兩種高效間接蒸發(fā)冷卻器性能對比與適用性研究

武茁苗 黃 翔 陳 夢 屈名勛 史東旭 陳紅衛(wèi) 王曉東 苗會成

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048；2.歐伏電氣股份有限公司 廊坊 065201）

0 引言

近些年來，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)在中國新基建背景下蓬勃發(fā)展，用電量也在不斷增加。數(shù)據(jù)中心的能耗主要由IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)、照明等消耗電能的數(shù)據(jù)中心設(shè)備組成，值得一提的是制冷設(shè)備的能耗就占到總能耗的40%左右，數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展背后的變化對于機樓的冷卻技術(shù)帶來一定的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的集中式空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機所占能耗巨大，這即不滿足數(shù)據(jù)中心低PUE的要求，也會嚴(yán)重影響“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。蒸發(fā)冷卻空調(diào)由于是用水作為制冷劑，不會排放CFC，因此蒸發(fā)冷卻空調(diào)是一種低碳、節(jié)能、經(jīng)濟、健康的環(huán)?？照{(diào)技術(shù)[2,3]。從數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的角度出發(fā)，目前機房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)放寬、高回風(fēng)溫度設(shè)計、匹配的建筑氣流設(shè)計、模塊化集成技術(shù)和顯著的節(jié)能優(yōu)勢，大力推動了間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用和發(fā)展[4,5]。然而現(xiàn)階段蒸發(fā)冷卻空調(diào)產(chǎn)品普遍面臨著以下的技術(shù)障礙：冷卻效率低、溫降幅度有限、設(shè)備體積比較大以及受環(huán)境空氣濕球溫度的影響程度大。這些問題都與間接蒸發(fā)冷卻器密切相關(guān)，因此對于不同的間接蒸發(fā)冷卻器性能對比與適用性研究就顯得尤為重要。

Vollebregt 和DeJong 研究了用于降低溫室內(nèi)空氣的溫度和濕度的板式間接蒸發(fā)冷卻器強化傳熱方法，研究表明，一次空氣的溫度和濕度均有降低；空氣流速較低時，效果更好；在此條件下，潛熱量是顯熱量的兩倍多[6]。樊麗娟[7]等設(shè)計了一臺換熱管采用多孔陶瓷材料且換熱管立式布置的間接蒸發(fā)冷卻器，研究其溫降和效率等性能。常江[[8]等人對板管式間接蒸發(fā)冷卻換熱器，從芯體結(jié)構(gòu)、材料的選擇、芯體的換熱計算和各功能部件的設(shè)計計算等方面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計分析。賈晨昱[9]等引出了間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心時對應(yīng)的3 種節(jié)能運行模式并對運行模式的切換條件進(jìn)行了計算分析。鐘彩霞[10]采用夏季空調(diào)室外逐時氣象參數(shù)對陜北地區(qū)榆林、延安、定邊3 個典型城市進(jìn)行了分析，判別蒸發(fā)冷卻技術(shù)在中等濕度地區(qū)的適應(yīng)性。

本文主要從理論上分析了間接蒸發(fā)冷卻傳熱機理與制取冷風(fēng)的原理。通過在數(shù)據(jù)中心兩種高效間接蒸發(fā)冷卻器實驗平臺上的對比，得出各自在不同二/一次風(fēng)量比下的換熱效率，進(jìn)而推算出各個換熱芯體在干模式、濕模式和混合模式切換條件。再結(jié)合我國典型氣候特征的三個城市全年室外氣象參數(shù)，得出兩種不同結(jié)構(gòu)形式間接蒸發(fā)冷卻器各個模式下全年的小時數(shù)占比，進(jìn)而分析其適用性。

1 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

1.1 間接蒸發(fā)冷卻器傳熱分析

間接蒸發(fā)冷卻器是間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的核心部件[11]，它由兩個不同的空氣流道組成，一次通道內(nèi)為被冷卻的空氣，二次空氣流道內(nèi)發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻過程降低二次空氣溫度，通過二/一次間壁傳熱再降低一次空氣溫度[12]。如圖1所示，二次空氣經(jīng)蒸發(fā)冷卻后的空氣溫度為tf2，經(jīng)過二次空氣與水膜之間的傳熱熱阻1/h2溫度升至tw3；之后通過水膜的導(dǎo)熱熱阻δ2/λ2與換熱器的導(dǎo)熱熱阻δ1/λ1溫度升至tw1；最后再經(jīng)過一次空氣與換熱器壁面之間的傳熱熱阻1/h1溫度達(dá)到tf1。此時的tf1即為一次通道側(cè)被冷卻后空氣的出風(fēng)溫度[13,14]。

