数据中心：新型蒸发冷却空调系统应用

      数据中心机房用新型蒸发冷却空调系统由蒸发冷却与乙二醇自由冷技术耦合而成，工作原理如图1所示。

• 夏季极端工况，工作流程与春夏秋季工况相似，只将机房空调末端变成蒸发冷却新风机组。

• 冬季工况，关闭A阀、C阀、F阀，开启B阀、D阀、E阀，显热末端精密空调回水进入间接蒸发冷却冷水机组的表冷器之后，直接回到机房空调末端。

      通过三种主要运行模式之间的切换，实现了干燥地区数据中心机房全年完全自然冷却。

        对于间接蒸发冷却冷水机组来说，通常用露点效率来表征间接蒸发冷却段性能，露点效率是以干球温度为基础的温降效率，可计算间接段处理空气的干球温度。

        但本文认为设立间接段的目的是将一次空气等湿降温，使一次空气进入淋水填料段之前降低其湿球温度。间接段出风（即淋水填料段进风）湿球温度是淋水填料段出水温度的关键因素。 因此，间接段亚湿球效率以湿球温度为基础来反映间接段温降效果，是反映间接蒸发冷却冷水机组间接段性能的评价指标。

该新型蒸发冷却空调系统的间接蒸发冷却冷水机组，制取冷水的过程如图2所示，机组采用内冷式、外冷式复合间接蒸发冷却技术预冷进风，在进入淋水填料换热器之前得到湿球温度较低的空气，这使冷水机组出水温度低于环境湿球温度，并且集成了乙二醇自由冷技术，使得在机组在冬季工况下仍可稳定工作。

间接蒸发冷却冷水机组的间接段亚湿球效率：

淋水填料水侧效率：

间接蒸发冷却冷水机组整机效率：

蒸发冷却冷水机组制冷量：

公式中：

n1—蒸发冷却冷水机组间接段亚湿球效率，%

n2—蒸发冷却冷水机组淋水填料水侧效率，%

t _db,o —环境空气干球温度，℃

t _wb,o —环境空气湿球温度，℃

t _wb,c —间接段后出风湿球温度，℃

t _dp,o —环境空气露点温度，℃

t _g —蒸发冷却冷水机组出水温度，℃

t _h —蒸发冷却冷水机组回水温度，℃

C—水的定压比热容，kJ/（kg·K）

M—蒸发冷却冷水机组循环水质量流量，kg/s

3.1  系统概况

本蒸发冷却空调系统基本情况：

（1）应用于新疆乌鲁木齐开发区某数据中心；

（2）总冷负荷为2767kW；

（3）采用16台复合乙二醇自然冷却的间接—直接蒸发冷却冷水机组为全年主导冷源（N+3冗余）；

（4）共设计44台外冷式蒸发冷却新风机组作为备份。

（5） 全年最大冷负荷值为2541kW，最小冷负荷为2431kW；

项目于2018年5月逐步投入使用，数据中心空调系统全天24小时不间断运行。乌鲁木齐属于典型温带大陆性干燥气候，图3、图4为全年、典型日逐时室外干球温度、湿球温度，并利用Dest模拟软件得到该数据中心100%使用率状态下的冷负荷特性。

各测点具体测试仪器以及测量量如下：

测点1：

测量室外环境大气压、温湿度。大气压力采用多功能测量仪（testo480）测量，压力测量范围700hpa～1100hpa；温度、相对湿度采用温湿度记录仪仪（testo/174H）测量，温度测量范围-20℃～+70℃，湿度测量范围0%～100%。

测点2：

测量蒸发冷却冷水机组间接段后空气温湿度、风速。温度、相对湿度采用温湿度记录仪（testo/174H）测量，温度测量范围-20℃～+70℃，湿度测量范围0%～100%；风速采用叶轮风速测量仪（testo410-1）测量，测量范围0.4m/s～20m/s。

测点3：

测量蒸发冷却冷水机组出水温度，出水温度采用水温电子传感器测量，测量范围-50℃～110℃。

测点4～测点7：

测量板换一次、二次水系统供回水温度，水温采用水温电子传感器测量，测量范围-50℃～110℃。

蒸发冷却冷水机组性能随气象条件变化的过程中（特别是夏季工况）能否满足系统的供冷需求是测试这一新型制冷系统的目的。本研究对夏季典型日（2018年8月10日），蒸发冷却冷水机组全天出水温度随室外环境参数（干球温度、湿球温度、露点温度）变化的影响进行测试，结果如图6所示。

由图6可知，蒸发冷却冷水机组全天出水温度范围在13.1℃～16.9℃，平均值为14.9℃，出水温度达到亚湿球温度。

     干空气能品味不同，会影响蒸发冷却冷水机组出水温度性能。进而可得出，只用冷幅深、冷幅高等单一的指标来评价蒸发冷却冷水机组性能不确切。

蒸发冷却冷水机组制取的冷水要经过输配系统送入机房空调末端才能带走机房的热量，如图7所示，本研究对新型蒸发冷却空调系统的制冷量及一、二次水系统供回水温度进行了全天测试记录。

从图7中可看出，二次水系统进出水温度变化与一次水系统进出水温度的变化规律一致，一次水系统进出水平均温度差为5.9℃，二次水系统进出水平均温度差为5.5℃，板换温升（即一次水进水温度与二次水出水温度之差）平均值为1.3℃。一次水系统的水流量平均值为99.5m ³ /h，系统制冷量平均值为678kW。从13:00开始至18:00，系统制冷量出现低谷，而一次、二次水系统进出水温度均随之下降，这是因为系统在工程管理方面的原因，一次水系统流量出现了一段时间的下降所致。从8:00—13:00，随着当地室外温度逐步升高，增大水系统流量，系统制冷量呈上升趋势。这种在固定蒸发冷却冷水机组台数的前提下升高系统流量带来的后果是打破蒸发冷却冷水机组淋水填料段最佳风水比参数，使得其制取的冷水温度上升。因此在系统今后的运行控制过程中，还应协调系统流量与冷水机组出水温度的关系，使系统制冷量达到最优。

4.3.1  空调系统制冷性能系数

为了评价新型蒸发冷却空调系统的性能，对整个空调系统的性能参数进行检测。在近设计工况下(环境干球温度33.6℃，相对湿度23.1%，环境湿球温度18.2℃)，得到本空调系统制冷量与系统消耗总功率，并计算出空调系统制冷性能系数结果如表1所示。

对于此新型蒸发冷却空调系统性能，本研究用空调系统制冷性能系数(COP，coefficient of refrigeration performance）来评价 ^[11] ，COP是衡量冷却系统冷却效率的指标，即整个空调系统提供的冷量与其消耗的能量之比。新型蒸发冷却空调系统COP值为6.65kW/kW，节能效果显著。

以本研究项目一期工程为例，选取目前数据中心机房两种常用空调系统（自然风冷螺杆空调系统、水冷磁悬浮离心机空调系统）与本蒸发冷却空调系统作对比，统计系统全年不同运行状态下所消耗的电费、水费。

由表2可知，新型蒸发冷却空调系统与传统机房空调系统初投资相当，但其全年运行费用比自然风冷螺杆空调系统和水冷磁悬浮离心机空调系统分别低215万元、195万元，节能率为63.6%、61.3%。