数据中心用蒸发冷却（凝）空调机组的设计及试验分析

摘要： 提出一种新型数据中心用蒸发冷却（凝）空调机组，将蒸发冷却、蒸发冷凝、机械制冷技术三者结合，加大了自然冷源的应用时间。阐述其运行模式，并结合数据中心机房特点，介绍适合数据中心机房的机组运行模式。设计一台风量为20000m3/h的试验样机，并通过调节喷淋水流量，对其各功能段最佳性能进行了测定，得出该机组直接蒸发冷却段在水气比为0.37时，效率为97.22%；间接蒸发冷却段在水气比为0.28时，效率为62.98%。对其在乌鲁木齐、兰州、西安、上海4个典型城市的适应性分区进行了分析，并以新疆某数据中心为例，对比分析其年耗电量，采用该蒸发冷却（凝）空调机组年节电率为51.4%。

关键词： 蒸发冷却（凝）  机械制冷  数据中心  全年运行  水气比

据统计，2013年以来，我国数据中心总体规模快速增长，到2017年底，我国在用数据中心机架总体规模达到166万架，总体数量达到1844个，规划在建数据中心规模107万架，数量463个。其中大型以上数据中心为增长主力，截止2017年底，大型以上数据中心机架数超过82万。

数据中心IT设备系统所产生的功耗约占数据中心总能耗的45%，空调系统占数据中心总能耗的40%，电源和照明系统分别占数据中心总耗电量的10%和5%。我国数据中心技术节能潜力的分析结果表明：IT设备系统的综合技术节能潜力在11%～39%之间，平均为29%；空调系统的节能潜力在4%～69%之间，平均为36%；配电系统的综合节能潜力在8%～27%之间，平均为18%。其中可见，空调系统仍是数据中心提高能源效率的重点环节 ^[1] 。

传统空调能耗大、经济性差，存在过度冷却等问题，不能满足当前机房的能耗要求。蒸发冷却空调技术以水作为冷却介质，通过水分蒸发带走汽化潜热，空气和水直接或间接接触，制取清洁的冷风或者高温冷水，节能减碳 ^[2] 。目前，该技术已在我国得到快速发展和广泛应用，然而，受室外气象条件的影响，机组制冷性能受限，将其与传统机械制冷技术结合，可获得较好的性能 ^[3] 。

本机组将蒸发冷却技术、蒸发冷凝技术和机械制冷技术有机结合。机组整体由集装箱式外壳包裹；且采用模块化设计，机组从左到右主要由机械制冷段、新（回）风段、过滤段、管式间接蒸发冷却段、直膨段、直接蒸发冷却段、风机段等组成。对于不同的室外气象条件，选择性的开启不同功能段和风机，以最节能的运行方式来适应各种室外气候条件，从而调节室内空气的温湿度。

机械制冷段中冷凝器采用的是板管型蒸发式冷凝器，该冷凝器的换热管采用板管型，可以有效的使水膜均匀流动在板管表面，且无干点，不易结水垢。本机组采用蒸发冷却与机械制冷相结合的形式，既能充分发挥蒸发冷却低碳、环保、经济、健康的特点，同时辅助以传统机械制冷，增加机组运行稳定性。对于数据中心来说，则可以尽可能多的延长使用自然冷源的时间，减少机械制冷的开启时间，可以有效的节约能耗，降低PUE，达到节能减排的目的。

根据建筑的负荷特性以及室外气象参数的状态，机组可以选择性的开启各功能段，在相应的模式下运行，在满足室内负荷需求的前提下，最大限度的采用自然冷源降温，节省能耗。本试验样机可实现的主要工作模式有：

（1）直接蒸发冷却（DEC）运行模式：在干燥地区，室外空气干湿球温差很大，此时开启直接蒸发冷却器。一次空气经过直接蒸发冷却器等焓加湿处理后即可满足送风需求。此时整个机组只开启直接蒸发冷却段的循环水泵和机组送风机，功耗很低。

