间接蒸发冷板式换热器性能研究

林勇军，张学伟，崔梓华，陈华

（广东申菱环境系统股份有限公司，佛山，528000）

随着数据中心规模的增长，数据中心发热密度大，机房冷却设备的功率也逐步提升。伦斯伯克利国家实验室统计了十个标准数据中心的电力分布情况，其中服务器的能耗约占46 %，冷却系统的能耗高达31 %［1］。如何在保持IT设备正常运行的情况下，降低机房能耗成为人们关注的焦点问题。

为了降低数据中心制冷设备的能耗，间接蒸发冷却技术得到广泛的应用。间接蒸发冷技术利用直接蒸发冷却后的空气（称为二次空气）或水， 通过换热器与室外空气进行热交换，实现冷却（如图1所示），能够有效利用自然冷源，降低制冷设备能耗。Pescod［2-3］在19世纪70年代率先提出一种横向交叉流板式换热器和一种小圆柱的塑料板片作为间接蒸发冷换热元件，开发了间接蒸发冷却装置。WANG等［4］通过实验研究不同材料润湿性对间接蒸发冷却元件性能的影响；丁良士等［5］研制出一种弧形表面带凸起的间接蒸发冷却新风机组；Chan［6］研究了间接蒸发冷换热器板间距和凸起密度对板换性能的影响。

图1 间接蒸发冷板式换热器

目前数据中心的冷却方式主要采用间接蒸发冷却与机械制冷相结合的空调机组，而间接蒸发冷换热器作为该机组的核心部件，其性能直接影响这个机组的制冷能力。本文针对常用的板式间接蒸发冷换热器进行实验，主要探究不同进风工况和不同换热芯材料对间接板式换热器性能的影响。

1 间接蒸发冷换热分析

数据中心的间接蒸发冷板式换热器分为两个不同的通道。一次风通道为数据中心机房回风，需要经过板式换热器和机械制冷蒸发器降温后送入数据中心；二次风通道为室外新风和喷淋水通道。两个通道呈现交叉流的状态。

利用间接蒸发冷板式换热器处理对空气进行预冷，其冷却效率可以用一次空气的进出口干球温度之差与一次空气干球温度和二次空气的湿球温度之差的比值来表示：

式中：tpi为 一次风通道空气入口温度；tp0为一次风通道空气出口温度；tsi,wb为二次风通道空气入口湿球温度。

室外空气的温湿球温度对间接蒸发冷的一次风送风干球温度具有较大影响。在室外空气湿球温度不变的情况下，间接蒸发冷却送风干球温度随着室外空气干球温度升高而升高。同时，若室外空气湿度温度越低，则二次风侧的蒸发冷却效果越好，一次风和二次风之间的温差越大，板式间接蒸发冷换热器的换热效果越好。

2 实验装置及方法

2.1 换热芯体

间接蒸发冷换热器为平行板式换热器，换热器尺寸为1000 mm×1000 mm×1000 mm，隔板之间的间距为15 mm，隔板四周有钣金件粘胶将两个不同的通道隔开，隔板的厚度为0.3 mm，每个面有32个通道，整个换热器的具体结构如图2所示。目前市场上的间接蒸发冷板式换热器的换热芯体主要有两种材质，一种为铝箔（表面涂环氧树脂），一种为高分子材料。因此本文中主要针对该尺寸不同材质的间接蒸发冷换热器性能进行测试。

图2 两种不同材料的间接蒸发冷板式换热器（左侧为铝箔芯体，右侧为高分子芯体）

2.2 间接蒸发冷换热器实验测试系统

间接蒸发冷换热器实验测试系统主要由机房回风模拟处理系统、室外新风模拟处理系统、风管、板式换热器、喷淋装置、均流板组成；机房回风模拟处理系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、风机、风速测试仪、温湿度传感器、加热器组成；室外新风模拟处理系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、风机、风速测试仪、温湿度传感器、加热器、加湿器组成。整套系统原理如图3所示。

