單雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用對比分析

郭志成, 黃 翔, 耿志超, 嚴(yán)錦程, 田振武

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)占到數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右,被認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心提高能源效率的重點環(huán)節(jié)[1-2]．目前數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)存在自然冷源利用率低，氣流組織設(shè)計不合理，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方法不合理等諸多問題[3],導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗居高不下．近年來,國內(nèi)外普遍認(rèn)為自然冷源利用率低是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗不能得以有效控制的根本原因[4],為了促進(jìn)自然冷卻技術(shù)的應(yīng)用和延長自然冷卻的時間，由此制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也在逐步拓寬數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備環(huán)境要求范圍,目前對冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的溫度要求范圍是18～27℃[5],冷凍水供水溫度的要求范圍是7～21 ℃[6],因此完全可以采用溫濕度獨立控制的方式[7],提供高溫冷水承擔(dān)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的高顯熱負(fù)荷,對于干空氣能豐富的地區(qū)就完全可以利用蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取15 ℃左右的高溫冷水為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)供冷．以往蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的研究和應(yīng)用大多針對于舒適性空調(diào)系統(tǒng),例如，江億等人基于間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)研發(fā)了間接蒸發(fā)冷水機(jī)組,并應(yīng)用于新疆某大廈[8];黃翔等人將水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)與機(jī)械制冷結(jié)合,研發(fā)了蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合高溫冷水機(jī)組[9],并將該機(jī)組應(yīng)用于西安某辦公樓;基于管式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)研發(fā)了多種形式的間接-直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合冷水機(jī)組[10],并對冷量配比、氣水比及冷幅深等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了理論研究和實測[11];劉鳴、張鋒等人結(jié)合新疆地區(qū)干空氣能豐富的自然條件在被動式建筑、醫(yī)院、體育館等場所的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng),節(jié)能效果顯著[12-13]．但是其在工藝性空調(diào)系統(tǒng)中還無實際應(yīng)用.

本文結(jié)合新疆地區(qū)冬季室外空氣中的冷量和夏季室外空氣中的干空氣能,研究其合理利用它們的制冷方式——復(fù)合乙二醇自然冷卻技術(shù)的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組,從而解決數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的高能耗問題．

1 研究方案

新疆地區(qū)夏季炎熱干燥,空氣中蘊(yùn)含豐富的干空氣能,是蒸發(fā)冷卻技術(shù)的高適用區(qū)[14];冬季寒冷漫長,空氣中蘊(yùn)含豐富的冷量,非常適合應(yīng)用乙二醇自然冷卻技術(shù),結(jié)合以上自然條件與技術(shù)條件,研發(fā)了一種復(fù)合乙二醇自然冷卻技術(shù)的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組．

1.1 兩種技術(shù)方案

單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組和雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的原理如圖1所示.該兩種技術(shù)方案的蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組均由乙二醇自然冷卻供冷段和間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段組成.其中,乙二醇自然冷卻供冷段主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)冬季供冷需求,以表冷器為主要換熱部件,冬季室外寒冷的新風(fēng)進(jìn)入蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的乙二醇自然冷卻供冷段內(nèi)的表冷器,乙二醇回水溶液冷卻后供入數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)末端,而新風(fēng)則通過蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組填料塔上方排風(fēng)機(jī)排走;間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷需求,這部分相當(dāng)于間接-直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合冷水機(jī)組,由內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器和填料塔組成,以間接-直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合冷水機(jī)組的制冷原理制取出冷水供入數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)末端．兩種蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的不同之處在于,單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組采用單面進(jìn)風(fēng)的方式，各功能段按一側(cè)方向布置，乙二醇自然冷卻供冷段內(nèi)設(shè)置1個表冷器、間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段內(nèi)設(shè)置兩級內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器;雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組采用雙面進(jìn)風(fēng)的方式，各功能段對稱布置，間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段內(nèi)設(shè)置單級內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器．

(a) 單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組 (b) 雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組注：1.乙二醇自然冷卻供冷段;2.表冷器;3.間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段;4.內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器;5.填料塔圖 1 蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組原理圖Fig.1 Evaporative water chiller schematic