圖1 水膜與器壁的傳熱Fig.1 Heat transfer between water film and wall

1.2 間接蒸發(fā)冷卻制取冷風(fēng)過程

圖2為間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)空氣處理焓濕圖，干通道側(cè)一次空氣發(fā)生等濕冷卻過程，濕通道側(cè)二次空氣發(fā)生等焓冷卻加濕過程。二次空氣由狀態(tài)點1被等焓冷卻到狀態(tài)點4，此過程近似為一個絕熱過程。得到濕通道冷量的一次空氣從狀態(tài)點1 被等濕冷卻到狀態(tài)點2。同時，一次側(cè)的熱量就會傳遞到二次側(cè)，此時狀態(tài)點4 的水會持續(xù)升溫進(jìn)而加速蒸發(fā)，最終到達(dá)狀態(tài)點3[15]。

圖2 間接蒸發(fā)冷卻器焓濕圖Fig.2 Enthalpy moisture diagram of indirect evaporative cooler

1.3 評價指標(biāo)

換熱效率是衡量間接蒸發(fā)冷卻器性能的重要指標(biāo)之一，它可以間接的反應(yīng)一次空氣的溫降程度，而干模式與濕模式的計算效率方法也是不同的[16]。如下式：

其中，η干、η濕為間接蒸發(fā)冷卻器干模式、濕模式下的換熱效率，%；tg1,in、tg1,out為一次空氣進(jìn)、出風(fēng)干球溫度，℃；tg2,in、ts2,in為二次空氣進(jìn)風(fēng)干球、濕球溫度，℃。

2 兩種換熱芯體及其測試平臺

2.1 兩種換熱芯體

本次研究對象為目前數(shù)據(jù)中心普遍使用的兩種高效換熱芯體，均為金屬鋁箔材料，分別是板翅式與板式換熱芯體。如圖3（a）所示，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器由翅片、隔板和封條三部分組成。一次空氣與二次空氣分別在各自的流道中流動，它們的熱交換方式是通過翅片及與翅片連成一體的隔板進(jìn)行傳熱。從中我們可以看出板翅式間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體結(jié)構(gòu)非常緊湊，因此換熱效率高。正是因為其結(jié)構(gòu)緊湊，所以它的流道非常窄，容易積灰或產(chǎn)生水垢，這樣不僅會增大傳熱熱阻，換熱效率降低；同時還會使空氣流經(jīng)流道時的阻力增大，從而使風(fēng)機的消耗功率加大。

如圖3（b）所示，板式間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體[17]的一次空氣流經(jīng)管內(nèi)，二次空氣在管外側(cè)垂直掠過板管。該換熱芯體的優(yōu)點有很多，主要有：布水均勻，易形成均勻水膜；該芯體與管式換熱芯體一樣，流道比較寬，可以很好的解決流道堵塞問題，從而使空氣流動阻力較小。它的缺點主要是緊湊型不高，不如板翅式換熱效率高。

圖3 兩種間接蒸發(fā)冷卻器實物圖Fig.3 Real drawings of two indirect evaporative coolers

2.2 測試平臺

圖4（a）為板翅式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)測試平臺實物圖，尺寸（DWH）為：2000mm×800mm×1800mm，風(fēng)量5000m /h。圖4（b）為板式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)測試平臺，尺寸（DWH）為：6058mm×2825mm×3600mm，風(fēng)量55000m /h。兩個實驗平臺均為用于數(shù)據(jù)中心的間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組。

圖4 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)測試平臺實物圖Fig.4 Physical drawing of indirect evaporative cooling air conditioning test platform

2.3 測試儀器

為了減少實驗誤差，本次實驗在換熱芯體一次空氣側(cè)進(jìn)、出口以及二次空氣側(cè)進(jìn)、出口4 個位置分別布置多個測點，每個位置取測點所測數(shù)據(jù)的平均值。分別測出各個位置的干球溫度、相對濕度以及風(fēng)速，具體情況如表1所示。

