不同运行模式下间接蒸发冷却空调的能耗分析

武茁苗，黄 翔，史东旭，陈红卫

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048；2.欧伏电气股份有限公司 环控研发部，河北 三河 065201)

0 引 言

近年来，数据中心总耗电量已占到全社会总用电量的2%, 其中空调系统占据了数据中心近40% 的耗能[1]，因此在空调领域节能减排潜力巨大。随着“双碳”目标的提出，绿色低碳已成为各界共识，在此大背景下，间接蒸发冷却空调技术以其高节能率和高适用性，逐渐成为绿色数据中心主流的冷却方式之一[2]。随着间接蒸发冷却技术在国内外几大数据中心的示范应用[3],能耗问题已成为间接蒸发冷却空调的核心问题之一[4]。对于其耗能部件风机、水泵以及压缩机，在不同室外气象参数条件下，各个设备的开启情况不同，不同的运行模式时长决定了数据中心间接蒸发冷却空调系统能耗的高低。因此在不同气候特征下，分析空调系统在不同运行模式下的能耗尤为重要。

文献[5]中通过能耗模拟平台，分析墨西卡利干旱地区蒸发冷却空调，得出该地区在6—9月的开始和结尾运行蒸发冷却空调，可以使室内达到较舒适的状态，但在6—9月中间段由于室外空气湿度大，蒸发冷却空调不能使室内有较舒适的状态。BRUNK模拟计算了6种不同形式的空调系统应用同一区域的能耗状况，得出采用蒸发冷却技术的空调系统具有明显的节能效果[6]。崔华玉等基于逐时气象参数，分析自然冷源、蒸发冷却和蒸汽压缩制冷等3种制冷方式的不同组合在机房空调应用中的能耗状况，对比在不同气候分区典型城市气象条件下，不同技术方案的全年运行能耗，节能效果以及能效影响因素[7]。曾丽萍等以某数据中心为模拟仿真对象，利用能耗模拟软件对数据中心3种不同运行模式的能耗进行仿真模拟，利用湖水进行自然冷却的数据中心能源利用效率为1.23[8]。金洋帆等通过对新疆某医院采用空气-水蒸发冷却空调系统和干燥地区某机场配餐中心采用全空气蒸发冷却空调系统的室内温湿度及整体耗电量实测数据对比分析，评价蒸发冷却空调系统的运行效果及能耗[9]。

目前针对数据中心间接蒸发冷却空调不同运行模式能耗分析较少，本文测试了不同运行模式下，风机、水泵、压缩机的功率，并探究不同室外干、湿球温度空气参数对空调能耗的影响规律。同时，利用能耗模拟软件对乌鲁木齐市(干燥地区)、北京市(中湿度地区)以及广州市(高湿度地区)进行适用性、耗电量与节电率分析。

1 运行方案及能耗计算

1.1 干模式

图 1 干模式下空气处理焓湿图Fig.1 Air treatment enthalpy wet diagram in dry mode

一次空气进风N1(数据中心回风)在间接蒸发冷却换热芯体里与二次空气进风W1(室外冷空气)进行显热交换，一次空气被等湿冷却至状态点N2，之后送入IT设备进行散热，而二次空气得到一次空气的热量后等湿升温至状态点W2。

1.2 湿模式

湿模式适用于春秋过渡季节运行，工作时长视空气的相对湿度而定，湿模式运行时，空调系统风机开启、循环水泵开启、压缩机关闭。其空气处理过程焓湿图如图2所示。

图 2 湿模式下空气处理焓湿图Fig.2 Air treatment enthalpy wet diagram in wet mode

从图2可以看出，二次空气进风W1经过湿膜进行绝热加湿冷却后，温度逼近室外空气的湿球温度W2，之后在间接蒸发冷却换热芯体处与一次空气进风N1进行显热交换，等湿升温至状态点W3，而一次空气被等湿冷却至状态点N2，送入IT设备进行散热。

1.3 混合模式

混合模式下主要用于夏季高负荷时段。混合模式运行时，空调系统风机开启、循环水泵开启、压缩机开启。其空气处理过程焓湿图如图3所示。

图 3 混合模式下空气处理焓湿图Fig.3 Air treatment enthalpy moisture diagram in mixed mode

从图3可以看出，二次空气进风W1经过湿膜进行绝热加湿冷却后，温度逼近室外空气的湿球温度W2，之后在间接蒸发冷却换热芯体处与一次空气进行显热交换，等湿升温至W3，而被等湿冷却后的一次空气N2温度还未达到数据中心送风要求，此时开启DX(direct expansion)机械补冷系统，对冷却后的一次空气再一次减湿冷却至状态点N3，此时满足数据中心送风要求的一次空气送入IT设备进行散热。

