数据中心用板翅式间接蒸发冷却器二/一次风量比的试验研究

2022-07-20靳如意

流体机械 2022年6期

王颖，黄翔，寇凡，靳如意

（1.西安工程大学，西安 710048；2.西安市建筑设计研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

蒸发冷却技术是一项以“干空气能”为制冷驱动势，以水为制冷剂的节能、低碳、经济、健康的制冷空调技术［1］，间接蒸发冷却技术由于其等湿冷却的特性，受到广大研究学者的青睐。

DUAN 等［2-3］对间接蒸发冷却器二、一次空气进口空气流量、温度、湿度等参数进行试验测试，在不同条件下的测试结果表明，当进气速度从0.75 m/s 增加到2.83 m/s 时，由于空气和水膜换热时间的减少，其冷却效率逐渐降低。张鸿等［4］在同风量比的条件下，对板管式间接蒸发冷却器和复合式露点间接蒸发冷却器性能进行试验分析，在风量比1.1 时冷却器换热性能最佳，且后者换热效率要远高于前者。刘佳莉等［5］在干燥工况下对复合式露点间接蒸发冷却器性能进行测试，结果表明：进风量和淋水密度为换热器性能的主要影响因素，当该换热器风量比为0.7、淋水密度为0.4 m3/h 时，效率达到最高值。由玉文等［6］对高湿度地区间接蒸发冷却换热器能量回收效率进行研究，在多种工况下进行测试，得出风量比为1.1 时，温降可达11.8℃，湿球效率为65%，并根据测试结果建立间接蒸发冷却的运行分区模型。李晗刚等［7］采用调节新风与回风的风量来测试机组性能，试验结果发现：当分别调节回风量和新风量使风量比从0.8 递减到0.4 时，采用调节回风量的方式机组出风温度更低。LEE 等［8］控制总新风量不变的情况下，逐渐增大回风中的新风比例，分析对换热器性能的影响，试验表明回风中的新风与总风量的比值为0.3 时，机组的湿球效率达到峰值。Climate Wizard 型露点间接蒸发冷却器［9］，当出风温度接近传统机械制冷空调时，二次空气与一次空气的比值为0.8 左右。于凯等［10］针对兰州的室外气象条件，对管式间接蒸发冷却器二次空气风量比进行试验研究，在淋水密度保持不变时，风量比与间接蒸发冷却器的效率成正比，但超过峰值点0.7 时，将会额外增加设备的能耗。吴生等［11］分别在干燥地区、中等湿度地区对间接-直接两级蒸发冷却器空调机组进行性能测试，得出干燥地区风量比应取1.0，中等湿度地区由于干空气能稀薄，风量比应增大为2.0。褚俊杰等［12］在不同湿球温度条件下对逆流式露点间接蒸发冷却器进行试验研究，在风量比为1.1 时露点蒸发冷却器湿球效率为105%，当风量比增加到2 时，湿球效率增长20%左右。

但目前针对间接蒸发冷却器在数据中心的使用还未成熟，还存在诸多亟待解决的问题，如气流形式明显区别于民用间接蒸发冷却器，在各种环境工况下二/一次风量配比与换热效率的关系等问题。本文针对一种数据中心用板翅式间接蒸发冷却器，在多种工况条件下，测试分析了该冷却器干、湿运行工况下，其二/一次风量比对换热效率、温降幅度等参数的影响。

1 数据中心用板翅式间接蒸发冷却技术原理

1.1 技术原理

间接蒸发冷却技术利用湿通道内不饱和状态的空气与水接触时的汽化潜热，带走干通道内空气的热量如图1 所示。间接蒸发冷却器在数据中心应用时，不同于民用间接蒸发冷却空调一、二次空气均来源于室外的形式，其一次空气为机房回风，二次空气来自室外新风如图2 所示。一次空气与二次空气不发生直接接触，通过换热器间壁换热。一次空气为内循环式，从机房中来冷却后到机房中去。二次空气使用室外新风，吸热后又排到室外，为外循环形式［13］。有效保证了机房送风的洁净度，在数据中心领域存在巨大的发展空间。

图1 间接蒸发冷却器换热原理示意Fig.1 Schematic diagram of heat transfer principle of indirect evaporative cooler

图2 数据中心间接蒸发冷却二、一次空气循环方式Fig.2 Secondary and primary air circulation mode for indirect evaporative cooling of data center

1.2 数据中心用间接蒸发冷却运行模式

1.2.1 干工况

当冬季或过渡季节室外温度较低时，直接室外新风直接作为二次空气与机房回风进行显热交换即可满足数据中心送风要求，无需开启喷淋装置对湿通道进行布水，间接蒸发冷却器充当空-空换热器。其热湿交换过程如图3 所示，图中N为室内空气状态点，W 为室外空气状态点，O 为送风状态点。

