【摘  要】 應(yīng)用于我國(guó)西北地區(qū)數(shù)據(jù)中心的冷卻，間接蒸發(fā)冷卻塔可以從原理上解決普通冷卻塔面臨的防凍問題，還可以延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間、降低出水溫度實(shí)現(xiàn)節(jié)能。然而單獨(dú)運(yùn)行間接蒸發(fā)冷卻塔，出水溫度會(huì)隨著外部環(huán)境條件的變化而波動(dòng)，在濕度高的天氣下可能無法制冷。為實(shí)現(xiàn)全年穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，進(jìn)而拓展其適用的氣候區(qū)，可將水冷冷機(jī)和間接蒸發(fā)冷卻塔聯(lián)合運(yùn)行。如果進(jìn)一步將二者結(jié)合成小型化一體機(jī)，既可解決放置空間不足的問題，又可實(shí)現(xiàn)控制上的便利，還可在工況切換時(shí)避免水管結(jié)凍風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹了這種小型化一體機(jī)的工作原理和運(yùn)行模式；通過案例分析，得出該系統(tǒng)的節(jié)能潛力。如果通過末端的優(yōu)化設(shè)計(jì)，冷凍水溫度可進(jìn)一步提升，便可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)能。

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，工業(yè)、商業(yè)、信息交流、社會(huì)活動(dòng)等領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)依賴程度不斷提高，人們對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算速度和儲(chǔ)存能力的需求急劇增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大。數(shù)據(jù)中心用能的特點(diǎn)為能量密度高（未來將會(huì)達(dá)到8-15 kW/m2 [1]），增長(zhǎng)速度快，空調(diào)用電比例高（2016年，我國(guó)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)用電比例為40%[1]）。自2010年至2012年，全球數(shù)據(jù)中心用電量增長(zhǎng)了29%，2012年數(shù)據(jù)中心用電量約為7203億kWh[2]，約占全球總能耗的1.4%[3,4]。2012年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心年耗電量為665億千瓦時(shí)，3年之內(nèi)耗電量增長(zhǎng)了37%[2]，耗電量約占全國(guó)全年用電量的1.5%。

為降低數(shù)據(jù)機(jī)房的耗電量，延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間進(jìn)而充分利用自然冷源是人們關(guān)注的重點(diǎn)。已有的機(jī)房冷源系統(tǒng)形式是新風(fēng)直接冷卻，直接蒸發(fā)冷卻+新風(fēng)直接冷卻，間接蒸發(fā)冷卻+新風(fēng)直接冷卻，風(fēng)冷冷水系統(tǒng)+精密空調(diào)和水冷冷水系統(tǒng)+精密空調(diào)[3]。引入室外新風(fēng)可能會(huì)引入顆粒物和有害氣體對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房不利[5]；如果沒有蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，只引入室外空氣的自然冷卻時(shí)間很短。風(fēng)冷冷水系統(tǒng)的干冷器系統(tǒng)復(fù)雜、投資高,且與新風(fēng)直接冷卻一樣面臨自然冷卻時(shí)間短的問題;水冷冷水系統(tǒng)中冷卻塔的冬季結(jié)冰問題嚴(yán)重[3]。目前大型數(shù)據(jù)中心主要建在北方，以充分利用自然冷源，且多采用水冷系統(tǒng)。它面臨的核心問題是冬季冷卻塔的結(jié)冰問題，和水冷系統(tǒng)的傳熱性能提升問題。