1.4 能耗计算

风机作为间接蒸发冷却空调输配侧能耗占比最大的部件，在干模式、湿模式以及混合模式下均需要工作运行，风机的消耗功率(P1)计算公式[11-12]为

我认为，在目前的发展阶段，部分产业谈共享经济也许是过早的。但我并不认为有些产业注定没有办法走网络协同的道路，很可能未来它们会在一个更大的网络协同或者说是协同网络中去发展。像租车，本身并不适合共享经济，但是智能交通可能会出现一个巨大的网络协同平台，而租车只是其中的一个服务。所以，共享平台或者说共享经济、网络协同也许能在一个更大的产业范围内实现。这就需要更长时间的积累。

(1)

(2)

式中：PS为送风机的全压，kPa；ηs为送风机的全压效率;G为新风量，m3/h;QX为室内显热负荷，kW；Cp为空气定压比热容，kJ/(kg·k)；ρ为空气密度，kg/m3；tN为室内干球温度，K；tL为送风温度，K；1.1为富裕系数。

水泵也是间接蒸发冷却空调输配侧的主要耗能部件之一，在干模式下水泵停止运行，在湿模式以及混合模式下均需要工作运行，水泵消耗功率(P2)计算公式[13]为

P2=γQH/(102η)

(3)

式中：Q为水泵的流量，m3/s；H为水泵的扬程，m；η为水泵的效率；γ为水的容重，取10 kN/m3。

压缩机作为空调系统DX补冷装置中的主要耗能部件，在干模式、湿模式下均停止运行，仅在混合模式下工作运行，可以使整个空调系统全年压缩机运行小时数占比减少，从而大幅度降低数据中心空调能耗。压缩机消耗功率(P3)计算公式[14]为

(4)

式中：VP为压缩机理论排气量，m3/h；λ为压缩机输气系数；h2为压缩机入口蒸汽比焓，kJ/kg；h1为压缩机出口蒸汽比焓，kJ/kg；v为压缩机进口处过热气体比容，m3/kg。

数据中心间接蒸发冷却空调系统主要能耗来自间接蒸发冷却空调机组，而间接蒸发冷却空调主要耗能部件为一、二次侧EC风机、循环水泵以及变容量压缩机。因此，空调机组耗电量是供冷期内上述耗电部件耗电量之和，空调系统总耗电量(W)为

W=∑PiTi

(5)

式中:Pi为各个耗电部件的实时功率，kW；Ti为各设备的运行时间，h。

2 测试平台

2.1 空调机组

测试平台为廊坊市某数据中心用间接蒸发冷却空调机组，空调机组流程及原理图如图4所示。图4中，空调机组总制冷量为220 kW(DX补冷120 kW)，设计送/回风温度：25 ℃/37 ℃，机组尺寸6 000 mm×2 825 mm×5 150 mm。该空调系统采用远程数据实时监控展示系统，每隔10 s记录1次干、湿通道内各个测点的空气参数以及耗能部件的实时功率。

图 4 空调机组流程及原理图Fig.4 Flow and schematic diagram of the air conditioning unit

2.2 耗电设备控制流程

间接蒸发冷却空调耗电设备控制流程如图5所示。

图 5 空调耗电设备控制流程图Fig.5 Flow chart of air conditioning power consumption equipment control

在该系统控制逻辑下，一旦确定了室外空气气象参数，空调系统干模式、湿模式以及混合模式各自运行时长占比是一定的[15]，因此可以根据不同运行模式下耗电设备的启停情况计算出该空调系统某一时刻的总功率以及能效(COP)，进而进行能耗分析。

3 测试分析及平台优化

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》和T/DZJN 10—2020《数据中心蒸发冷却空调技术规范》[16-17]规定的数据中心机房送风温度在18.0～27.0 ℃之间，回风温度在35.0～38.0 ℃之间，通过改变二次空气侧进风参数使一次空气侧空气参数保持在规范要求的范围内，且干模式、湿模式以及混和模式一次空气循环侧空气参数均保持一致。由于该空调系统总制冷量为220.0 kW，在一次空气侧送、回风温度不变前提下，得出一次风量恒定在56 000 m3/h左右，一次空气循环侧参数见表1。因此无论哪种运行模式，一次风机功率均保持恒定，其大小在23.0 kW左右。同时湿模式、混合模式下需要开启循环水泵，该空调系统采用的是定频水泵，其输出功率为0.25 kW。本次实验测试分析是在满足数据中心送、回风要求前提下进行间接蒸发冷却空调不同运行模式能耗分析。