（2）间接+直接蒸发冷却（IDEC）运行模式：在中等湿度地区，室外空气干湿球温差较大，单开启直接蒸发冷却器对空气进行处理已经达不到送风要求，此时需要再开启管式间接蒸发冷却器。一次空气先经过管式间接蒸发冷却段等湿冷却后，湿球温度被降低，再经过直接蒸发冷却器等焓加湿处理后，即可满足送风需求。此时整个机组只开启管式间接蒸发冷却器的循环水泵和二次风机，直接蒸发冷却段的循环水泵和机组送风机，功耗较低。

（3）间接蒸发冷却+机械制冷（IEC+DX）运行模式：在高湿度地区，室外空气干湿球温差较小，此时间接+直接蒸发冷却运行模式已经无法满足送风需求，则关闭直接蒸发冷却段，开启机械制冷段。一次空气先经过管式间接蒸发冷却器等湿降温后，在通过机械制冷直膨段蒸发器对其进行减湿冷却降温后，即可达到送风要求。此时除了直接蒸发冷却循环水泵不开之外，其他设备都在运转，能耗较高。但要说明的是，在该运行工况下，管式间接蒸发冷却器作为一个经济器，预冷了一次空气，承担了一部分制冷量，所以机械制冷不需要满负荷运转，只需处理余下的冷量即可，所以相对于完全使用机械制冷来说，也有着一定的节能意义。

（4）机械制冷（DX）模式：在高湿或中湿部分极端炎热地区，管式间接蒸发冷却段所能提供的冷量有限，COP较高时，则完全以机械制冷模式运行，此时只开启机械制冷循环部件和机组风机，能耗较高。但是这种模式的运行时间仅仅只占据全年运行时间的很小一部分，所以该机组从全年运行的角度看，节约了极大的能耗。

上述4种运行模式对应的一次空气处理过程焓湿图、机组结构原理图依次如图1～图2所示。

根据《2017年数据中心冷却技术年度发展报告》，数据中心是一个高显热且需全年制冷的建筑。同时，新风对数据中心的影响不仅仅存在于空气中的扬尘污染，更多的是空气中含有的硫化物污染物对数据中心芯片的腐蚀相当严重，所以，现在数据中心都尽量避免新风直接通入机房内，而是采用纯回风的方式，通过对回风进行处理，达到送风要求后，对室内环境或机柜进行降温。针对这一现状，本机组可以开启不同功能段，来适应数据中心特有的空气处理模式，此时机组进风为机房回风。主要有以下几个运行模式：

（1）自然冷却运行模式：在冬季或春秋季较寒冷的时期，此时室外温度较低，在管式间接蒸发冷却段中，较低的室外空气从二次风口进入，冷却管内的回风，尽可能的应用室外自然冷源为机房供冷。

（2）间接蒸发冷却（IEC）运行模式：在过度季节，此时室外温度较高，不能直接作为冷源给机房回风降温，则开启间接蒸发冷却段，机房回风通过间接蒸发冷却段等湿降温后，达到送风要求送入室内，这种运行模式，既能满足降温要求，也无湿度变化，非常适合对回风的处理。

（3）间接蒸发冷却+机械制冷（IEC+DX）运行模式：在夏季炎热季节，利用间接蒸发冷却对回风进行预冷，承担部分冷量，剩余冷量由机械制冷部分承担，对回风进行处理，达到送风要求后送入机房内。

（4）机械制冷（DX）运行模式：对于极端炎热且干湿球温差过小的季节，间接蒸发冷却的降温效果不佳时，只开启机械制冷运行模式，对机房回风进行处理，达到送风要求后送入机房内。

机组以新疆乌鲁木齐这样的干燥地区作为设计地区，其夏季空调室外计算干球温度为：33.5℃，夏季空调室外计算干球温度湿球温度为：18.2℃。送风参数按常规机械制冷送风状态的上限，干球温度为：18℃，相对湿度为：95%。

