渭南市某通信機房蒸發式冷氣機實測分析

沈天磊 黃 翔 武茁苗 史東旭 楊 柳 馬 鋼

（西安工程大學 西安 710048）

0 引言

隨著時代的高速發展，社會信息化進程不斷加快，我國的通訊系統正在呈現一股磅礴發展之勢。但是，伴隨著通訊網絡的高速發展，隨之而來的高能耗問題也日益凸顯，高能耗導致的高成本問題也不斷加重。近些年，國家雙碳目標的提出使得節能降碳成為國家發展的重中之重。這就導致通信機房領域不得不做出改變，運用節能環保的技術進行節能降碳。在整個通訊行業中，主要以電能消耗為主，占整體能耗的87%；在電能消耗中，又以通信設備和空調設備為主[1]。因此，降低空調能耗在通訊機房領域節能降碳中起到了至關重要的作用。

在制冷空調領域，蒸發冷卻技術作為一種利用干空氣能的綠色技術在節能減排方面發揮著重要的作用。蒸發冷卻技術主要分為直接蒸發冷卻技術和間接蒸發冷卻技術。相較而言，直接蒸發冷卻技術具有成本低、安裝維護方便等優點，被大量應用于紡織廠、通訊機房以及軌道交通等領域。

直接蒸發冷卻技術作為一項日益成熟的技術已經在通訊機房領域有了許多研究，其中周海東等結合工程設計實例，詳細探討了直接蒸發冷卻器應用于通信機房（基站）的優勢，表明在通信機房的節能改造過程中，采用直接蒸發冷卻器在通信機房進行降溫節能效果顯著且較為經濟[2]。范坤等通過對西安某通信機房進行實測，分析研究了管式間接-直接蒸發冷卻空氣處理機組在通信機房中的應用情況，得出通過管式間接蒸發冷卻技術與直接蒸發冷卻技術組合，在過渡季節可以起到良好的制冷節能效果[3]。黃翔等通過理論分析對機組進行優化，得出直接蒸發冷卻在我國大部分地區的通信機房中都有很大的應用潛力[4]。

本文通過對陜西渭南某通信機房采用蒸發式冷氣機運行期間的使用情況進行測試分析，探討直接蒸發冷卻設備在小型通信機房使用的可能性與節能性，并對類似通信機房的節能改造提供依據。

1 蒸發式冷氣機工作原理及特點

蒸發式冷氣機由填料、布水器、風機、水泵、輸水裝置、電控裝置等部件所組成，作為一種應用直接蒸發冷卻技術的空調設備，有著降溫效果好、安裝維護方便、占地面積小、運行費用低等特點[5]。在設備工作過程中，水通過布水器均勻的被噴淋在紙質填料表面，在紙質填料表面形成一層水膜。處于狀態點W 的外部空氣由機組四周的進風口進入機組，經過粗效過濾后與紙質填料表面的水膜進行熱濕交換，最后被等焓冷卻至接近室外空氣濕球溫度（狀態點O），再經風機送入室內，此時空氣處于狀態點N。該處理過程焓-濕圖如圖1所示[6]。該設備內部結構如圖2所示。

圖1 直接蒸發冷卻空氣處理過程焓-濕圖Fig.1 Enthalpy and humidity diagram of direct evaporative cooling air treatment process

圖2 蒸發式冷氣機結構圖Fig.2 Structure of evaporative air conditioner

2 蒸發式冷氣機運行測試

2.1 工程概況

該通信機房位于陜西省渭南市高新區，整個機房層高為4m，機房占地面積30m2，為小型通信。整個機房共包含數據機柜17 個，呈3 列布置，機柜總功率19kW。通信機房平面布置圖如圖3所示。

圖3 通信機房平面布置圖Fig.3 Layout of the communications room

整個機房采用分散式空調系統形式，機房共設置兩種機型的空調設備，其中2 臺精密機房空調，1 臺蒸發式冷氣機。室內精密空調與機柜垂直擺放。蒸發式冷氣機置于室外陽臺，機組采用四面進風，出風口連接鍍鋅風管，在2.5m-3m 高處，風管轉直角彎，成水平送風，沿機柜布置方向送風，風管共20m，空調送風方式采用頂部送風。蒸發式冷氣機相關參數如表1所示。