表1 一次空气循环侧参数Tab.1 Side parameters of primary air circulation

3.1 干模式

干模式测试环境下，当干球温度从11.0 ℃上升到17.0 ℃时，湿球温度均保持在9.0 ℃左右；湿球温度从8.0 ℃上升到14.0 ℃时，干球温度均保持在15.6 ℃左右。干模式下干、湿球温度对空调能耗的影响如图6所示。

(a) 干球温度 (b) 湿球温度图 6 干模式下干、湿球温度对空调能耗的影响Fig.6 Effect of dry and wet bulb temperatures on air conditioner power consumption in dry mode

从图6(a)可以看出，随着干球温度的上升，二次风机功率与总功率均有所上升，空调COP明显降低。二次风机功率为8.9～33.6 kW、总功率为32.1～57.1 kW，空调COP在3.9～7.0之间，干球温度的上升对空调系统的总功率与COP影响较大。从图6(b)可以看出，随着湿球温度的上升，二次风机功率为20.0～20.6 kW之间、总功率为43.1～44.4 kW，空调COP在4.9～5.1之间。湿球温度的上升对于空调系统的总功率与COP几乎没有影响。同时，当干球温度大于16.0 ℃时，空调系统的总功率增大，干模式已经不能适用，应开启湿模式。

3.2 湿模式

湿模式测试环境下，当干球温度从20.0 ℃上升到26.0 ℃时，湿球温度均保持在15.6 ℃左右；湿球温度从11.0 ℃上升到17.0 ℃时，干球温度均保持在20.9 ℃左右。湿模式下干、湿球温度对空调能耗的影响如图7所示。

(a) 干球温度 (b) 湿球温度图 7 湿模式下干、湿球温度对空调能耗影响Fig.7 Effect of dry and wet bulb temperatures on air conditioner power consumption in wet mode

从图7(a)可以看出，随着干球温度的上升，二次风机功率为19.9～22.2 kW，总功率为43.1～46.5 kW，空调COP在4.7～5.1之间。从图7(b)可以看出，随着湿球温度的上升，二次风机功率为8.9～22.2 kW，总功率为33.3～46.3 kW，空调COP在4.7～7.2之间。随着干、湿球温度的上升，空调总功率均上升，COP均有所下降，但是湿球温度的变化对空调系统的总功率与COP的影响大于干球温度的变化。

3.3 混合模式

在混合模式下变容量压缩机也开始工作进行DX补冷，各个耗电设备均开始工作。在混合模式测试环境下，当干球温度从30.0 ℃上升到36.0 ℃时，湿球温度均保持在21.0 ℃左右；湿球温度从18.0 ℃上升到24.0 ℃时，干球温度均保持在30.0 ℃左右。混合模式下干、湿球温度对空调能耗影响如图8所示。

(a) 干球温度

(b) 湿球温度对空调能耗影响图 8 混合模式下干、湿球温度对空调能耗影响Fig.8 Effect of dry and wet bulb temperatures on air conditioner power consumption in mixed mode

从图8(a)可以看出，随着干球温度的上升，压缩机功率为12.8～16.4 kW、总功率为60.2～63.2 kW、空调COP在3.5～3.7之间。从图8(b)可以看出，随着湿球温度的上升，压缩机功率为2.1～20.4 kW、总功率为48.4～68.1 kW，空调COP在3.2～4.6之间。此时在2种因素改变条件下，一、二次风机功率均已达到最大值23 kW。随着干、湿球温度的上升，空调总功率都会上升，COP均有所下降。与湿模式相同的是，湿球温度的变化对于空调系统的总功率与COP的影响大于干球温度的变化。

不同模式下干、湿球温度对空调系统COP的影响差异：干模式下，整个空调系统的换热过程只有换热芯体处的显热交换，因此空气的湿球温度(相对湿度)的大小对其无影响。而在湿模式和混合模式下，在湿膜段工作中，整个空调系统发生的换热过程不仅有换热芯体处的显热交换，还有湿膜段的潜热交换，因此湿球温度的大小对其影响较大，决定机组能耗的高低。