表1 測試內(nèi)容及儀器Table 1 Test contents and instruments

3 性能對比

3.1 溫降、效率對比分析

本次實驗干、濕模式條件下室外氣象參數(shù)均一致，即二次風(fēng)進(jìn)口干球溫度為25℃，相對濕度為39.3%，濕球溫度為16℃；用鍋爐加熱裝置模擬數(shù)據(jù)中心高散熱設(shè)備，使得一次空氣進(jìn)風(fēng)干球溫度（數(shù)據(jù)中心回風(fēng)溫度）維持在37.7℃。通過改變二次風(fēng)進(jìn)口風(fēng)速（1.2m/s～3.1m/s）使二/一次風(fēng)量比維持在0.8～1.4 之間。

在干模式運行情況下，由圖5可知，當(dāng)二/一次風(fēng)量比從0.8 到1.4 時，板翅式與板式間接蒸發(fā)冷卻器的一次風(fēng)溫降和效率都會有所上升。在當(dāng)前測試環(huán)境下，板翅式、板式間接蒸發(fā)冷卻器溫降在7.9℃～8.8℃、7.5℃～8.3℃之間，各自對應(yīng)的換熱效率在62.2%～69.3%、59.1%～65.4%之間。如圖6所示，濕模式運行時板翅式、板式間接蒸發(fā)冷卻器溫降在13.2℃～14.4℃、12.4℃～13.6℃之間，各自對應(yīng)的濕球效率在60.8%～66.4%、57.1%～62.7%之間，濕模式下一次風(fēng)溫降相較于干模式更大，板翅式平均溫降大5.6℃，板式平均溫降大5.2℃。

圖5 干模式下溫降、效率對比Fig.5 Temperature drop and efficiency comparison in dry mode

圖6 濕模式下溫降、效率對比Fig.6 Temperature drop and efficiency comparison in wet mode

由圖5、6 可知，無論干模式或濕模式，增加二次進(jìn)風(fēng)風(fēng)量會使換熱效率增大。但過多的增大風(fēng)量，效率提升速率會變得很緩慢，這樣會造成風(fēng)機能耗加大；同時會導(dǎo)致二次通道側(cè)風(fēng)速增大，不利于壁面水膜的均勻附著，同時空氣與水膜接觸的時間也會減少，使蒸發(fā)冷卻效率下降。因此合理的二/一次風(fēng)量比也是非常重要的。同時，板翅式換熱效果明顯優(yōu)于板式。

3.2 不同模式出風(fēng)溫度對比分析

如圖7所示，在干模式下板翅式間接蒸發(fā)冷卻器一次風(fēng)出風(fēng)溫度在28.9℃～29.8℃范圍內(nèi)，濕模式下一次風(fēng)出風(fēng)溫度在23.3℃～24.5℃范圍內(nèi)。板式間接蒸發(fā)冷卻器一次風(fēng)出風(fēng)溫度如圖8所示，干模式下一次風(fēng)出風(fēng)溫度在29.4℃～30.2℃范圍內(nèi)，濕模式下一次風(fēng)出風(fēng)溫度在24.1℃～25.3℃范圍內(nèi)。板翅式一次風(fēng)出風(fēng)溫度明顯低于板式。

圖7 板翅式出風(fēng)溫度Fig.7 Plate-fin outlet temperature

圖8 板式出風(fēng)溫度Fig.8 Plate outlet air temperature

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50174-2017）和《數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)規(guī)范》（T/DZJN 10-2020）[18,19]中規(guī)定的數(shù)據(jù)中心機房送風(fēng)溫度在18℃～27℃之間，回風(fēng)溫度在35℃～38℃之間。本次測試的室外環(huán)境干球溫度為25℃，相對濕度為39.3%，濕球溫度16℃。從圖7、8 中可以看出此狀態(tài)下兩種換熱芯體濕模式送風(fēng)溫度均在23.3℃～25.3℃范圍內(nèi)，是符合數(shù)據(jù)中心送風(fēng)要求的；而此時干模式送風(fēng)溫度在28.9℃～30.2℃范圍內(nèi)，不符合數(shù)據(jù)中心送風(fēng)要求。因此接下來對兩種不同結(jié)構(gòu)的間接蒸發(fā)冷卻器在不同室外空氣狀態(tài)參數(shù)下各個模式的適用小時數(shù)進(jìn)行劃分[20]。