北方寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫低于0℃，而數(shù)據(jù)中心需要全年冷卻，噴淋塔需要全年開啟，由此產(chǎn)生結(jié)冰問題。結(jié)冰會(huì)影響冷卻塔的散熱效果，損壞冷卻塔的承重結(jié)構(gòu)、填料等部件，影響冷卻塔的使用期限[3]。目前已有的冷卻塔防凍措施有（1）采用其他設(shè)備替代冷卻塔，比如干冷器或閉式冷卻塔[3]。然而對(duì)于干冷器來說，干球溫度決定的自然冷卻時(shí)間比濕球溫度短，換熱面積大投資高，系統(tǒng)切換復(fù)雜無法應(yīng)對(duì)氣溫的日夜變化[3]；閉式冷卻塔的性能低于常規(guī)冷卻塔，且冬季控制不當(dāng)仍然會(huì)凍，干冷器冬季存在的問題閉式冷卻塔都存在[3]。（2）為冷卻塔添加額外的熱源[3]，比如電伴熱帶、防凍化冰管[3,6] 、進(jìn)風(fēng)口處增加熱水水簾[3,7-8]，但是電加熱系統(tǒng)電耗高，安全性低，無法根治防凍[3]。（3）改變冷卻塔的的結(jié)構(gòu)[3]，安裝擋風(fēng)板[3,9-14]或改變布水方式[3,15-16]。（4）改變冷卻塔的運(yùn)行方式，比如風(fēng)機(jī)周期性倒轉(zhuǎn)[3]。以上措施都不能根本上解決進(jìn)風(fēng)溫度低帶來的結(jié)凍問題。所以需要從提升進(jìn)風(fēng)溫度出發(fā)，找到一種根治冷卻塔凍的方法，在此基礎(chǔ)上再降低系統(tǒng)電耗。

       我國(guó)西北地區(qū)氣候干燥。對(duì)于干燥地區(qū)的數(shù)據(jù)機(jī)房，間接蒸發(fā)冷卻塔[17]可以從根本上解決上述防凍問題；同時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻塔可利用更低溫的自然冷源，延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間、降低出水溫度至濕球溫度以下，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對(duì)于全年冷卻，由于夏季存在室外溫度高、濕度較高的工況，為保證冷源出水溫度的穩(wěn)定，間接蒸發(fā)冷卻塔可與水冷電制冷機(jī)結(jié)合而形成新系統(tǒng)；該系統(tǒng)用在我國(guó)西北地區(qū)的數(shù)據(jù)機(jī)房，可極大程度上發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。如果對(duì)末端進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)要求的冷凍水供水溫度可以升高，那么自然冷卻時(shí)間可以進(jìn)一步延長(zhǎng)，冷源系統(tǒng)的能效也可以大幅度提升。目前對(duì)機(jī)房的新要求為，冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域溫度為18-27℃[18]，所以二次水供回水溫度最高可以達(dá)到21/27℃[18]，為進(jìn)一步節(jié)能創(chuàng)造了條件。

1 間接蒸發(fā)冷卻與電制冷機(jī)結(jié)合的新系統(tǒng)運(yùn)行模式及其原理

1.1 新系統(tǒng)原理及切換方法

將間接蒸發(fā)冷卻塔與常規(guī)水冷冷水機(jī)組相結(jié)合，形成一種全新的機(jī)房空調(diào)冷源系統(tǒng)[3]，如圖1所示。

由圖1，間接蒸發(fā)冷卻塔制備出的冷水首先送入板式換熱器，板式換熱器一側(cè)為間接蒸發(fā)冷卻塔制備的冷水，另一側(cè)為機(jī)房的冷水回水。在板式換熱器的機(jī)房冷水回水側(cè)設(shè)置閥門1和閥門2，用來實(shí)現(xiàn)不同工況的切換，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工況切換方法詳見參考文獻(xiàn)[3]。間接蒸發(fā)冷卻塔的兩種流程可分別稱為為串聯(lián)和并聯(lián)循環(huán)，圖2展示了各自的循環(huán)示意圖[3]。圖1展示的是串聯(lián)循環(huán)與水冷冷機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)。

夏季工況，間接蒸發(fā)冷卻塔作為水冷冷機(jī)的冷卻塔用[3]。此時(shí)閥門1關(guān)閉，閥門2打開，機(jī)房的回水僅經(jīng)過水冷冷機(jī)的蒸發(fā)器被降溫，間接蒸發(fā)冷卻塔制備出冷卻水帶走冷凝器的排熱。在此工況下，冷卻水經(jīng)過板式換熱器但溫度不變，之后進(jìn)入制冷機(jī)組的冷凝器升溫[3]。