表1 蒸發式冷氣機參數Table 1 Parameters of evaporative air conditioners

2.2 測試方法

本文將矩形風管按截面平均劃分成9 個等面積的小矩形，利用測試儀器，在各小矩形中心布置測點進行測量，最后取平均值作為測量結果。機組進出風截面測點布置圖如圖4（a）、（b）所示。

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

機組進風平均溫度與平均風速按公式（1）、（2）進行計算[9]：

式中：為機組平均進風溫度，℃；Ta1為第一個記錄機組溫度數據，℃；Tan為第n個記錄機組溫度數據，℃；n為記錄機組溫度數據的數量。

式中：為機組平均進風風速，m/s；v1、v2、v3為各個測點的風速，m/s；n為測點數。

在測量出風口平均溫度以及平均風速后，可根據公式（3）算出機組送風量qv：

式中：qv為機組風量，m3/h；為斷面平均風速，m/s；F為測定斷面面積，m2；

最后根據蒸發式冷氣機制冷量計算公式（4），可以計算出機組制冷量：

式中：QZ為蒸發式冷風機制冷量，kW；ρi為風口處空氣密度，kg/m3；t1、t2分別為機組進風干球溫度和出風干球溫度，℃。

2.3 評價指標

蒸發效率是評判機組冷卻性能的一個重要參數[7]。越為干燥炎熱的地區，空氣的干濕球溫度差越大，空氣中能容納水的能力就越強，其蒸發效率也就越強。蒸發效率定義為進出風干球溫度差與進風干濕球溫度差的比值。蒸發式冷氣機的蒸發效率可由公式（5）計算：

式中，η為蒸發效率，%。ts1為進風濕球溫度，℃。

2.4 誤差分析

本實驗利用K 型熱電偶、Testo405V1 熱敏式風速儀、Testo174H 溫濕度自記儀以及多路數據記錄儀進行空氣狀態參數的測量。由于測量會產生測量誤差，因此需要對實驗數據進行不確定度分析。根據測量得到的直接量可以通過公式（6）計算得到相應的間接量的不確定度[8]。

公式中，直接測量值標準不確定度Δx分為兩類：

（1）多次連續測量所造成的不確定度，其計算公式如下：

（2）由于儀器給定誤差所產生的不確定度，其計算公式如下：

最后，實驗直接測量值標準不確定度Δx可由公式（9）計算：

通過進風口與出風口溫濕度等直接測量，可以求得蒸發效率的不確定度。以測量中某一點測量值為例，當t1=33℃，t2=25.9℃，ts1=23.8℃時，濕球效率的理論值為0.78，絕對不確定度為±0.001，相對不確定度為±0.15%。

3 結果分析

3.1 機組進/出風測試結果分析

機組進/出風空氣狀態測試結果如圖5所示。從圖中可以看出，進風干球溫度隨時間的推移逐漸升高，由31℃升高至38℃。進風濕球溫度波動較平緩，保持在23℃-25℃之間。整體進風相對濕度較低，伴隨時間推移，進風相對濕度由51.7%降低至34%。進風干濕球溫差隨時間推移不斷增大，在18:00 時進風干濕球溫差最高可達13.5℃，此時利用蒸發式冷氣機處理空氣將冷卻的更加充分。

圖5 機組進/出風狀態測試結果Fig.5 Test results of unit inlet/outlet air conditions

機組出風干球溫度與機組進風干球溫度存在著相同趨勢的變化，機組進風干球溫度升高，其出風干球溫度也會隨之升高，兩者溫升程度存在差異。機組總體維持出風溫度在26.5℃左右，出風濕球溫度由開始的22.1℃增加至23.74℃再降低至23.52℃，機組出風相對濕度在77%左右進行波動。

3.2 機組蒸發效率及制冷量測試結果分析

機組蒸發效率及制冷量測試結果如圖6所示。從圖中可以看出，在同一風速下，機組制冷量與蒸發效率均先增加后下降。隨著時間變化，機組制冷量由13.7kW 逐漸增加至25kW，隨后又緩慢降低至21.7kW，機組蒸發效率由72.5%增加至79%，隨后又降低至78%。

圖6 機組蒸發效率及制冷量測試結果Fig.6 test results of unit evaporation efficiency and cooling capacity