机组设计风量为20000m3/h，在干燥地区，间接蒸发冷却效率按65%进行计算 ^[4] 。则根据公式（1）：

（1）

式中，t _g1 — 一次气流进风空气干球温度，℃；

t _g2 — 一次气流出风空气干球温度，℃；

t _s1 — 二次气流进风空气湿球温度，℃；

η — 间接蒸发冷却器效率。

得出经过间接蒸发冷却器处理的空气干球温度为：23.6℃。

根据公式（2）计算间接蒸发冷却制冷量Q _IEC 。

（2）

式中，L ₁ — 一次空气风量，m3/h；

ρ — 空气密度，1.2kg/m3；

h _w — 一次空气预冷前焓值，51.47 kJ/kg；

h _w1 — 一次空气预冷后焓值，41.35 kJ/kg；

得出间接蒸发冷却制冷量Q _IEC =67.46 kW。

本实验样机考虑到经济性及其他因素，对间接蒸发冷却器不再进行单独的开发设计。因机组设计风量为20000m3/h，故使用目前市场上较为成熟的模块化间接蒸发冷却器，则间接蒸发冷却器选择风量为5000m3/h的模块化间接蒸发冷却器4个。对其风机、水泵进行选型，风机选为风量12000m3/h，功率2.5kW的轴流风机，水泵选用流量为6m3/h，扬程为19.5m，功率为1.2kW的轻型卧式离心泵。

在机组运行时，直接蒸发冷却段的风量等于机组送风量20000 m3 /h，在设计时需要满足一下几个条件：

（1）填料迎面风速应不低于2.7m/s，保证空气和水充分发生热质交换。

（2）考虑防火要求，应使用阻燃性高的材料，采用金属填料。

（3）对于金属填料，其淋水密度不应低于5400kg/（m2·h），以保证蒸发效率保持在95%以上。

最终选定直接蒸发冷却金属填料的尺寸为：2000mm × 2000mm × 300mm，比表面积为700m2/m3，材质为不锈钢填料。

布水方式采用三维布水方式，在填料上部、侧面分别设有喷排，这样可以使填料布水更加均匀，热湿交换更加充分。选取扬程为15m，流量为6m3/h，功率0.37kW的轻型卧式多级离心泵。

根据间接蒸发冷却段制冷量，选取制冷量为60kW，制冷剂为R22的双涡旋压缩机，并匹配相应的板管蒸发式冷凝器。

最终确定机组整机尺寸为：6900mm×2000mm×2000mm，机组实物图如图3所示。

对于蒸发冷却设备来说，空气流量和喷淋水流量的匹配是相当重要的。为了探究该试验样机的最佳运行工况，对样机进行系统的测试。分别将温湿度自记仪放置在进风口、间接蒸发冷却段后、直膨段后、直接段后、及机组出风口处进行测试。并且机组送风机采用变频器控制；采用超声波流量计进行流量的测试。

在入口干湿球温差基本保持不变（t _g =28.4℃，t _s =17.9℃）的情况下，淋水量从4 m3 /h以每组0.5 m3 /h为调整幅度增加至6 m3 /h，可以看出直接蒸发冷却效率随着淋水量的增加而增加，而在淋水量增加至5.5 m3 /h，也就是0.37水气比时，直接蒸发冷却效率达到最高97.22%。淋水量继续增大后，其直接蒸发冷却效率反而呈现出减小的趋势。由此得出，直接蒸发冷却运行模式下，直接段效率最高的淋水量为5.5 m3 /h，即水气比为0.37。此时，机组最低出风温度可达19.8℃，温降达10.3℃。

在入口干湿球温差基本保持不变的情况下（t _g =23.5℃，t _s =16.93），淋水量从2 m3 /h以每组0.5 m3 /h为调整幅度增加至3.9 m3 /h，可以看出间接蒸发冷却效率随着淋水量的增加而增加，而在淋水量增加至3.45 m3 /h，也就是0.28水气比时，间接蒸发冷却效率达到最高62.98%。淋水量继续增大后，其间接蒸发冷却效率反而呈现出减小的趋势。由此得出，间接蒸发冷却运行模式下，间接段效率最高的淋水量为3.45 m3 /h，即水气比为0.28。此时，机组最低出风温度可达17.8℃，温降达5.7℃。

