两种高效间接蒸发冷却器性能对比与适用性研究
武茁苗黄翔陈梦屈名勋史东旭
陈红卫”王晓东”苗会成
（1.西安工程大学西安710048：2.欧伏电气股份有限公司廊坊065201）
【摘要】随着我国“双碳”目标的提出，给数据中心冷却领域带来了全新的挑战，间接蒸发冷却技术以其“绿色、高效、适用”等特点成为数据中心主要的冷却方式之一.通过实验测试得出板翅式、板式换热芯体的平均湿球效率分别为64.1%、60.4%，从节能角度出发板翅式换热芯体具有更好的应 用前景，为间接蒸发冷却空调设备的开发提供了指导意义.同时计算并预测了在数据中心以新风自然冷却以及间接蒸发冷却为冷源应用于乌鲁木齐市、北京市、广州市的全年运行小时数，板翅式换热芯体为7902h、6306h、2992h，全年占比90.2%、72.0%、34.2%：板式换热芯体为7307h、5911h、2681h，全年占比83.4%、67.5%、30.6%.该研究为不同地区数据中心推广与应用间接蒸发冷却空调提供了参考依据.
【关键词】数据中心：间接蒸发冷却：湿球效率：板翅式换热芯体：板式换热芯体：运行小时数中图分类号TU831文献标识码A
Performance Comparison andApplicability Analysis of two Kinds of Efficient Indirect Evaporative CoolersWu Zhuomiao’Huang Xiangl Chen Meng’Qu Mingxun’ Shi Dongxu( 1.Xian Polytechnic University Xian 710048; 2.Onoff Electric Co. Inc Langfang 065201 ) Chen Hongwei²Wang Xiaodong*Miao Huicheng*
【Abstraet ]With the proposal of 'dul carbon* n China it brings new challenges to the cooling field of dta center. Indietevaporative cooling technology has bee one of the main cooling methods of data center due to its “green effcient andapplicable” characteristics. In this paper the experimental results show that the average wet-bulb effciency of plate fin and platebetter applicatio prospect and pvides guidance for the develpment of indirect evaporative cooling air conditioing quipment. heat exchange core is 64.1% and 60.4% respectively. From the pepective of enrgy saving the plate fin het exchange oe has aAt the same time the annual operating hours of fresh air natural cooling and indiret evaporative cooling applied in Urumqi Beijing and Guangzhou were calculated and predicted. The plat-fin heat exchanger cores were 7902h 6306h and 292h accountingfor 90.2% 72.0% and 34.2% in the whole year. Plate heat exchanger core is 7307h 5911h 2681H accounting for 83.4% 67.5% 30.6% of the whle year. This study provides a referenee for the promtion and application of indiret evapotive cooling airconditioning in data centers in different areas.
【 Keywords IThe data center; Indirct evaporative cooling; Wet bulb efficieney; Plate fin heat exchanger core; Plate heatexchanger core; Hours of operation
0引言
再结合我国典型气候特征的三个城市全年室外气象参数，得出两种不同结构形式间接蒸发冷却器各 个模式下全年的小时数占比，进而分析其适用性.
蓬勃发展，用电量也在不断增加.数据中心的能耗 近些年来，数据中心产业在中国新基建背景下主要由IT设备、制冷设备、供配电系统、照明等消耗电能的数据中心设备组成，值得一提的是制冷设发展背后的变化对于机楼的冷却技术带来一定的 备的能耗就占到总能耗的40%左右，数据中心蓬勃挑战.传统的集中式空调系统中压缩机所占能耗巨大，这即不满足数据中心低PUE的要求，也会严重影响“双碳”目标的实现.蒸发冷却空调由于是用水作为制冷剂，不会排放CFC，因此蒸发冷却空 调是一种低碳、节能、经济、健康的环保空调技术习.从数据中心应用的角度出发，目前机房设计标准放宽、高回风温度设计、匹配的建筑气流设计、模块化集成技术和显著的节能优势，大力推动了间 接蒸发冷却技术在数据中心的应用和发展匀.然而现阶段蒸发冷却空调产品普遍面临着以下的技术障碍：冷却效率低、温降幅度有限、设备体积比较大以及受环境空气湿球温度的影响程度大.这些问题都与间接蒸发冷却器密切相关，因此对于不同 的间接蒸发冷却器性能对比与适用性研究就显得尤为重要.
1间接蒸发冷却技术
1.1间接蒸发冷却器传热分析
间接蒸发冷却器是间接蒸发冷却空调的核心部件，它由两个不同的空气流道组成，一次通道内为被冷却的空气，二次空气流道内发生直接蒸发冷却过程降低二次空气温度，通过二/一次间壁传经蒸发冷却后的空气温度为t，经过二次空气与水 热再降低一次空气温度2，如图1所示，二次空气膜之间的传热热阻1/h温度升至t3：之后通过水膜的导热热阻b与换热器的导热热阻&温度升至tl：最后再经过一次空气与换热器壁面之间 的传热热阻1/h温度达到n.此时的n即为一次通道侧被冷却后空气的出风温度3.14].
