数据中心间接蒸发冷却空调机组二/一次风量比

黄 翔,傅耀玮，寇 凡

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

随着“新基建”以及“东数西算”的提出和实施，数据中心的需求量和建设力度都有了爆炸式提高，相继带来的巨大能耗问题也受到广泛关注，建设绿色节能的数据中心已是形势所迫[1]。随着蒸发冷却技术的发展，其在数据中心中的应用也越来越广泛，蒸发冷却技术的优势在于节能环保，降温效果好，降低了机械制冷压缩机的开启时间，运行成本较低[2-4]。

研究发现，受诸多因素的影响，间接蒸发冷却设备的运行性能出现一定的变化，其中受室外空气气象参数和风量比的影响较大[5-7]。如果工作在最优的风量比下，则有助于改善换热效率，减少二次风机功耗，而且对于控制数据中心电源使用效率值(power usage effectiveness，PUE)具有积极作用。通常情况下，风量比与间接蒸发冷却器的效率成正比[8-10]。随着风量比的增大，蒸发效率会在某一风量比值下达到峰值，随后不再增大或略有降低，因此最佳风量比为一个区间[11-13]。不同机组因采用的芯体材料和应用场景不同，其最佳风量比区间也有所不同[14-17]，而同一机组在不同气候地区运行，其最佳的风量比区间也有所不同[18-20]。

针对最佳风量比区间的研究不仅可以减小二次风机导致的能量损耗，而且可以保证间接蒸发冷却器的效率。但目前的研究大多只是涉及到基本的应用形式[21-23]，即一、二次空气都采用室外新风。如果数据中心中采用间接蒸发冷却技术，需要利用室外的低温空气对来自机房内的高温回风进行冷却，因此在数据中心的应用场景下，间接蒸发冷却的一、二次空气分别采用室内回风和室外新风。目前，对数据中心两股空气来源不同情况下的风量比规律的研究较少，大多是面向夏季运行条件。对于数据中心用间接蒸发冷却器而言，则需要在各个季节保持正常的工作，从而满足对于数据中心温度等环境参数控制的要求，所以在研究风量比时必须将外部气候变化的影响考虑在内。为了使间接蒸发冷却设备在数据中心全年保持高效、节能的运行，本文对数据中心间接蒸发冷却空调机组进行二/一次风量比的分析。

1 测试内容及机组介绍

1.1 测试概况

测试对象为针对数据中心设计研发的间接蒸发冷却空调机组，测试样机结构示意图如图1所示。

图 1 测试样机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of test prototype structure

间接蒸发冷却空调机组实验在双焓差实验室内开展，实验室划分为室内、室外环境间2部分。二者用于模拟不同的工况，其中室外环境间可对不同地区不同季节的天气情况进行模拟，室内环境间可以模拟数据中心机房工况，实验室整体隔热效果良好，对机组性能测试结果基本无影响，能够保证研究结果的可靠性。

测试时间为2021年6月18日—7月1日。设定数据中心一次侧回风干/湿球温度为38 ℃/21 ℃，二次侧空气状态参数结合具体的项目进行设置。

测试信息：①干工况下二/一次空气的最佳风量比；②湿工况下二/一次空气的最佳风量比；③不同风量比下机组温降、机组整体换热效率；④不同气候地区相同运行模式下二/一次空气的最佳风量比。

1.2 机组运行原理

机组各功能段由整体外壳包裹，由间接蒸发冷却段、蒸发冷凝段、直膨段等主要功能段组成。在间接蒸发冷却和机械制冷结合的空调机组基础上将传统风冷式冷凝器改为蒸发式冷凝器。其中在空气侧数据中心回风通过间接蒸发冷却换热器(干通道)。室外空气通过间接蒸发冷却换热器(湿通道)。在冷凝侧采用蒸发式冷凝器，室外空气经过蒸发式冷凝器，基于空气、喷淋水实现蒸发冷却，然后对盘管中的制冷剂降温，通过水的气化潜热实现散热。

机组以蒸发冷却为主，机械制冷辅助供冷，将间接蒸发冷却、蒸发冷凝、机械制冷等3种技术紧密结合，根据不同工况，3种技术切换配合运行。同时，间接段在运行时有干模式、湿模式和混合模式等3种运行模式。基于室外新风温湿度采用的模式，在温湿度检测中需要利用温湿度检测装置，置于二次空气进风口位置，根据检测结果设置对应的模式。

2 测试结果与讨论

为了探究高效性与节能性的最佳风量比值，在测试中，设置间接蒸发冷却器的风量比，在机组运行达到稳定工况之后对各个口的温度进行监测，记录测量的结果。然后进行统计分析，对间接蒸发冷却器出风温度、热交换效率与风量比之间的关系做进一步研究。

2.1 干工况最佳风量比

在焓差实验室内进行模拟时，设置一次侧回风干/湿球温度为38 ℃/21 ℃，机组在干模式运行时，二次侧室外空气干/湿球温度设置为16 ℃/11 ℃。然后对风量进行设置，通过逐步提高二次风量，每次增幅保持在500 m3/h上下，而一次侧回风量设为3 500 m3/h，且保持不变，使得二/一次风量比处于0.96～2.42之间。干模式下不同二/一次风量比蒸发效率的关系如图2所示。

图 2 干模式下风量比与蒸发效率的关系Fig.2 Relationship between air volume ratio and evaporation efficiency in dry mode