1.2 結(jié)構(gòu)特性分析

雙面機(jī)型的各功能段采用對稱布置,各功能段數(shù)量相比單面機(jī)型多一個,制冷量相比單面機(jī)型增加,但初投資相對較高，機(jī)組占地面積較大;單面機(jī)型各功能段按一側(cè)方向布置且間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段內(nèi)設(shè)置兩級內(nèi)冷式間接蒸發(fā)器,使得機(jī)組風(fēng)系統(tǒng)阻力增加,相比雙面機(jī)型要配置更大風(fēng)壓的排風(fēng)機(jī)來克服阻力,增加了運行費用和技術(shù)難度,但初投資少、機(jī)組占地面積較小．這兩種蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組各自不同的結(jié)構(gòu)特性造成它們的應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同,雙面機(jī)型適合應(yīng)用于大型工程項目,而單面機(jī)型更適合應(yīng)用于中、小型工程項目．

1.3 蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的實驗研究

通過搭建實驗測試系統(tǒng),確定一種蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的技術(shù)方案作為新疆某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的冷源,并且也對這兩種不同類型的冷水機(jī)組進(jìn)行充分的實驗研究,分析各自的適用性．

1.3.1 實驗測試條件 通過在室外搭建與該數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)一樣冷量配置模式的實驗測試系統(tǒng)進(jìn)行實測.測試的主要物理量包括:環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù),出水溫度和循環(huán)水流量,分別對應(yīng)的測試儀器為溫濕度自計議、電磁流量計和玻璃棒溫度計,測試儀器的名稱、型號、測試范圍、精度及生產(chǎn)廠家如表1所示．測試地點為烏魯木齊市,方案1的測試時間為2017年9月5日17:30～18:50,方案2的測試時間為2017年9月6日14:00～14:30,測試期間總共測試7組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)之間間隔5 min．

表 1 測試儀器的相關(guān)參數(shù)

2 測試結(jié)果

本次實驗測試系統(tǒng)的搭建完全按照即將應(yīng)用在新疆某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的冷量配置模式,即一臺冷水機(jī)組為兩臺機(jī)房精密空調(diào)末端提供冷量,實驗測試系統(tǒng)原理如圖2所示．實驗測試系統(tǒng)搭建在室外,這樣環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)的不斷變化能夠更好地反應(yīng)冷水機(jī)組的制冷能力,具體由雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，機(jī)房精密空調(diào)末端，循環(huán)水泵，電磁流量計和閥門組成．冷水機(jī)組制取的冷水通過供水管供入機(jī)房精密空調(diào)末端吸收熱量,達(dá)到5 ℃供回水溫差后通過回水管流入冷水機(jī)組繼續(xù)制冷,由此構(gòu)成循環(huán)．測試時,通過閥門進(jìn)行兩個冷水機(jī)組的切換運行,通過電磁流量計調(diào)控冷水機(jī)組處理的循環(huán)水流量．

1.雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組;2.單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組;3.閥門;4.循環(huán)水泵;5.電磁流量計;6.機(jī)房精密空調(diào)末端圖 2 實驗測試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Experimental test system schematic

2.1 測試方案一

該冷水機(jī)組服務(wù)的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)對蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的參數(shù)要求如表2所示,其中環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)來源于《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》．該測試方案的目的明確,即2種機(jī)型在符合參數(shù)要求的前提下,哪種機(jī)型的出水溫度符合實際工程的要求．圖3所示的是2種冷水機(jī)組在處理循環(huán)水量為40 m3/h時,7組環(huán)境空氣干球溫度、環(huán)境空氣濕球溫度、環(huán)境空氣露點溫度、出水溫度的實測值,這7組數(shù)據(jù)可以反映2種機(jī)型在一定環(huán)境空氣狀態(tài)的變化過程中,冷水機(jī)組出水溫度隨環(huán)境空氣狀態(tài)的變化,反映冷水機(jī)組出水溫度的特性,將圖3中7組測試數(shù)據(jù)求平均值統(tǒng)計于表3中．

表 2 蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組參數(shù)要求

(a) 雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組 (b) 單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組圖 3 環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)和出水溫度Fig.3 Environmental air condition paraments and temperature of supply water

環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)(平均值) 干球溫度/℃相對濕度/%濕球溫度/℃露點溫度/℃循環(huán)水量/(m3·h-1) 制冷量/kW出水溫度(平均值)/℃25.824.4013.13.94023215.126.423.8013.44.14023213.8

從表3可以得出，兩種機(jī)型切換測試的室外空氣狀態(tài)參數(shù)近似,在符合實際工程項目要求的參數(shù)條件下,雙面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的出水溫度更低,平均出水溫度為13.8 ℃,完全滿足工程項目的供冷要求,之所以平均出水溫度與平均環(huán)境空氣濕球溫度近似相等,其冷幅深沒有達(dá)到2～3 ℃[15],是因為測試期間新疆即將進(jìn)入過渡季節(jié),室外氣溫下降,干空氣能品質(zhì)降低,干濕球溫差也有所降低,即使機(jī)組在以后的實際運行中進(jìn)入夏季最不利工況時,按3°冷幅深計算,其出水溫度為15 ℃左右,也能滿足制冷要求．

