0 什么是冷水大温差技术
常规空调水系统的供回水温差一般为5 ℃（比如系统供回水温度为7℃/12℃、15℃/20℃的温差都是5 ℃），供回水温差大于5 ℃的系统为大温差水系统，通常认为大温差技术可以减少系统循环水量，节约水泵运行功耗，降低管道系统的初投资[1]。与冷水大温差舒适性空调系统类似，数据中心冷水大温差技术也是系统综合应用技术，涉及的主要设备有冷水机组、水泵及机房空调末端。
1 冷水大温差技术对空调系统设备的影响
保持冷水机组的出水温度不变，提高进水温度，由于进出水平均温度与蒸发温度的温差提高，蒸发器的换热效果提升，冷水机组的制冷量及EER均有小许提升。图1是某款风冷冷水机组在出水温度为15 ℃时不同进水温度下的制冷量及EER，由图1可以看出，当进出水温差为5 ℃时，机组的制冷量为1,099.5 kW,机组的EER为4.004；而当进出水温差为10 ℃时，机组的制冷量为1,135.5 kW，机组的EER为4.105；制冷量增加率为3.3%，EER增加率为2.5%。事实上这部分的提升并不是常规冷水大温差系统的主要追求目标。
图1 某款风冷冷水机组在出水温度为15 ℃时不同进水温度下的制冷量及EER
冷水是系统冷量的载体，大温差技术可以降低循环冷水流量，在管路条件不变的前提下可以显著降低管路及机组压降（压降与流量的平方成正比），从而极大地降低水泵的运行功率。若调整管路管径维持压降不变，水泵功率也会因流量减少而降低，同时可以降低管路初投资。这是常规冷水大温差系统的主要收益。
事物总有两面性，对于空调末端而言，大温差则意味着进出水的平均温度提高，即与回风温度的温差减少。如图2所示，保持进水温度、风量及回风工况不变，机房空调末端制冷量随着进出水温差增加而减少。为了确保具有足够制冷量，冷水大温差空调系统需要增加空调末端的管排数或者增加机组数量。所以，冷水大温差系统需要分析初投资及节能效果作综合判断。而且，即使采用大温差技术，也不是温差越大越好，除非特殊应用场合（输送管路半径过长[2]、冰蓄冷[3]等），常规大温差技术具体实践项目上的冷水温差通常不超过8 ℃[4-6]，有关节能分析及适用性判据表明常规舒适性空调系统冷水大温差不宜超过9 ℃[7-8]。
图2 维持35 ℃回风温度及15 ℃进水温度不变某款空调末端在不同出水温度下的制冷量
2 冷水机组的自然冷却
随着数据中心对于空调系统节能孜孜不倦地追求，自然冷却在数据中心的应用越来越普遍。特别是中大型数据中心绝大部分都会设计利用自然冷却，中大型数据中心的冷源通常是冷水机组，冷水机组有水冷冷水机组及风冷冷水机组两种主要形式。水冷冷水机组的应用场合通常利用冷却塔供冷实现自然冷却，而风冷冷水机组则直接利用干冷器盘管实现自然冷却。理论上，若采用合理的水系统设计同时借助精准的自控密切配合，水冷冷水机组系统中冷却塔的蒸发冷却利用了室外空气的湿球温度，具有更优的自然冷却节能效果。为了确保讨论结果具有普遍适用性，这里采用带自然冷却的风冷冷水机组进行探讨。如图3所示，带自然冷却的风冷冷水机组通常具有3种运行模式：压缩机制冷模式、混合制冷模式及完全自然冷却模式。
（a） 压缩机制冷模式
（c） 完全自然冷却模式
图3 带自然冷却的风冷冷水机组的3种运行模式
压缩机制冷模式时，来自末端负载的回水直接进入蒸发器进行冷却，冷量全部由压缩机制冷系统提供；混合制冷时，来自末端负载的回水先进入自然冷却盘管进行预冷，再进入蒸发器由压缩机制冷系统降载运行进一步冷却至要求的出水温度；完全自然冷却模式时，来自末端负载的回水直接由自然冷却盘管冷却至要求的出水温度，此时压缩机制冷系统不需要运行，所有负载的冷量全部由自然冷却盘管承担。
理论上，室外温度低于冷水机组的进（回）水温度2 ℃即可进入混合制冷模式，室外温度低于冷水机组的出（供）水温度10 ℃左右则可以进入完全自然冷却模式。也就是说，冷水机组的进（回）水温度决定了系统能够利用自然冷却的室外温度上限，而冷水机组的出（供）水温度则决定了系统完全利用自然冷却的室外温度上限。因此，出水温度不变，系统水温差越大，冷水机组进入混合模式的室外温度越高（时间点越早）；若同时提升出水温度，则冷水机组进入完全自然冷却模式的室外温度越高（时间点越早）。所以，大温差技术不仅提升了冷水机组本身的性能，同时进一步扩大了自然冷却的应用范围，放大了节能效果。
业内对于冷水大温差的研究集中于温差增加、管路压损降低带来的节能效果，这方面已经有大量的资料可以参考，笔者不再赘述。本文将管路压损降低的收益摘除，仅考虑冷水机组侧及空调末端侧的节能效果。以某模块化数据机房为例，负载为1,200 kW，拟选用10台（节能分析不将备用机组纳入考虑范围）120 kW的机房空调，冷水由带自然冷却的风冷冷水机组提供，分别按照供回水温度15℃/20℃, 15℃/25℃及20℃/30℃进行对比分析，为了确保分析时室内环境不发生变化，送回风温度保持23℃/35℃不变，这3种不同水温下3款不同机房空调的性能参数如表1所示。