冬季工況，制冷機(jī)組關(guān)閉，間接蒸發(fā)冷卻塔獨(dú)立作為冷源。此時(shí)閥門1開啟，閥門2關(guān)閉[3]。在不同室外氣象條件時(shí)，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供水溫度，機(jī)組會(huì)根據(jù)室外的氣象來調(diào)節(jié)排風(fēng)量。對(duì)于并聯(lián)循環(huán)，冬夏分界線介于等濕球溫度線和等露點(diǎn)線之間（見圖8），可根據(jù)濕球溫度和露點(diǎn)溫度的均值來調(diào)節(jié)排風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)控制的便利。當(dāng)供回水溫度為10℃/16℃時(shí)，代表排風(fēng)量的氣水質(zhì)量之比（風(fēng)水比）的調(diào)節(jié)情況如圖3所示，冷卻水系統(tǒng)一直不調(diào)節(jié)。

過渡季工況，室外露點(diǎn)溫度、濕球溫度介于冬季和夏季之間，間接蒸發(fā)冷卻塔制備出的冷水溫度也在一次水設(shè)計(jì)供回水溫度之間。此時(shí)間接蒸發(fā)冷卻塔與機(jī)械制冷機(jī)組可以聯(lián)合運(yùn)行共同制備出機(jī)房所需的冷水供水，此時(shí)閥門1開啟，閥門2關(guān)閉[3]。

由上述各工況的運(yùn)行模式可見，新系統(tǒng)可僅通過比較間接蒸發(fā)冷卻塔出水溫度與機(jī)房要求的供回水溫度的關(guān)系便可決定運(yùn)行模式。對(duì)于不同的運(yùn)行模式，整個(gè)冷卻水系統(tǒng)不存在切換，僅是機(jī)房冷水側(cè)的閥門1和閥門2進(jìn)行切換、制冷機(jī)組的啟停。從運(yùn)行調(diào)節(jié)上講，該系統(tǒng)不存在由于工況手動(dòng)調(diào)節(jié)不當(dāng)，而導(dǎo)致有水管存著不流動(dòng)的水而結(jié)冰的情況，保證了冷卻水管路冬季不凍。同時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻塔可以從原理上使得冬季低溫進(jìn)風(fēng)被升溫進(jìn)而防凍。系統(tǒng)安全防凍。

 此外，冬季工況，只需變頻調(diào)節(jié)間接蒸發(fā)冷卻塔的排風(fēng)量，便可穩(wěn)定出水溫度，控制邏輯簡(jiǎn)單。

1.2 冬季防凍原理

圖4在焓濕圖上表示出了間接蒸發(fā)冷卻塔串聯(lián)循環(huán)的一個(gè)冬季運(yùn)行工況。該工況取蘭州冬季最冷的室外氣象參數(shù)[19]，室外干球溫度-16.9℃，冬季一次水回水溫度16℃，出水溫度10℃，空氣與水的溫度沿程變化如焓濕圖所示。該工況下的氣水比為0.46。不同季節(jié)工況計(jì)算的數(shù)學(xué)模型詳見參考文獻(xiàn)[17]。

由圖4可知，發(fā)生在間接蒸發(fā)冷卻塔內(nèi)部的空氣和水直接接觸的整個(gè)蒸發(fā)冷卻過程，空氣的干球高于11℃，濕球高于3℃，水溫高于10℃，整個(gè)噴淋過程都不存在溫度低于0℃的位置，沒有結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。間接蒸發(fā)冷卻塔冬季制備冷水，其能夠防凍的核心是通過間接蒸發(fā)冷卻塔的表冷器利用機(jī)房回水對(duì)室外風(fēng)升溫，使得空氣和水直接接觸的蒸發(fā)冷卻過程在高溫的環(huán)境下完成[3]。馮瀟瀟[3]給出了間接蒸發(fā)冷卻塔冬季工況的測(cè)試結(jié)果，包括系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)參數(shù)、空氣-水換熱器（表冷器）的出風(fēng)溫度與系統(tǒng)進(jìn)出水的溫度測(cè)試，用紅外熱成像儀測(cè)試風(fēng)水順流、逆流的表冷器的進(jìn)風(fēng)面和水管拐角處的溫度分布狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示于圖5-6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可證明表冷器預(yù)熱空氣的方法可以使得間接蒸發(fā)冷卻塔各處都不會(huì)結(jié)凍。