3.3 送風口到機柜相對濕度變化分析

按照《通信中心機房環境條件要求》[9]要求，A、B 類機房室內相對濕度要求為30%-70%，C、D 類機房室內相對濕度要求為20%-80%。因此本文實測了機房室內12:00-19:00 的逐時相對濕度，如圖7所示。

圖7 機房室內環境相對濕度Fig.7 Relative humidity of indoor environment in the equipment room

如圖7中所示，機房內部環境相對濕度在42%左右不斷波動，滿足機房相對濕度要求。隨后沿蒸發式冷氣機出風口垂直向下，按0.5m 間隔分別取4 個測點，測量了出風口垂直距離上的空氣相對濕度分布情況。在同一風速下，檢測到離出風口垂直方向上相對濕度變化如圖8所示。

圖8 出風口垂直方向相對濕度分布Fig.8 Relative humidity distribution in vertical direction of air outlet

從圖中可以看出，隨著不斷遠離送風口，空氣相對濕度由77%逐步降低到40%，逐漸在40%左右波動。分析其原因可能是機房室內整體空氣相對濕度較低，蒸發式冷氣機送入室內的高相對濕度的空氣經過與室內空氣混合，整體相對濕度會迅速下降，最后處于機房要求的濕度范圍之內。

3.4 節能性分析

為更直觀的研究蒸發式冷氣機的節能性，本文根據實際情況設定了兩種空調設置方案的對比研究。選取相鄰兩天，在相同負荷率條件下，分別針對（方案一）啟用2 臺機房精密機械空調+關閉蒸發式冷氣機和（方案二）啟用1 臺蒸發式冷氣機+關閉兩臺機房精密機械空調進行了逐時耗電量測試。同時運用Testo174H 溫濕度自記儀對機房內部和外部環境溫濕度進行記錄。方案一實測數據如圖9所示，方案二實測數據如圖10所示。

圖9 方案一實測數據Fig.9 Measured data of Scheme 1

圖10 方案二實測數據Fig.10 Measured data of Scheme 2

由圖9可以看出，在只開啟2 臺機房精密機械制冷空調，不開啟蒸發式冷氣機的情況下，機房精密機械空調的制冷量不足以滿足機房制冷需求。在測試時間內，室外平均干球溫度為36.3℃，室內環境平均干球溫度為26.3℃，機房總體耗電55kWh。

由圖10可以看出，在只開啟1 臺蒸發式冷氣機，不開啟機房精密機械空調的情況下，蒸發式冷氣機的制冷量可以滿足機房制冷需求。在測試時間內，室外平均干球溫度為34.8℃，室內環境平均干球溫度為33.7℃，機房總體耗電10kWh。

根據兩者對比可以看出，蒸發式冷氣機具有良好的節能性。在相同時間內，同負荷率的條件下，蒸發式冷氣機在滿足室內制冷需求的基礎上消耗電能更少。

4 存在問題及解決措施

（1）機組位于室外陽臺通過風管送風進入室內，由于風管排布不太合理，存在2 個上翻彎頭導致整個送風過程局部阻力較大，造成出風口風速較低，達不到機組設計風量。所以，后期改造可將風管位置進行調整，減少彎頭的產生，保證風管內氣流組織順暢，由此可以使得出風口能有更大的風速，提高機組的制冷能力。

（2）在實際測試中發現，蒸發式冷氣機淋水系統采用不間斷持續淋水方案，由此造成較大的能量損耗。后期可考慮采用相應的間歇式淋水方案進行淋水，降低能量損耗，更加節能。

5 結論

（1）經過實測驗證，本文所測試的蒸發式冷氣機在室外平均干球溫度為34.9℃，室外平均濕球溫度為24℃的條件下可以將空氣冷卻至干球平均溫度26.4℃，濕球平均溫度23℃向室內送風。機組進出風溫差為8.5℃，機組出風口處平均相對濕度為77%。

（2）機組蒸發效率以及制冷量均隨機組進出口空氣狀態變化而變化，通過實測研究發現該機組平均直接蒸發效率為77%，平均制冷量為20kW。機組最大直接蒸發效率可達79%，最大制冷量可達25kW，且直接蒸發效率最大點不一定對應制冷量最大點。

（3）針對于小型通信機房，蒸發式冷風機具有良好的實用性與節能性。在老舊通信機房改造方面，可適當使用蒸發式冷氣機，以較低的成本實現老舊機房的節能改造。