可变风道自然冷源-压缩机机房空调的试验研究及节能评价

刘宇轩，陆婷婷，王鲁平，包继虎，李 芳，周 坤

（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

随着国内数据中心的大规模建设，以及国家对节能减排的越来越重视，机房空调对自然冷源的利用率的要求也越来越高。2017年国家发布《关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》[1]和 GB 50174—2017《数据中心设计规范》[2]都对机房空调的节能提出了具体要求和指导意见。目前普通的风冷式机房空调，以及节能型的压缩机-氟泵双循环机房空调和压缩机-热管机房空调的应用已经相对广泛，但是只能在环境温度较低的时候利用自然冷源。为了进一步利用自然冷源节约能耗，各机构和企业对于利用新风制冷、及蒸发冷却式机房空调均开展了相应的研究[3-6]。但是此类机房空调目前还处于技术成熟期和产品推广阶段。本单位结合目前的研究成果，和市面上已有的节能型机房空调开发了一种可变风道自然冷源-压缩机机房空调，并对其性能和节能效果进行了试验研究。

1 可变风道自然冷源-压缩机机房空调

由于机房空调需要常年制冷，而室外环境温度在一年的大部分时间比室内环境温度低，所以机房空调相较于其他空调产品，更具有利用自然冷源的潜力。本文从充分利用自然冷源的角度出发，开发了一种可变风道自然冷源-压缩机机房空调，其流程如图1所示。

图1 可变风道自然冷源-压缩机机房空调流程Fig.1 Flow chart of variable duct natural cold source air conditioner for compressor room

该机器将室内风和室外风引入绝热室，在绝热室中进行热量交换。绝热室中的安装有空空换热器，和喷淋设备。空空换热器前的室外风道和室内风道中安装有挡板，可以将实现室内回风和室外风的混合，以及通过空空换热器的流路。该可变风道自然冷源-压缩机机房空调在普通的风冷式机房的基础上增加了可变风道、空空换热器和喷淋系统，可以实现室内空气和室外空气的换热以及混合，当Q1＋Q2≥Q时，机组即能满足数据中心的制冷需求。其中：Q1为通过压缩机能进行的热交换量为，Q2为通过可变风道空空换热器的热交换量为，Q为数据中心的热负荷。

通过该可变风道空空换热器，该机组能够实现以下7种不同的换热方式。

（1）新风直接冷。机组将室外新风过滤、净化处理，直接引入机房，冷却机房设备。

（2）新回风混合冷。机组按比例引入室外新风和室内回风，混合冷却后同时送到机房内，冷却机房设备。

（3）新风直接蒸发冷。机组将室外新风过滤、净化处理，在绝热室中利用喷淋水进行等焓冷却，直接引入机房，冷却机房设备。

（4）新风间接冷。机组将室外新风和室内回风同时引入换热芯体，在换热芯体内不接触换热，被冷却后的室内回风再次回到机房内冷却机房设备。

（5）间接蒸发冷。使用喷淋水在绝热室等焓冷却引入的新风，降低新风的干球温度。被冷却的新风，在芯体内对室内回风进行冷却，冷却后的室内空气再次被送到机房内，冷却机房设备。

（6）间接蒸发＋机械制冷（混合制冷）。当间接蒸发冷冷量不足时，压缩机系统或者冷冻水系统启动，共同冷却机房设备。

（7）机械制冷。采用压缩机制冷系统，直接冷却室内回风空气，被冷却后的气体回到机房冷却机房设备。

其中新风直接冷、新回风混合冷、新风直接蒸发不涉及室内风和室外风的传热交换，机械制冷为最常见的冷却方式，已经研究多年，所以对于这4种制冷方式本文不进行赘述。

2 试验及结果分析

大型数据中心内的热负荷主要来源于运行设备的散热，受外界影响较小，对制冷系统的制冷能力需求基本恒定[8]。本试验模拟一个热负荷为150 kW的数据中心，用在一种可变风道自然冷源-压缩机机房空调进行制冷。试验在焓差试验室进行测试，试验方法依据GB/T 19413—2010《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》[7]。可变风道内安装有高效换热芯体，如图2所示，芯体采用喷淋装置采用雾化喷淋蒸发＋湿膜直接蒸发；提高喷淋效率，防止空空换热器腐蚀。本文就以下3种制冷方式进行了试验。

图2 高效换热芯体Fig.2 High-efficiency heat exchange core

2.1 新风间接冷

在该工况下，室内风和室外风通过换热芯体在空空换热器中进行热量交换，通过风道中的室外风机的变频调节，可以使得机组制冷量满足机房空调的热负荷。此时机组的耗电部件仅仅为内外2个风机及必要的控制电路，新风间接冷芯体换热如图3所示。

图3 新风间接冷芯体换热示意Fig.3 Heat transfer diagram of fresh air indirect cold core

在焓差试验室中模拟室内环境温度37 ℃，室外环境温度15 ℃，测试数据见表1。

表1 新风间接冷测试数据Tab.1 Test data of fresh air indirect cooling

通过以上数据可见，在室外环境温度15 ℃以下时，采用室外风和室内风在空空换热器中的传热就能满足机房空调的制冷需求。

2.2 间接蒸发冷

随着数据中心的大规模发展，对自然冷源的需求越来越大。同时国家对于西部城市的发展重视，越来越多的大规模机房在贵州等西部地区新建，该地区环境相对于沿海发达城市，湿度较低，所以提出了间接蒸发冷的冷源利用模式。该模式和新风间接冷类似，增加了喷淋装置，根据室外干球温度和相对湿度来控制，当室外的干球温度大于16 ℃，相对湿度＜85%开启喷淋水泵。同样的通过室外风量的调节，控制间接蒸发效率，使得机组制冷量和机房负荷相匹配。相比于新风间接冷，电能消耗仅增加了喷淋设备的耗电，间接蒸发冷芯体换热如图4所示。