1.3 夏季出水低于濕球溫度的原理 

間接蒸發(fā)冷卻塔在夏季運(yùn)行時(shí)，機(jī)組進(jìn)風(fēng)通過表冷器被機(jī)房冷卻水回水（串聯(lián)循環(huán)）或與機(jī)房冷卻水同溫度的自身制備的冷水（并聯(lián)循環(huán)）進(jìn)行冷卻，其降低出水溫度的核心是降低噴淋塔進(jìn)風(fēng)的濕球溫度[20]，這也是降低入口參數(shù)的不匹配程度的過程。圖7焓濕圖展示了并聯(lián)循環(huán)的間接蒸發(fā)冷卻塔沿程的溫濕度分布。對(duì)于間接蒸發(fā)冷卻塔來說，進(jìn)風(fēng)被等濕降溫，使得進(jìn)風(fēng)濕球溫度下降，從而使得冷水出水溫度降低。極限情況，間接蒸發(fā)冷卻塔的出水溫度可以無限接近露點(diǎn)溫度，而常規(guī)冷卻塔的出水極限溫度僅能到室外濕球溫度。干燥地區(qū)室外露點(diǎn)溫度可以比室外濕球溫度低4-10℃[20]，從而，利用間接蒸發(fā)冷卻塔可以降低冷水出水溫度，比常規(guī)冷卻塔低2.5-4℃[20]。當(dāng)間接蒸發(fā)冷卻塔當(dāng)做機(jī)械制冷機(jī)組的冷卻塔使用時(shí)，可以降低冷凝器的冷凝溫度，提高機(jī)械制冷機(jī)組的COP至1.2-1.6倍，降低機(jī)組電耗。

1.4 缺水時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行模式

在某些地區(qū)，冷卻水供應(yīng)不足，這時(shí)候冷凝器排熱的冷卻水不經(jīng)過噴淋塔只經(jīng)過表冷器，通過室外風(fēng)對(duì)冷機(jī)冷凝器的冷卻水降溫。

當(dāng)夏季工況室外干球溫度32.7℃，濕球溫度21.5℃，大氣壓84.82kPa(蘭州氣象數(shù)據(jù)[19])，對(duì)于與電制冷機(jī)結(jié)合的間接蒸發(fā)冷卻塔的串聯(lián)方案，串聯(lián)循環(huán)冷卻水溫度為45.5℃/50.5℃，電制冷機(jī)的冷凝溫度為51.5℃；若將間接蒸發(fā)冷卻塔的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為雙速風(fēng)機(jī)，缺水時(shí)，風(fēng)機(jī)在高速下運(yùn)行，冷卻水溫僅為37.9℃/42.9℃，電制冷機(jī)的冷凝溫度為43.9℃。對(duì)于風(fēng)冷機(jī)組，此時(shí)冷凝溫度為47.7℃。所以在極端缺水情況，其效果與風(fēng)冷機(jī)相當(dāng)。

所以，該系統(tǒng)也可以在冷卻水供應(yīng)不足的情況下與風(fēng)冷機(jī)組在相當(dāng)?shù)暮碾娏肯逻\(yùn)行，大大降低了水冷系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)水的依靠程度，提高了系統(tǒng)的安全性。