从图2可以看出，在一定范围内蒸发效率随着风量比的变化而改变。当二/一次风量比达到水平之后继续增大，即风量比高于2.1时，蒸发效率并不会继续提高；另外，在确定最佳风量比时还需要考虑到风机功耗等问题，而不只是参考蒸发效率，因此风量比并非越高越好。

结合图2数据分析可知，风量比达到2.1左右时，蒸发效率达到最高，即69.78%。此后继续提高风量比，蒸发效率基本稳定不再提高，但是提高了二次风机功耗。干模式下不同二/一次风量比与送风温度如图3所示。

图 3 干模式下风量比与送风温度的关系Fig.3 Relationship between air volume ratio and supply air temperature in dry mode

从图3可以看出，风量比提高时一次出风温度基本固定在19.16 ℃左右，虽然略有波动，但是幅度总体较小。因此在干工况下， 最优风量比为2.1，此时可以同时满足蒸发效率的要求。

2.2 湿工况最佳风量比

针对湿工况最佳风量比进行模拟和测试。设置一次侧回风干/湿球温度为38 ℃/21 ℃；二次侧室外空气干/湿球温度有2种工况：第一种工况为与干模式测试时相同的16 ℃/11 ℃，而间接蒸发冷却通常在中高湿度地区需要开启喷淋布水，因此湿模式测试的第二种工况设置温度为33.6 ℃/26.3 ℃，机组采用连续不间断的布水方式。

1) 二次侧干湿球温度16 ℃/11 ℃。在测试过程中设置二次风量逐步增大，增幅约500 m3/h，一次侧回风量始终不变，即3 500 m3/h。风量比处于0.9～2.42之间。湿模式下随着二/一次风量比的提高蒸发效率、送风温度结果如图4～5所示。

图 4 湿模式下风量比与蒸发效率的关系Fig.4 Relationship between air volume ratio and evaporation efficiency in wet mode

图 5 湿模式下风量比与送风温度的关系Fig.5 The relationship between air volume ratio and supply air temperature in wet mode

从图4～5可以看出，在焓差实验室中一次侧进口空气参数稳定的情况下，随着二/一次风量比的逐渐增大，一次空气送风温度持续减小，蒸发效率也呈明显的变化趋势。随着风量比的增大，二次风量越大，将会带走更多的热量，所以和一次空气的换热量同样保持了增长的趋势。在一定范围内，蒸发效率和一次空气送风温度之间呈负相关，但是蒸发效率在达到73.5%时基本不再提高，因此在该工况下，湿模式运行的最佳风量比为1.9。对应的送风温度保持在18.15 ℃上下。在风量比持续提高的情况下，一次空气出风温度始终保持在18.15 ℃上下，尽管存在一定的波动变化，但是总体幅度较小。

在相同工况下，对干模式与湿模式的测试结果进行对比，不同二/一次风量比在相同工况下干、湿模式蒸发效率、温降对比结果如图6～7所示。

图 6 风量比在不同模式下的蒸发效率对比Fig.6 Evaporation efficiency comparison of air volume ratio in different modes

图 7 风量比在不同模式下的温降对比Fig.7 Comparison of temperature drop of air volume ratio under different modes

从图6～7可以看出，相同的二次侧工况运行时，湿模式下间接蒸发冷却设备的最佳风量比小于干模式。发现2种模式下换热的驱动力不同，干模式是一、二次空气干球温差，湿模式是一次干球、二次湿球温差，所以在二次空气流量一致时，通过湿模式使得一次空气可以达到更小的温度。在2种模式下需要将一次空气保持在特定温度点时所要求的二次风量也明显不同，相对于干模式，湿模式要求的二次风量更低。

2) 二次侧干湿球温度33.6 ℃/26.3 ℃。在测试过程中设置二次风量逐步增大，增幅约500 m3/h，一次侧回风量始终不变，即3 500 m3/h。风量比处于0.88～2.31之间。中湿度地区不同二/一次风量比与蒸发效率和送风温度测试结果如图8所示。

图 8 中湿度地区风量比与蒸发效率和 送风温度的关系Fig.8 The relationship between air volume ratio and evaporation efficiency and supply air temperature in medium humidity area

从图8可以看出，对于湿模式而言，当二次侧空气参数模拟中湿度地区的气象参数时，数据所反映的蒸发效率与在干燥地区测试的数据对比明显偏低，且此时最佳风量比值也比干燥地区测试所得的最佳风量比数值大；当湿模式的最佳风量比为2时，蒸发效率为56.76%,送风温度达到22.67 ℃。因为在中等湿度地区，室外侧二次空气的湿球温度相较于干燥地区有明显提高，此时一次空气干球温度与二次空气的湿球温度之差缩小，因此机组在中等湿度地区运行时的蒸发效率比在干燥地区运行的蒸发效率明显降低；同时由于蒸发效率的降低，处理相同风量的一次空气需要更多的二次空气，所以同为在湿模式下运行，但在中等湿度地区运行的最佳二/一次风量比的数值偏大。

3 结 论

1) 在相同室外工况下运行时，湿模式的最佳风量比小于干模式。在二次空气流量保持固定时，湿模式使一次空气的温度更小，对一次空气处理到特定的温度点，湿模式的二次风量更低。

2) 对于干燥工况而言，干模式和湿模式的最佳风量比分别为2.1和1.9，对应蒸发冷却效率分别为69.78%和73.5%，在最佳风量比下对应的温降分别达到19.16 ℃和18.15 ℃。

3) 在中湿度地区工况下，湿模式的最佳风量比为2，在此风量比下蒸发效率为56.76%，送风温度达到22.67 ℃。