山西某银行数据中心冷水机组选用对比分析

侯 瑞

(华林中创建筑规划设计有限公司，山西 太原 030027)

金融业数据中心需要保证24 h不间断运行，因此对数据中心的能源消耗进行控制就显得尤其重要。研究数据证明，数据中心总能耗的40%用于通风空调系统。可见数据中心空调系统的节能潜力巨大[1]。

笔者在进行数据中心空调设计时，分析了蒸发冷凝式冷水机组用于数据机房的优势，并在能效比、年运行费用等方面与自然冷却风冷式冷水机组进行了对比分析。

1 蒸发冷却

1.1 蒸发冷却技术简介

蒸发冷却空调技术是一项利用水蒸发吸热制冷的技术，根据水与被冷却空气的接触方式蒸发冷却系统分为间接式，直接式和复合式等形式[2]。

1.2 蒸发冷却在焓湿图中处理流程

蒸发冷却在焓湿图中处理流程如图1所示。

1)直接蒸发冷却设备处理空气后，空气的状态点位于0点与1点(空气状态为0点所对应的空气湿球温度点)之间，即空气的干球温度与湿球温度之间的某一点，极限温度可以达到1点。2)间接蒸发冷却设备处理空气后，空气的状态点位于干球温度与露点温度之间的某一点。3)复合蒸发冷却设备处理空气后，空气的终状态点由间接与直接两种蒸发方式共同确定，若间接蒸发处理空气到2点，则最终空气状态点会落到3点处(空气状态为2点所对应的湿球温度点)。4)多级蒸发是在单级蒸发冷却的基础上发展出来的。通过多次对空气进行冷却，使被处理空气无限接近露点温度4(空气状态为0点所对应的露点温度点)。

1.3 蒸发冷凝式机组介绍

蒸发冷凝式冷水机组由四大部件组成。其中的蒸发式冷凝器是机组独有的部件，也是与常规水冷式冷水机组的主要区别之处。机组启动后，冷却水喷淋系统首先启动，冷却水经过上部喷淋系统，被喷淋在冷凝排管外部，与冷凝排管内部高温制冷剂发生热交换，吸收制冷剂的热量，达到冷却制冷剂的目的。机组同时设置机械通风系统，通过空气与水的双重作用，强化换热效果。

2 风冷冷却

2.1 风冷冷却技术简介

风冷式冷水机组是以空气作为冷却介质，不需要冷却水系统。风冷机组结构简单、造价较便宜、安装方便，由于没有冷却水的因素，冷凝器不易结垢，换热效果好。

2.2 风冷冷凝式机组介绍

空气受到自身物理性质的限制，与冷凝器内的制冷剂进行换热时，需要更大的换热面积，才能达到与水冷式同样的换热效果。因此会导致风冷设备机组尺寸增大。此外，机组对周边环境温度要求苛刻，当地空调计算干球温度较高时，机组冷却效果受到很大的影响。因此，自然冷却风冷式冷水机组常采用复合式制冷模式，首先充分利用室外低温空气的冷却能力，同时设置机械式制冷为整个系统提供保障，保证机组在各种环境下运行的稳定性。

3 两种机型运行分析及经济性比较

3.1 工程项目概况

本项目位于山西省太原市，总建筑面积18 544.43 m2，其中三、四层为数据中心，面积为1 910.4 m2，按照标准机房设计。室外设计参数如表1所示，室内设计参数见表2。

表1 室外空气计算参数(太原地区)

表2 室内计算参数

3.2 冷负荷计算

综合考虑数据中心24 h不间断运行的特殊性。冷量按照逐时逐项综合最大值计算，冷负荷最大值为630 kW,其中建筑冷负荷30 kW，数据中心机房工艺冷却550 kW,辅助及UPS房间冷负荷50 kW。

3.3 性能对比分析

表3为常规制冷工况下，数据机房分别采用两种机组在经济性，性能、能源消耗等方面的对比。

表3 常规制冷工况下两种方案COP及运行费用对比

从表中数据可知：1)COP比较：蒸发冷凝式冷水机组与自然冷却风冷式冷水机组相比，COP有大幅提升，二者存在巨大差距。2)经济性方面比较：a.初投资经济性比较：蒸发冷凝式冷水机组系统造价约为250元/m2，自然冷却风冷式冷水机组系统造价约为230元/m2，蒸发冷凝式冷水机组初投资费用略高。b.运行费用经济性比较：蒸发冷凝式冷水机组具有更低的年耗电费，经济性方面比自然冷却风冷式冷水机组更具优势。

3.4 机组利用室外低温空气能力的对比分析

当外部环境满足机组使用要求时，两种机型均可在完全不开启压缩机的前提下，利用外界环境进行热交换，提供冷量，满足使用需求。表4所示为利用室外低温空气时，数据中心机房分别采用两种机型的性能比较。

表4 自然冷源工况下两种方案COP对比

从表中数据可知，当机组处于室外低温空气工况下运行时，机组的节能效果均非常明显。提供相同制冷量的前提下，蒸发冷凝式冷水机组具有更高的能效比，经济性方面具有更大的优势。

3.5 两种机组对环境空气温度依赖性比较

风冷式冷水机组的性能变化与环境的干球温度有直接关系，而环境的湿球温度则决定了蒸发冷凝式冷水机组的性能变化。图2为环境空气湿球温度与蒸发冷凝式冷水机组性能变化关系。由数据可知，机组制冷性能与其所处环境的湿球温度成反比关系。湿球温度的升高，会导致冷凝温度及其对应的冷凝压力的共同升高。这对冷凝器的传热非常不利，因为随着冷凝温度升高，冷凝器内外的传热温差会变小，压缩机的压比π会增大，系统制冷量及性能系数均会受到影响，下降的幅度非常明显。因此，在实际使用中，需要随时关注机组的室外环境参数，选择合适的冷却方式[3]。

图3为环境干球温度与自然冷却风冷式冷水机组性能变化关系。由数据可知，与湿球温度对蒸发冷凝式冷水机组性能的影响类似。风冷式冷水机组制冷性能与其所处环境的干球温度同样成反比关系。随着干球温度的升高，制冷机组的效率降低，制冷量及性能系数都会产生明显下降，需要消耗更多的电能去制冷，从而造成经济性的下降。

4 结语

根据两种机组在不同工况下的运行情况，考虑环境温度对机组性能的影响，得到如下结论：

1)在常规制冷工况下，蒸发冷凝式冷水机组在经济性及COP性能上占据优势。2)使用自然冷源工况下，两种机组COP数据均很高。其中蒸发冷凝式冷水机组的COP更是高达29.5，仍比自然冷却风冷式冷水机组COP高约34.1%。3)两种机组性能均受到环境温度的影响。分别受到环境中空气湿球温度及空气干球温度的影响，并且与温度的变化成反比关系。4)随着科学技术的不断发展，蒸发冷却机组的节能潜力及经济优势将得到更大的体现。