2  典型案例分析

對(duì)于位于蘭州的某供冷量14.4MW的數(shù)據(jù)機(jī)房，需冷源系統(tǒng)全年為機(jī)房穩(wěn)定提供冷凍水。根據(jù)機(jī)房對(duì)供水溫度的最新要求[18]，取一次水供水溫度在10-20℃的溫度區(qū)間，每隔2.5℃計(jì)算一組工況。采取蘭州的氣象參數(shù)。對(duì)比方案為（1）方案一，串聯(lián)間接蒸發(fā)冷卻塔與水冷冷機(jī)結(jié)合的新系統(tǒng)；（2）方案二，并聯(lián)間接蒸發(fā)冷卻塔與水冷冷機(jī)結(jié)合的新系統(tǒng)；（3）方案三，風(fēng)冷冷機(jī)；（4）方案四，普通冷卻塔與電制冷機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)。

所有方案間接蒸發(fā)冷卻表冷器為6排，NTU=2.65。

全年氣象參數(shù)及提供10/16℃冷水時(shí)各方案的冬夏分界點(diǎn)如圖8所示。低溫、高溫冷卻水的自然冷卻時(shí)長(zhǎng)、全年耗水量耗電量為表1和表2所示。圖9展示了干空氣能全年分布。夏季干空氣能大于等于1 kJ/kg.a的時(shí)候都適合用間接蒸發(fā)冷卻。

       四種方案在不同供回水溫度下全年逐小時(shí)的模擬結(jié)果如圖10-12所示：

表1展示了不同方案在不同供回水溫度下自然冷卻工況與非自然冷卻工況的切換條件。

圖13以15/21℃一次水冷卻水供回水為例，對(duì)比了四種方案全年逐小時(shí)耗電情況。

在每個(gè)供回水溫度下分別對(duì)比四個(gè)方案，可以看到，帶有間接蒸發(fā)冷卻塔的系統(tǒng)可以延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間，大幅度降低全年耗電量。其中方案一串聯(lián)間接蒸發(fā)冷卻循環(huán)防凍性能最好。

對(duì)比四個(gè)方案各自在不同供回水溫度下的自然冷卻時(shí)長(zhǎng)和耗電量，可以看到，提高機(jī)房供水溫度對(duì)可以大幅度降低耗電量。機(jī)房供水溫度每提高1℃，蒸發(fā)冷水機(jī)組依靠自然冷卻運(yùn)行時(shí)間會(huì)增加17-19天；且高溫供水可以使得間接蒸發(fā)冷卻塔幾乎全年自然冷卻。而對(duì)于風(fēng)冷冷水機(jī)組來說，自然冷卻時(shí)長(zhǎng)隨供回水溫度的變化約為8-9天/℃，為水冷機(jī)組的一半。說明提高機(jī)房的供回水溫度對(duì)水冷系統(tǒng)更為有利。這也反映了這個(gè)溫度區(qū)間里，干球溫度和濕球溫度隨時(shí)間的變化速率的差異。

3 總結(jié)

綜上，間接蒸發(fā)冷卻塔與水冷冷機(jī)相結(jié)合的新型冷源系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)：

（1）夏季降低冷卻水出水溫度，提高冷機(jī)COP；

（2）冬季從原理上徹底避免冷卻塔結(jié)冰；

（3）工況切換避免了水管結(jié)凍，利于安全運(yùn)行；

（4）極端缺水情況依然可以正常運(yùn)行，性能與風(fēng)冷機(jī)相當(dāng)；

（5）可模塊化，放置于屋頂，省去機(jī)房面積；同時(shí)增加冷源的可靠性；可分期投入；

（6）運(yùn)行調(diào)控簡(jiǎn)單，僅通過風(fēng)機(jī)變頻保證穩(wěn)定的出水溫度。

當(dāng)機(jī)房設(shè)計(jì)供水溫度提高時(shí)，該系統(tǒng)的耗電量顯著降低，有著非常大的節(jié)能潛力。

風(fēng)冷制冷系統(tǒng)的電耗相比常規(guī)水冷方式都有明顯增加，在大型數(shù)據(jù)中心的冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免設(shè)計(jì)風(fēng)冷制冷的系統(tǒng)。

備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)（2018年10月23～27日，中國(guó)·三門峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。

本文標(biāo)題：用于西北地區(qū)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能冷源技術(shù)

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