2.2 測試方案二

由于單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段相比雙面機(jī)型多了1級內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器,所以送入填料塔的空氣濕球溫度應(yīng)該更低,從而出水溫度也應(yīng)該比雙面機(jī)型低,但是測試結(jié)果卻恰恰相反．通過對兩種機(jī)型結(jié)構(gòu)特性的對比分析,可以發(fā)現(xiàn)，雖然單面機(jī)型相比雙面機(jī)型增加了1級內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器,這不僅增加了機(jī)組風(fēng)系統(tǒng)阻力,而且2級內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器的一二次風(fēng)與填料塔進(jìn)風(fēng)的風(fēng)量和均勻性的技術(shù)要求很難達(dá)到,這就造成2級內(nèi)冷式間接蒸發(fā)冷卻器效率下降，填料塔進(jìn)風(fēng)量衰減．雖然可以通過增加風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓得以改善,但風(fēng)機(jī)功率也會增加,機(jī)組能效比下降,使其運行費用增加,得不償失．因此,針對上述問題，單獨對單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組進(jìn)行測試,采取減少填料塔處理的循環(huán)水流量的方式來降低出水溫度,而蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組處理的循環(huán)水流量太小又會降低經(jīng)濟(jì)性,所以只將機(jī)組處理的循環(huán)水流量減少為30 m3/h進(jìn)行測試．圖4所示的是單面機(jī)型將處理的循環(huán)水流量減少為30 m3/h時,7組環(huán)境空氣干球溫度、環(huán)境空氣濕球溫度、環(huán)境空氣露點溫度、出水溫度的實測值.這7組數(shù)據(jù)可以反映單面機(jī)型在一定環(huán)境空氣狀態(tài)的變化過程中,出水溫度隨環(huán)境空氣狀態(tài)的變化,反映單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組出水溫度的特性．

圖 4 環(huán)境空氣狀態(tài)參數(shù)和出水溫度Fig.4 Environmental air condition paraments and temperature of supply water

將單面機(jī)型在循環(huán)水流量為30 m3/h的測試結(jié)果統(tǒng)計于表4,對比40 m3/h時的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單面機(jī)型處理的循環(huán)水流量減少為30 m3/h時,單面機(jī)型出水溫度的平均值為14.2 ℃,近似等于測試期間環(huán)境空氣濕球溫度的平均值,而循環(huán)水流量為40 m3/h時,單面機(jī)型出水溫度的平均值為15.1 ℃,高于測試期間環(huán)境空氣濕球溫度的平均值2 ℃,因此減少機(jī)組處理循環(huán)水流量的方式可以在保證機(jī)組高能效比的前提下降低出水溫度．

該冷水機(jī)組的技術(shù)難點在于間接-直接蒸發(fā)冷卻供冷段在夏季是否能夠為數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定地提供符合要求的高溫冷水,從而保證數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)冷源在夏季高負(fù)荷階段既可靠又節(jié)能的運行．由于以往蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的相關(guān)研究和實際應(yīng)用大多在舒適性空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域,而在數(shù)據(jù)中心等工藝性空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域還無實際應(yīng)用,但是通過上述實驗研究可以得出,其出水溫度在實驗測試條件下最高為15 ℃左右,相比于應(yīng)用在舒適性空調(diào)系統(tǒng)中的冷水機(jī)組出水溫度較低[8-10]．

表 4 單面進(jìn)風(fēng)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組實測結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 在機(jī)組裝機(jī)功率相同的情況下,雙面機(jī)型出水溫度低，處理循環(huán)水流量大，制冷量大，運行費用更為經(jīng)濟(jì),但機(jī)組初投資和占地面積較大,因此更適合應(yīng)用于大型工程項目；單面機(jī)型比較適合應(yīng)用于中、小型工程項目.

(2) 在實際工程項目參數(shù)要求的條件下進(jìn)行實測,得出雙面機(jī)型在以下3個方面都優(yōu)越于單面機(jī)型,即出水溫度更低，風(fēng)機(jī)選型功率較小,運行費用更經(jīng)濟(jì);雙面進(jìn)風(fēng)的方式更加保證了機(jī)組的運行可靠性.

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