图3 间接蒸发冷换热器实验测试系统原理

一次风道的空气经过机房回风模拟处理系统后，根据实验需求输出对应工况的一次风，经均流板后，进入板式换热器中，经过板式换热器后的一次风再返回机房回风模拟系统进行处理重新输出；机房回风系统中的制冷系统、加热系统和送风系统能够对一次风的送风温度和风量进行控制，保证实验需求。该系统中有温湿度传感器和风速仪，能够对一次风的送风工况和回风工况进行检测。

二次风通道的室外新风模拟处理系统主要对室外新风进行处理，利用系统中的制冷系统、加热系统、加湿系统、送风系统将室外新风处理到实验所需工况；二次风经过板式换热器和喷淋装置后直接排到室外。该系统中有温湿度传感器和风速仪，能够对二次风的送风工况进行检测，二次风通道出口设置有温湿度传感器检测二次风排风温湿度。

整套系统如图4所示；

图4 间接蒸发冷换热器实验测试系统

2.3 实验测试及方法

2.3.1 参数测量

一次风和二次风通道需要测量的参数为一次空气和二次空气的温湿度、送风速度、通过换热器的前后压差以及通过换热器后回风的温湿度。每个通道的温湿度探头一共有8个，在送风经过板式换热器前后均匀布置4个温湿度探头，温湿度的测量值为4个温湿度探头测量平均值，每个温湿度探头的温度精确度为0.1 ℃，相对湿度的精度为 3 %。每个通道有4个风速仪，经过校正，每个风速仪误差控制在5 %以内；压差测试仪的误差控制在1 %以内。

2.3.2 实验方法

实验开始前，校正所有设备仪器参数。确定实验工况后，开启喷淋水装置，开启室外新风模拟处理系统和风机，将二次风空气参数调整到对应实验工况；由于室外工况为35 ℃，根据需求可以开启制冷系统对室外新风进行降温、开启加热器对空气进行加热、开启加湿器对空气进行加湿，达到二次风实验工况的需求。调整好二次风通道的工况后，开启一次风通道的机房回风模拟处理系统和风机，将一次风空气参数调整到对应的实验工况。此时一二次风通道已经开始换热，对机房回风制冷系统进行设定，根据实验需求稳定输出所需要的空气工况，机房回风制冷系统会根据经过板换后的空气温湿度，进行处理，输出指定的空气工况。最终利用电脑自动进行数据采集，待系统稳定运行30分钟后，开始记录测试数据。

整套系统能够调整一次风和二次风的送风温湿度、送风风量，只需要在系统内设定对应的送风工况，系统即可实现自我调节，输出实验所需的空气工况。

2.3.3 实验误差分析

根据实验仪器的测量精度，可以得到温度、风速、温度等直接测量参数的最大误差，同时利用误差传递公式，可以得到换热效率的最大误差，根据文献［7］中误差传递理论：

通过对得到的实验数据分析，得到换热效率的相对误差低于6 %。

3 实验结果与数据分析

本实验主要针对影响板式间接蒸发冷换热器性能的几个因素进行，例如一次风和二次风的空气流速、一次风和二次风的风量比、一次风和二次风的入口温度、板式换热器芯体材料进行研究分析。两种不同材料的换热芯体除了材料区别之外，其余尺寸均一致。

3.1 空气流速的影响

测量工况：一次风通道的送风温度稳定为35 ℃，二次风通道的送风温度为18 ℃，相对湿度45 %。测试时分为两种工况，一种干工况测试，一种为湿工况测试（喷淋水量为1.5 m3/h）。二次风通道的风速为4 m/s，一次风通道的风速为1～4 m/s，换热器采用高分子材料板式换热芯体。

根据图5中实验数据表明，一次风通道的风速越高，板换效率越低。这主要是因为一次风通道的风速提高，该通道的空气与二次风道的空气换热时间短，换热过程进行得不充分，换热效率越低。

图5 一次风通道风速对板换换热效率的影响

测量工况：一次风通道的送风温度稳定为 35 ℃，二次风通道的送风温度为18 ℃，相对湿度45 %。测试时分为两种工况，一种干工况测试，一种为湿工况测试（喷淋水量为1.5 m3/h）。一次风通道的风速为4 m/s，二次风通道的风速为 1～4 m/s，换热器采用高分子材料板式换热芯体。