Vollebregt和DeJong研究了用于降低温室内空气的温度和湿度的板式间接蒸发冷却器强化传热 方法，研究表明，一次空气的温度和湿度均有降低：空气流速较低时，效果更好：在此条件下，潜热量是显热量的两倍多.樊丽娟口等设计了一台换热管采用多孔陶瓷材料且换热管立式布置的间接蒸发冷却器，研究其温降和效率等性能.常江等人 对板管式间接蒸发冷却换热器，从芯体结构、材料的选择、芯体的换热计算和各功能部件的设计计算等方面进行详细设计分析.贾晨昱9等引出了间接运行模式并对运行模式的切换条件进行了计算分 蒸发冷却技术应用于数据中心时对应的3种节能析.钟彩霞采用夏季空调室外逐时气象参数对陕北地区榆林、延安、定边3个典型城市进行了分析，判别蒸发冷却技术在中等湿度地区的适应性.
图1水膜与器壁的传热
Fig.1 Heat transfer between water film and wall
1.2间接蒸发冷却制取冷风过程
机理与制取冷风的原理.通过在数据中心两种高效 本文主要从理论上分析了间接蒸发冷却传热间接蒸发冷却器实验平台上的对比，得出各自在不同二/一次风量比下的换热效率，进而推算出各个换热芯体在干模式、湿模式和混合模式切换条件.
图2间接蒸发冷却器恰湿图
Fig.2 Enthalpy moisture diagram of indireet evaporative cooler
通道侧一次空气发生等湿冷却过程，湿通道侧二次 图2为间接蒸发冷却空调空气处理增湿图，干空气发生等恰冷却加湿过程.二次空气由状态点1被等冷却到状态点4，此过程近似为一个绝热过程.得到湿通道冷量的一次空气从状态点1被等湿冷却到状态点2.同时，一次侧的热量就会传递到 二次侧，此时状态点4的水会持续升温进面加速蒸发，最终到达状态点3
不高，不如板翅式换热效率高. 从而使空气流动阻力较小.它的缺点主要是紧凑型
1.3评价指标
换热效率是衡量间接蒸发冷却器性能的重要指标之一，它可以间接的反应一次空气的温降程 度，面干模式与湿模式的计算效率方法也是不同的[.如下式：
(1)
(2)
其中，7、7为间接蒸发冷却器干模式、湿模式下的换热效率，%：glm、Lu为一次空气进、出风干球温度，C：2.m、2.m为二次空气 进风干球、湿球温度，C.
图3两种间接蒸发冷却器实物图
2.2测试平台
2两种换热芯体及其测试平台
2.1两种换热芯体
种高效换热芯体，均为金属铝箔材料，分别是板翅 本次研究对象为目前数据中心普遍使用的两式与板式换热芯体.如图3（a）所示，板翅式间接蒸发冷却器由翅片、隔板和封条三部分组成.一次空气与二次空气分别在各自的流道中流动，它们的热交换方式是通过翅片及与翅片连成一体的隔 板进行传热.从中我们可以看出板翅式间接蒸发冷却换热芯体结构非常紧凑，因此换热效率高.正是因为其结构紧凑，所以它的流道非常窄，容易积灰或产生水垢，这样不仅会增大传热热阻，换热效率 降低：同时还会使空气流经流道时的阻力增大，从而使风机的消耗功率加大.
如图3（b）所示，板式间接蒸发冷却换热芯体的一次空气流经管内，二次空气在管外侧垂直掠过板管，该换热芯体的优点有很多，主要有：布 水均匀，易形成均匀水膜：该芯体与管式换热芯体一样，流道比较宽，可以很好的解决流道堵塞问题，
图4间接蒸发冷却空调测试平台实物图Fig.4 Physical drawing of indireet evaporative cooling air
conditioning test platform
2.3测试仪器
3 性能对比
3.1温降、效率对比分析
台实物图，尺寸（DWH）为：2000mmx800mmx 图4（a）为板翅式间接蒸发冷却空调测试平1800mm，风量5000m/h.图4（b）为板式间接蒸发冷却空调测试平台，尺寸（DWH）为：6058mm×2825mm×3600mm，风量55000m/h.两调机组. 个实验平台均为用于数据中心的间接蒸发冷却空
为了减少实验误差，本次实验在换热芯体一次空气侧进、出口以及二次空气侧进、出口4个位置均值，分别测出各个位置的干球温度、相对湿度以 分别布置多个测点，每个位置取测点所测数据的平及风速，具体情况如表1所示.