图4 间接蒸发冷芯体换热示意Fig.4 Heat transfer diagram of indirect evaporation cold core

在焓差试验室中模拟室内环境温度37 ℃，室外环境温度25 ℃，相对湿度30%，测试数据见表2。

表2 间接蒸发冷测试数据Tab.2 Test data of indirect evaporative cooling

2.3 混合制冷

在间接蒸发冷开启后，换热量无法满足制冷需求后需要开启压缩机辅助制冷。在该工作状态下，通过间接蒸发冷进行冷却的室内风，被通入空调器的蒸发器模块进行进一步降温。室外回风也被通入空调器的冷凝器作为冷源，将热量带走。压缩机通过变频调节，使得该机组制冷量能够匹配机房负荷。

在焓差试验室中模拟室内环境温度37 ℃，室外环境温度25 ℃，相对湿度30%，测试数据见表3。

表3 混合制冷测试数据Tab.3 Mixed refrigeration test data

2.4 试验结果分析

对于本次试验机组，在室外环境温度35 ℃以下时，该机组能满足150 kW热负荷机房空调的制冷需求。在室外环境温度低于15 ℃时，仅通过新风间接冷就能满足需求，此时能效比能够达到8.41 kW/kW以上。当室外相对湿度为25%，在环境温度30%以下时，通过利用自然冷源，采用新风间接冷的冷却方式，可以在不开启压缩机的情况下，满足制冷需求。在室外环境温度继续升高时，机组依然能充分利用自然冷源，在自然冷源均得到充分利用后仍然不能满足制冷需求时，可以进一步采用压缩机辅助制冷，即使在此状况下机组的能效比依然能得到显著提升。

3 节能效果评价

3.1 全年节能率评价指标

为了量化本文提出的可变风道自然冷源-压缩机机房空调的节能效果，引入了节能率η和全年节能率ηs指标。

式中 Ec——未使用节能装置的空调系统运行时的耗电量，kW；

Ej——使用节能装置的空调系统运行时的耗电量，kW。

汇总上述试验数据，并对室外温度为-5，5 ℃补充进行了新风间接冷和压缩机制冷测试并进行节能率计算，结果见表4。

表4 试验结果和节能率计算结果Tab.4 Test results and calculation results of energy saving rate

因为机房空调为一种全年运行的机组，所以进一步提出全年节能率，计算式如下：

式中 Ta，Tb，Tc，Td和 Te分别为温度分布系数，是当地室外干球温度在所设区间的小时数占全年小时数的百分比。各地温度分布系数的具体值参照GB/T 19413—2010《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》附录B[6]。

选取4个典型城市，北京、贵阳、广州和成都，其全年温度分布系数见表5。

表5 典型城市的温度分布系数Tab.5 Temperature distribution coefficients of typical cities

将表4中5个工况下的节能率和表5中的温度分布系数代入式（2），得出典型城市的全年节能率见表6。

表6 典型城市全年节能率Tab.6 Annual energy saving rates of typical cities

可见，可变风道自然冷源-压缩机机房在国内主要城市使用均能达到显著的节能效果。但是对于全年平均湿度较高的城市例如广州，由于广州的全年平均湿度较高，使得机组运行蒸发效率无法达到间接蒸发冷试验时的效率，此时的实际节能率和计算节能率会存在较大偏差。对此笔者设定广州不能进行间接蒸发冷运行，在室外环境温度25 ℃以上时，该空调不进行节能运行，计算出广州的最低全年节能率为18.6%，在表中用括号标出。由此可见，即使在环境温度湿度较高的城市，机组不进行间接蒸发冷运行，该机组依然能够起到节能作用。

3.2 不同机房空调节能率对比

相较于目前已有的节能型机房空调[9]（压缩机-氟泵双循环机房空调、压缩机-热管机房空调），结合本单位多年对这两类机房空调的试验数据，从节能率的角度对其进行评价。图5示出了3类机房空调节能率的对比。

图5 3类机房空调节能率的对比Fig.5 Comparison of energy saving rates of 3 kinds of air conditioners for compressor room

对比发现，由于喷淋系统的配置，使得本文提出的可变风道自然冷源-压缩机机房空调在全年各个运行温度下都能起到显著的节能效果。而压缩机-氟泵双循环机房空调、压缩机-热管机房空调在室外环境温度为35 ℃时均不能起到节能作用。相比于压缩机-氟泵双循环机房空调，可变风道自然冷源-压缩机机房空调没有氟泵这一运动部件，可靠性更高，同时喷淋系统的更换维修也比氟泵的更换维修更加简单便捷。而对比压缩机-热管机房空调，该机房空调对安装的要求并不苛刻，适合各种形式的数据中心使用，能更贴合目前数据中心大型化发展的需要。

4 结论

（1）可变风道自然冷源-压缩机机房空调在国内主要城市都具有显著的节能效果，节能率高达50%。

（2）可变风道自然冷源-压缩机机房空调相比于压缩机-氟泵双循环机房空调可靠性更高维修更方便。

（3）可变风道自然冷源-压缩机机房空调相比于压缩机-热管机房空调应用范围更广。