4 適用性分析

4.1 溫度區(qū)間劃分

由于在數(shù)據(jù)中心全年運行中，間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)二/一次風(fēng)量比會根據(jù)室外環(huán)境的變化而進(jìn)行調(diào)整，芯體換熱效率也會隨之波動[21]。為了充分保證數(shù)據(jù)中心全年穩(wěn)定運行，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器取最低效率值62.2%（干模式）、60.8%（濕模式）；板式間接蒸發(fā)冷卻器取最低效率值59.1%（干模式）、57.1%（濕模式）。數(shù)據(jù)中心送風(fēng)溫度取24℃，目前國內(nèi)大部分機房送回風(fēng)溫差選取12℃，故回風(fēng)溫度確定為36℃。根據(jù)式（1）、（2）計算得到全年運行模式室外二次空氣的切換條件[22]：

注：以下結(jié)果保留一位小數(shù)。

不同間接蒸發(fā)冷卻器對應(yīng)三種冷卻模式下的溫度區(qū)間劃分不同，三種冷卻模式的設(shè)備運行狀態(tài)也不同，代入上述已知數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 運行模式的溫度劃分Table 2 Operating mode temperature division

4.2 典型城市選取

蒸發(fā)冷卻空調(diào)作為氣象空調(diào)[23,24]，其性能參數(shù)往往受室外空氣的干球溫度和相對濕度的影響較為嚴(yán)重，因此，室外氣象參數(shù)對間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的適用性有著重要的影響[25]。本次實驗對象選取我國干燥地區(qū)[26]（烏魯木齊市）、中濕度地區(qū)（北京市）以及高濕度地區(qū)（廣州市）三個城市為代表，如表3所示。

表3 三個典型城市的氣候特征Table 3 Climatic characteristics of three typical cities

4.3 全國典型城市適用性分析

利用DeST 模擬軟件，輸出模擬結(jié)果報表，得到上述三個城市全年8760 小時的逐時室外氣象參數(shù)，依據(jù)氣象數(shù)據(jù)[27]并結(jié)合表2各個運行模式的切換條件，得到這三個城市全年各冷卻模式的運行小時數(shù)，如圖9所示。

圖9 不同城市各個模式運行小時數(shù)Fig.9 Operating hours of different modes in different cities

由圖9可知，由于各個城市全年室外空氣狀態(tài)不同，全新風(fēng)自然冷卻（干模式）、間接蒸發(fā)冷卻（濕模式）、機械制冷補冷（混合模式）各自占比也是不同的。板翅式、板式換熱芯體的三種模式運行小時數(shù)在烏魯木齊市分別為5926h、1976h、858h；5717h、1590h、1453h。在北京市運行小時數(shù)分別為5142h、1164h、2454h；4928h、983h、2849h。在廣州市運行小時數(shù)分別為2013h、979h、5768h；1767h、914h、6079h。同時，無論在那個地區(qū)，板翅式間接蒸發(fā)冷卻器的干模式與濕模式運行小時數(shù)均大于板式；混合模式運行小時數(shù)均小于板式。

5 結(jié)論

（1）通過實驗對比，板翅式、板式換熱芯體的平均濕球效率分別為64.1%、60.4%，且在相同二/一次風(fēng)量比條件下，無論是干模式還是濕模式，板翅式換熱芯體的換熱效率總是大于板式換熱芯體，與理論分析的結(jié)果一致，因此板翅式間接蒸發(fā)冷卻器具有良好的節(jié)能效果與推廣應(yīng)用價值。同時板翅式、板式換熱芯體的濕模式比干模式平均溫降分別大5.6℃、5.2℃，這充分體現(xiàn)了間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢。

（2）在三個典型城市各個模式運行小時數(shù)中，無論板翅式或者板式換熱芯體，烏魯木齊市（干燥地區(qū)）的干模式占比最大，混合模式占比最??；北京市（中濕度地區(qū)）的干模式占比最大，濕模式占比最?。粡V州市（高濕度地區(qū)）的混合模式占比最大，濕模式占比最小。造成此種現(xiàn)象的原因為各個城市的全年室外氣象參數(shù)不同，干空氣能的下降會直接影響間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的適用性，隨之系統(tǒng)所需要的機械制冷補冷量也會增大。

（3）當(dāng)數(shù)據(jù)中心采用新風(fēng)自然冷卻以及間接蒸發(fā)冷卻為冷源時，板翅式換熱芯體在烏魯木齊、北京、廣州的全年運行小時數(shù)為7902h、6306h、2992h，全年占比90.2%、72.0%，34.2%；而板式換熱芯體在烏魯木齊、北京、廣州的全年運行小時數(shù)為7307h、5911h、2681h，全年占比83.4%、67.5%，30.6%。故該研究為不同地區(qū)數(shù)據(jù)中心推廣與應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)提供了參考依據(jù)。