根据图6中实验数据表明，随着二次风通道风速的提高，板式换热芯体的换热效率越高。这主要是因为随着二次风通道空气流速提高，二次风通道侧的对流换热系数提高，一次风通道的空气出口温度降低，冷却效果提升，因此间接蒸发冷板式换热器的效率提升。

图6 二次风通道风速对板换换热效率的影响

3.2 空气进口温度的影响

测量工况：一次风通道的送风温度变化范围25 ℃～35 ℃，二次风通道的送风温度为18 ℃，干工况测试。一次风通道的风速为2 m/s，二次风通道的风速为4 m/s，换热器采用高分子材料板式换热芯体。

从图7中可以看出，随着一次风通道空气入口温度的提升，板换的效率提升。随着一次风通道入口空气温度提高，一次风通道和二次风通道的冷热流体温差增大，板换换热效率提升。

图7 一次风通道空气进口温度对板换换热效率的影响

测量工况：一次风通道的送风温度为35 ℃，二次风通道的送风温度为15 ℃～25 ℃，干工况测试。一次风通道的风速为2 m/s，二次风通道的风速为4 m/s，换热器采用高分子材料板式换热芯体。

从图8中可以看出，随着二次风通道空气入口温度的提升，板换的效率提升。随着二次风通道入口空气温度提高，一次风通道和二次风通道的冷热流体温差增大，板换换热效率提升。

图8 二次风通道空气进口温度对板换换热效率的影响

3.3 不同材料换热芯体对板换性能的影响

测量工况：一次风通道的送风温度为35 ℃，二次风通道的送风温度为18 ℃，干工况测试两种不同材料换热芯体的性能。一次风通道的风速的变化范围1～4 m/s，二次风通道的风速为4 m/s。实验中分别采用两种不同材料的板式换热芯体。

根据图9中的实验数据，在干工况下，相同的运行工况，换热芯体的材料对于板式换热器的性能影响较小。这主要是因为在间接蒸发冷换热过程中，该换热器主要的热阻是一次风的对流热阻和二次风的对流热阻，而换热芯体材料的热阻对整个换热器中的热阻占比极小。因此在干工况下，换热芯体的材料对板式换热器的换热效率影响很小。

图9 干工况下两种不同材料换热芯体换热效率的对比

测量工况：一次风通道的送风温度为35 ℃，二次风通道的送风温度为18 ℃，湿工况测试两种不同材料换热芯体的性能（喷淋水量为1.5 m3/h）。一次风通道的风速的变化范围2 m/s，二次风通道的风速为1～4 m/s实验中分别采用两种不同材料的板式换热芯体。

在湿工况下，铝箔式板式换热芯体的换热效率相比高分子材料板式换热芯体高20 %，如图10所示；这主要是由于铝箔式换热芯体的表面附着亲水涂层，喷淋水在铝箔隔板的表面更容易形成连续的水膜，换热效率更高；而高分子材料的换热芯体，隔板表面目前没有亲水涂层，导致润湿性较差；因此在湿工况下，相同的工况，高分子材料的板式换热芯体需要增大换热面积才能达到与铝箔换热芯体相同的换热量。

图10 湿工况下两种不同材料换热芯体换热效率的对比

4 结论

本文对目前间接蒸发冷常用的板式换热器展开实验，主要研究了板式换热器空气入口流速、入口温度和不同换热芯体材料对板换换热性能的影响。结果表明间接蒸发冷板式换热器的换热效率随着二次风风速的升高、一次风和二次风入口温度的升高而提升。

除此以外，本文还对不同材料的板式换热芯体的性能进行研究和对比，结果表明在干工况下，材料对于板式换热芯体的换热效率影响较小；在湿工况下，铝箔式板式换热芯体的换热效率要比高分子材料高20 %，这主要得益于铝箔式换热芯体较好的亲水性能。

本文从多个方面探究了影响间接蒸发冷换热器换热性能的主要因素，对于今后的换热器设计优化有着较大的指导意义。