图3 干工况下间接蒸发冷却器一、二次空气处理过程焓湿Fig.3 Enthalpy and humidity diagrams of the primary and secondary air treatment processes of the indirect evaporative cooler under dry conditions

1.2.2 湿工况

当外界温度较高时，通过干式换热不能满足数据中心送风要求时，开启喷淋装置进行间接蒸发冷却湿式换热。数据机房的循环空气流通过换热芯体的干通道被等湿冷却；外界环境空气流通过换热芯体的湿通道，与换热表面的水膜发生直接蒸发冷却的换热过程，带走机房热量，其热湿交换过程如图4 所示。

图4 湿工况下间接蒸发冷却器一、二次空气处理过程焓湿Fig.4 Enthalpy and humidity diagrams of the primary and secondary air treatment processes of the indirect evaporative cooler under wet conditions

1.3 性能评价指标

间接蒸发冷却器干模式下的换热效率η计算式见式（1），间接蒸发冷却器湿模式下的换热效率ηwb计算式见式（2）［14］。

式中 tdb1——一次空气进风干球温度，℃；

tdb2——一次空气出风干球温度，℃；

tdb1'——二次空气进风干球温度，℃；

twb1——二次空气进风湿球温度，℃。

2 试验系统

2.1 数据中心设计规范

根据T/DZJN 10-2020《数据中心蒸发冷却空调技术规范》［15］，数据中心蒸发冷却空调区域划分和间接蒸发冷却换热效率推荐值见表1。

表1 不同区域间接蒸发冷却效率推荐Tab.1 Recommended evaporative cooling efficiencies in different areas

2.2 试验参数的确定

根据GB 50736—2012［16］中规定的夏季空气调节室外计算干湿球温度，分别取乌鲁木齐市、西安市、南京市对应数据中心区域划分中的3 种典型工况，试验模拟环境工况见表2，焓差试验室内模拟工况误差为±0.5 ℃。室外空气干球温度低于16 ℃时，机组运行干模式，大于16 ℃时，机组运行湿模式。

表2 焓差试验室内的模拟工况Tab.2 Simulation conditions of enthalpy difference laboratory

2.3 试验台

数据中心用板翅式间接蒸发冷却试验台如图5 所示。

图5 数据中心用板翅式间接蒸发冷却试验台Fig.5 Plate-fin indirect evaporative cooling test bed for data center

机组主要包括送风段、板翅式间接蒸发冷却段、排风段。一次空气模拟数据中心回风状态参数，二次空气模拟室外新风状态参数。

该试验的一次风机和二次风机额定风量为5 000 m3/h，风机配有变频器，设置有10 个档位，通过调节转速控制风量的大小，进风口有效截面积为0.24 m2，风机运转时对变频器各档位风速进行测量计算其对应风量，一次风机各档位与风量之间的对应关系见表3。喷淋装置采用上部移动式间歇性布水和下部间歇性/连续性喷淋布水。

表3 一、二次风机风量与变频器档位对应Tab.3 The corresponding table of the air volume of primary and secondary fans and the tap position of frequency converter

3 试验结果及分析

3.1 干模式效率

试验开始时首先关闭布水装置，控制进口平均干球温度35.48 ℃的一次空气风量保持在1 500 m3/h，通过变频器调节改变二次风量，使二次风量从1 200 m3/h 递增至2 700 m3/h，每次递增值为150 m3/h，完成对二/一次风量比0.8～1.8 范围内的试验测试。

图6 示出在3 种工况条件下，板翅式间接蒸发冷却器干模式运行时，其换热效率随二/一次空气风量比的变化。

图6 干模式换热效率随二/一次空气风量比的变化Fig.6 Variation of dry mode heat transfer efficiency with secondary/primary air volume ratio

由图6 可知，机组风量比从0.8 逐渐增至1.8的过程中，冷却器换热效率提升明显，3 种工况的的最佳换热效率为59.6%，55.4%，54.2%。风量比在1.5 之后热交换效率基本趋于稳定，说明冷却器的二/一次风量比并不是越大越好，而最佳风量比的确定也不一定是设备热交换效率最高的状态点，要综合考虑由于二次空气流量增大引起的风机能耗问题。

3.2 干模式进出风温降

图7 示出在3 种工况条件下，板翅式间接蒸发冷却器干模式运行时，其一次空气进出口温降随二/一次空气风量比的变化。由图7 可知，随着二次风的比值增大，机组温降增大，风量比增至1.5 之后趋于稳定。机组的温降随二次空气进口干球温度的降低而降低，在进风口温度9.3 ℃时，机组温降最大可达15.67 ℃。