通过3种运行模式的测试结果，可以得出间接蒸发冷却空调机组水泵运行的功率都很小，其主要差别在于风机、压缩机的能耗。而不同地区因其气候条件的不同，各个模式下耗电差距较大。

3.4 适用性、耗电量与节电率

间接蒸发冷却空调作为气象空调，其性能参数受室外空气的干球温度和湿球温度的影响较为严重[18-20]，因此，室外气象参数对数据中心间接蒸发冷却空调的耗电量影响较大。本次实验对象选取我国乌鲁木齐、北京以及广州3个城市为代表，3个典型城市的气候特征见表2。

表2 3个典型城市的气候特征 Tab.2 Climatic characteristics of three typical cities

采用TRNSYS能耗模拟软件分别搭建数据中心间接蒸发冷却系统的仿真测试平台，模拟仿真干模式、湿模式、混合模式[21]，再结合3个城市全年8 760 h的逐时室外气象参数以及图5测试平台3种运行模式的切换条件，分析各个城市不同运行模式的运行时长占比以及年累计耗电量[22]。同时与数据中心传统风冷直膨空调(制冷量220 kw)的耗电量进行对比，得出间接蒸发冷却空调的节电率，典型城市适用性、耗电量与节电率如图9所示。

(a) 乌鲁木齐市(干燥地区)

(b) 北京市(中湿度地区)

(c) 广州市(高湿度地区)图 9 典型城市适用性、耗电量与节电率Fig.9 Applicability, power consumption and power saving rate of the typical cities

从图9可以看出，由于北京、乌鲁木齐、广州各城市全年室外空气状态不同，新风自然冷却(干模式)、间接蒸发冷却(湿模式)、DX机械制冷补冷(混合模式)各自运行时长占比以及年累计耗电量也不同。乌鲁木齐市干、湿、混合模式运行时长占比分别为64%、31%、5%；年累计耗电量分别为175 709、98 633、22 320 kW·h；节电率分别为57%、50%、37%，年累计节电量为345 738 kW·h。北京市运行时长占比分别为57%、17%、26%；年累计耗电量分别为159 656、63 065、134 387 kW·h；节电率分别为56%、42%、20%，年累计节电量为285 292 kW·h。广州市运行时长占比分别为21%、15%、64%；年累计耗电量分别为86 172、66 106、337 891 kW·h；节电率分别为36%、31%、18%，年累计节电量为152 231 kW·h。当数据中心采用新风自然冷却以及间接蒸发冷却为冷源时较为节能。这是由于干燥空气可以容纳较多水汽，而水蒸发成气体会吸收热量，因此干空气在由干变潮的过程中，为空调提供所需要的能量。故干燥地区数据中心年耗电量最低，中等湿度地区数据中心年耗电量次之，高湿度地区数据中心年耗电量最高。

3.5 平台优化建议

1) 间接蒸发冷却空调又称气象空调，其制冷量受室外环境的影响因素较大。因此，应该根据室外环境参数的变化调节空调系统运行策略，优化空调机组各个耗能部件启停的自动控制系统，降低空调能耗。

2) 空调系统循环水泵相较于二次风机功率很低，应加大湿模式的使用范围，部分干模式应该由湿模式代替运行。湿模式下使室外空气降至其湿球温度，在负荷一定前提下，可以最大限度地降低二次空气侧的新风量，降低二次风机能耗。

3) 布水周期是影响间接蒸发冷却器均匀布水的重要因素，合适的布水周期可以使湿膜表面形成水膜薄层，不仅提高了蒸发冷却效率，而且节水节电。因此，在湿模式以及混合模式下，对于制冷段的湿膜应进行间歇性布水，以减少水泵能耗。

4 结 论

1) 在设备侧，耗电部件风机、压缩机运行功率相较于水泵占比较大。在室外环境侧，干、湿球温度对于不同运行模式下空调机组COP的影响程度并不相同，无论哪种模式下，室外干、湿球温度的上升均会导致空调机组COP的下降。

2) 间接蒸发冷却空调应用于我国不同湿度地区的数据中心，均具有较好的节能性。干燥地区较中等湿度地区、高湿度地区总体节电率更高；同时，无论在哪个地区，干模式节电率最高、湿模式次之、混合模式最低。

3) 空调机组“干模式+湿模式”的全年运行时长占比越大，耗电量越低。