表1测试内容及仪器
Table 1 Test contents and instruments
编号 测试内容1 一次空气进口 测点位置 干球温 Testo174H温湿度自 测试仪器2 一次空气出口 度、相对 记仪、Testo405V13 二次空气进口 湿度、风 热级式风速仪、4 二次空气出口 速 多路数据记录仪
本次实验干、湿模式条件下室外气象参数均一致，即二次风进口干球温度为25℃，相对湿度为39.3%，湿球温度为16℃：用锅炉加热装置模拟数据中心高散热设备，使得一次空气进风干球温度 （数据中心回风温度）维持在37.7C.通过改变二次风进口风速（1.2m/s-3.1m/s）使二/一次风量比维持在0.8~1.4之间.
在干模式运行情况下，由图5可知，当二/一冷却器的一次风温降和效率都会有所上升，在当前 次风量比从0.8到1.4时，板翅式与板式间接蒸发测试环境下，板翅式、板式间接蒸发冷却器温降在7.9℃~8.8℃、7.5℃~8.3℃之间，各自对应的换热效率在62.2%~69.3%、59.1%~65.4%之间.如图6所示，湿模式运行时板翅式、板式间接蒸发冷却器温降在13.2C~14.4C、12.4℃~13.6℃之间，各自对 应的湿球效率在60.8%~66.4%、57.1%~62.7%之间，湿模式下一次风温降相较于干模式更大，板翅式平均温降大5.6℃，板式平均温降大5.2℃.
二次进风风量会使换热效率增大.但过多的增大风 由图5、6可知，无论干模式或湿模式，增加量，效率提升速率会变得很缓慢，这样会造成风机能耗加大：同时会导致二次通道侧风速增大，不利于壁面水膜的均匀附着，同时空气与水膜接触的时/一次风量比也是非常重要的.同时，板翅式换热 间也会减少，使蒸发冷却效率下降.因此合理的二效果明显优于板式.
图5干模式下温降、效率对比
Fig.5 Temperature drop and efficiency parison in dry
图6湿模式下温降、效率对比
3.2不同模式出风温度对比分析
如图7所示，在干模式下板翅式间接蒸发冷却器一次风出风温度在28.9℃~29.8℃范围内，湿模式下一次风出风温度在23.3℃~24.5℃范围内.板 式间接蒸发冷却器一次风出风温度如图8所示，干模式下一次风出风温度在29.4℃~30.2℃范围内，湿模式下一次风出风温度在24.1℃~25.3℃范围内.板翅式一次风出风温度明显低于板式.
符合数据中心送风要求.因此接下来对两种不同结 构的间接蒸发冷却器在不同室外空气状态参数下各个模式的适用小时数进行划分2叫
4适用性分析
4.1温度区间划分
由于在数据中心全年运行中，间接蒸发冷却空调二/一次风量比会根据室外环境的变化而进行调整，芯体换热效率也会随之波动21，为了充分保证数据中心全年稳定运行，板翅式间接蒸发冷却器取最低效率值62.2%（干模式）、60.8%（湿模式）： 板式间接蒸发冷却器取最低效率值59.1%（干模式）、57.1%（湿模式）.数据中心送风温度取24℃，目前国内大部分机房送回风温差选取12℃，故回全年运行模式室外二次空气的切换条件[22]： 风温度确定为36℃.根据式（1）、（2）计算得到
图7板翅式出风温度
Fig.7 Plate-fin outlet temperature
图8板式出风温度
Fig.8 Plate outlet air temperature
和《数据中心蒸发冷却空调技术规范》（T/DZIN 根据《数据中心设计规范》（GB50174-2017）10-2020）[13 19中规定的数据中心机房送风温度在18℃~27℃之间，回风温度在35℃~38℃之间.本次测试的室外环境干球温度为25℃，相对湿度为39.3%，湿球温度16℃.从图7、8中可以看出此 状态下两种换热芯体湿模式送风温度均在23.3℃25.3℃范围内，是符合数据中心送风要求的：而此时干模式送风温度在28.9℃~30.2℃范围内，不
注：以下结果保留一位小数.
温度区间划分不同，三种冷却模式的设备运行状态 不同间接蒸发冷却器对应三种冷却模式下的也不同，代入上述已知数据，得到的结果如表2所示.
表2运行模式的温度划分
Table 2 Operating mode temperature division
运行模式 板翅式 板式 设备运行状态干模式 gu≤16.7'℃ gx≤15.7'℃ 风机开启、水泵与压缩机关闭湿模式 x≥16.7'℃、 ≥15.7℃、 风机与水泵开启、压缩机关闭fx≤16.3'℃ fax≤15.0'C混合模式 fo ≥16.3′℃ o≥15.0℃ 风机、水泵、压缩机均开启
应用于数据中心的适用性有着重要的影响5.本次实验对象选取我国干燥地区29（乌鲁木齐市）、中湿度地区（北京市）以及高湿度地区（广州市）三个城市为代表，如表3所示.
4.2典型城市选取
蒸发冷却空调作为气象空调123.24，其性能参数往往受室外空气的干球温度和相对湿度的影响较为严重，因此，室外气象参数对间接蒸发冷却空调