图7 干模式一次空气进出口温降随二/一次空气风量比的变化Fig.7 Variation of primary air inlet and outlet temperature drop with secondary/primary air volume ratio in dry mode

由图6，7 可知，3 种工况下机组在风量比为1.5 时换热效率已基本达到峰值，继续增加风量比不但不会提高热交换效率，反而由于二次风量的增大，增加二次风机的能耗。因此该换热器干模式下最佳二/一次风量比为1.5。

3.3 湿模式下最佳淋水工况

在进行湿工况下风量比的试验测试之前，对该试验台的最佳淋水工况进行确定。喷淋装置采用上部移动式间歇性布水和下部连续性喷淋布水，间歇性淋水的间隔时间通过调节旋钮控制，各档位下喷淋6 s 后对应的淋水间隔时间见表4。

表4 各档位对应淋水间隔时间Tab.4 The corresponding gear to water spray time interval

在西安工况下，保持二/一次风量比为1.2，调节旋钮使间接蒸发冷却芯体分别在不同淋水间隔时间下运行，同时设置下部连续性布水进行试验对比，通过对芯体热交换效率的比对，确定最佳的淋水间隔时间。图8 示出不同淋水间隔下板翅式间接蒸发冷却器的性能参数，2 种方式耗水量的对比见表5。

图8 不同淋水间隔下间接蒸发冷却器的性能曲线Fig.8 The performance curve of the indirect evaporative cooler under different water spray interval

由图8 可知，上部移动式布水器在间隔时间为175 s 时效率最低（48.45%），3 s 时效率最高（62.36%），当淋水间隔时间逐渐缩短时，芯体的热交换效率明显提高，淋水间隔时间为10 s 时，间接蒸发冷却换热效率可达61.48%，略低于对比试验中下部连续性布水的换热效率66.32%，但通过表5 可以发现，上部移动式布水方式，大大缩减了喷嘴的数量，相较于下部连续性布水方式每小时可以节约70 L 的淋水量，既不会大幅降低设备的换热效率，又能节约水量，因此本次试验中采用淋水间隔时间10 s 为经济淋水工况。

表5 2 种布水方式耗水量对比Tab.5 Comparison of water consumption of two water distribution ways

3.4 湿模式效率

在相同试验工况下开启喷淋装置，对机组湿模式运行条件下的最佳二/一次风量比进行测定。保持一次风量为1 500 m3/h，以每次150 m3/h 的调节布长增加二次风量，使二次风量从1 050 m3/h递增至2 400 m3/h，完成对二/一次风量比在0.7～1.6 范围内的试验测试。

图9 示出3 种工况条件下，板翅式间接蒸发冷却器湿模式运行时，其换热效率随二/一次空气风量比的变化。

图9 湿模式换热效率随二/一次空气风量比的变化Fig.9 Variation of wet mode heat transfer efficiency with secondary/primary air volume ratio

随着二/一次风量比的逐渐增大，3 种工况下，一次空气的出风的温度逐渐降低，湿模式下换热效率显著提高。乌鲁木齐工况下，风量比为1.4 时，冷却效率趋于稳定可达68.42%，一次空气出口温度为23.61 ℃。西安工况下，风量比为1.4时，冷却效率达到66.35%，一次空气出口温度为28.95 ℃。南京工况下，风量比为1.5 时，冷却效率稳定在65.28%，一次空气出口温度为30.51 ℃。

从图7 和9 可以看出，湿模式下间接蒸发冷却器的最佳风量比小于干模式，主要由于干模式下换热的驱动势为一、二次空气的干球温差，而湿模式下的驱动势为一次空气干球温度与二次空气的湿球温度之差，相比于干模式更具制冷潜力。故相同的二次空气流量下，湿模式下能将一次空气处理到更低的温度，因此将一次空气处理到相同温度点时，湿模式下所需要的二次风量就越小。此外在湿模式下随着其温降驱动势的减小，最佳二/一次风量比有所增大。

3.5 湿模式进出风温降

图10 示出在3 种工况条件下，板翅式间接蒸发冷却器湿模式运行时，其一次空气进出口温降随二/一次空气风量比的变化。由图10 可知，随着二/一次风量比的增大，机组温降增大。二次空气进口湿球温度的越低，其降温幅度越明显。在乌鲁木齐工况下，冷却器的温降均保持较高的水平，最佳工况下温降可达11.94 ℃。南京工况下，温降仅为5.04 ℃。