在入口干湿球温差基本保持不变的情况下（28.℃，49%），分别开启表冷段与管式间接段+表冷段，对机组进行了测试。在单开直膨段段的时候，机组出风温度可达20℃，平均整体温降为8.2℃；开启管式间接+直膨段时，机组出风温度可达18.5℃，平均整体温降为9.5℃。

在入口参数为t _g =29.1℃，t _s =18.7℃的情况下，对机组整体进行运行情况进行分析，并得出表1。单开启直接蒸发冷却段，机组整体温降可达9.7℃；开启间接+直接段，机组整机温降可达10.7℃；开启间接+直膨段，机组整机温降可达11.7℃。

根据蒸发冷却设计分区 ^[5] ，取样本城市乌鲁木齐、兰州、西安、上海4个城市，根据前文提到的试验样机应用在数据中心的4种运行模式，分别进行全年运行小时数的统计分析，机组出风参数按照GB 50174-2017《数据中心设计规范》，其中冷通道进风温度为18℃~27℃，杨彦霞等人认为数据中心IT设备的进风温度设定在23℃～25℃为宜 ^[6] ，本文取24℃。机组进风参数同样根据上述标准，取送回风温差为12℃，即机组进风温度为36℃进行分析。得出结果如下表所示：

由表2可以得出，该机组应用在数据中心，可以极大的应用自然冷源进行供冷。在新疆、兰州等干燥地区，全年近85%的时间不使用机械制冷；在西安、上海这样中、高湿度地区，全年近70%时间不使用机械制冷，极大的降低了能耗，可以有效的降低数据中心PUE。

新疆中国移动通信某交换机房，该机房面积为315m2，总发热量为160kW，发热密度为508W/ m2 。其空调系统采用了5台机房专用空调，均为直接膨胀式氟系统。气流组织采用高架（防）静电地板下送风、机房空间上回风形式。机房室内温度基本维持在26℃±2℃，相对湿度为50%±5%，符合设计要求。已知当地夏季空调室外计算干/湿球温度为32.90℃/21.30℃，干湿球温差为11.60℃。采用机房原空调系统，年耗电量按满负荷运行为885000 kW/h，但实际情况下，设备不可能满负荷运转，一般来说，满负荷运行比实际运行能耗可能高出20%～50%，这里取40%进行计算，则数据中心年耗电量修正为354000kW/h。

采用蒸发冷却（凝）空调机组，对其耗电量进行分析。结果如下表所示：

采用蒸发冷却（凝）空调机组应用在该数据中心里，一年耗电量为172051.4kW/h，相比原系统，节约用电量181948.6kW，节电率为51.4%。电费按0.8元/度计算，一年可节约145559元。

（1）笔者介绍了一种用于数据中心的新型蒸发冷却（凝）空调机组，该机组将蒸发冷却技术、蒸发冷凝技术、机械制冷技术相结合，可极大的减少机械制冷开启时间，与水冷机组相比，没有冷却塔，且机组采用集装箱设计，安装方便。

（2）该机组可以根据不同的负荷需求、不同的室外气象参数从而开启不同的机组功能段，来满足系统要求的送风温度。笔者详细介绍了机组的4中基本运行模式，特别介绍了针对数据中心机房的机组运行模式。

（3）笔者针对乌鲁木齐、兰州、西安、上海4个典型城市对该机组应用在数据中心作了全年运行小时数分析，得出在干燥地区自然冷源利用时间可达85%，中、高湿度地区自然冷源利用时间可达75%。

（4）笔者针对新疆某数据中心进行能耗分析及对比，采用该蒸发冷却（凝）空调机组应用于数据中心可节电51.4%。