shí)數(shù)內(nèi)完全利用自然冷源制冷，縮短機(jī)械制冷的使用時(shí)間，減少能耗，有效降低數(shù)據(jù)中心PUE。

3 結(jié) 論

1) 針對(duì)數(shù)據(jù)中心研發(fā)的蒸發(fā)冷凝式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組將間接蒸發(fā)冷卻、蒸發(fā)冷凝與機(jī)械制冷3種技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮蒸發(fā)冷卻和蒸發(fā)冷凝技術(shù)利用自然冷源的優(yōu)勢(shì)，減少了機(jī)械制冷的開啟時(shí)間，降低了空調(diào)能耗。

2) 通過焓差實(shí)驗(yàn)室模擬不同二/一次風(fēng)量比和不同干濕工況條件，對(duì)機(jī)組進(jìn)行性能測試,得出該機(jī)組最佳二/一次風(fēng)量比范圍區(qū)間為2.2～2.4，間接蒸發(fā)冷卻段效率在干燥地區(qū)、中濕度地區(qū)、高濕度地區(qū)分別為72%、61%、53.45%，機(jī)組送風(fēng)溫度24 ℃左右，滿足了數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)的要求。

3) 針對(duì)機(jī)組在蘭州、北京、上海3個(gè)不同氣候區(qū)樣本城市在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用作了全年運(yùn)行小時(shí)數(shù)分析，得出該機(jī)組在3座城市利用自然冷源供冷時(shí)間占全年運(yùn)行總小時(shí)數(shù)分別為98%、78%、62%，適用性良好。