表1 不同进出水温下3款不同机房空调的性能参数
从表1可以看出，保持进水温度不变，仅提高出水温度来调整温差则只需调整盘管（管排数、流路数等），机组的框架不需变化；而同时调整进出水的温度及温差，则不仅需要调整盘管，而且需要调整机房空调的框架结构，尺寸发生明显变化，需要更大的安装空间。
按照极端室外温度40 ℃进行选型，某款带自然冷却的风冷冷水机组可以同时适应上述3种不同水温工况，具体性能参数如表2所示。
表2 某款带自然冷却的风冷冷水机组不同进出水温下的性能参数
通过汇总在不同室外温度时冷水机组的运行功率（压缩机及冷凝风机）、末端机房空调风机功率及名义水泵功率，乘以该室外温度的年小时数即可得到该室外温度下的耗电量，汇总全年不同室外温度的耗电量则可以得出不同供回水温度下全年运行耗电量。3种不同供回水温度下不同热工区域7个典型城市的年耗电量如图4所示。
图4 3种不同供回水温度下不同热工区域7个典型城市的年耗电量
由图4可以看出，供回水温度调整为15℃/25℃及20℃/30℃后年耗电量均有不同程度的下降。7个城市具体节能率如图5所示，供回水温度为15℃/25℃时提高了风冷冷水机组进入混合制冷模式的温度，节能率为6.8%～14.4%，而供回水温度为20℃/30℃时风冷冷水机组进入混合制冷模式及完全自然冷却模式的温度均有不同程度的提高，节能率达到22%～28.1%。
图5 10 ℃冷水大温差系统在7个不同热工区域城市中不同进出水温下的节能率
4 冷水大温差的经济价值
不计成本，只讲节能不谈初投资，最后往往变成光说不练无法落地的假把式，大温差技术必须要讲经济价值。不同大温差方案相对于常规5 ℃温差增加的初投资除以对应大温差方案年节省的耗电费用（按照1RMB/kW·h进行计算）则可以计算出不同大温差方案的初投资回收年限。从前面分析可以看出，忽略大温差下水泵成本上的细微下降，本对比模型中初投资的差异主要体现在末端机房空调上。表3汇总了7个城市不同大温差方案的投资回收年限及全生命周期内合计节省的耗电费用。
由表3可以看出，即使不考虑管路压损降低的节能收益及管路初投资的降低，数据中心冷水大温差的回收年限亦很短，方案1的回收年限仅0.32～0.46，方案2的回收年限不超过2年，1.25～1.92，方案1具有更优的回收年限表现；但从全生命周期内15年节省的耗电总费用来看，方案2是方案1的1.8～3.2倍，生命周期内可节省更多的电费。
本例按照冷水10 ℃大温差进行分析，不同大温差的性能表现存在差异，但是节能的大体趋势不会发生变化。数据中心业内越来越多的项目采用冷水大温差技术[9-12]，而且温差数值也在持续提升，10 ℃冷水大温差技术已经在数据中心项目上成功实践[13-14]，据笔者了解，S厂商可提供适应12 ℃冷水大温差——系统供回水温度为20℃/32℃的风冷冷水机组及末端机房空调的解决方案以应对业内对于冷水空调系统节能的极限追求。
5 结论与展望
数据中心空调的送回风温度高，采用冷水大温差后，不仅降低系统水阻力，同时延长了利用自然冷却的时间，具有良好的节能效果及经济价值，冷水大温差技术在数据中心具有广泛的应用前景。
参考文献
[1] 殷平.空调大温差研究(1):经济分析方法[J].暖通空调,2000,30(4): 62-66.
[2] 徐伟.北京大兴国际机场制冷站系统设计[J]. 暖通空调,2019,49(12):49-53.
[3] 杨毅,丁德,曹志刚,等.某电力生产调度大楼空调设计[J]. 暖通空调,2013,43(9): 28-32.
[4] 陈少玲,屈国伦,黄伟,等.空调冷水大温差技术工程应用分析[J]. 暖通空调,2012,42(6): 20-23.
[5] 张智力.上海保利凯悦酒店及商业文化中心空调系统设计[J]. 暖通空调,2014,44(5): 10-14.
[6] 张伟程,滕汜颖.招商银行上海大厦空调系统节能设计[J]. 暖通空调,2014,44(5):42-45.
[7] 孙文哲,张林,张立华.大温差中央空调的适用性判据[J].上海海事大学学报,2007,28(2):39-43,57.
[8] 王懋琪,汪玺,蒲隽,等.空调冷水大温差系统设计方法研究 [J]. 制冷与空调(四川),2014,28(3):321-326.
[9] 杨毅.某大型数据中心空调系统设计[J]. 建筑热能通风空调,2013,32(3):87-89.
[10] 鄢亚.浅谈某数据中心空调系统设计[J]. 建筑热能通风空调,2017,36(9):99-102,44.
[11] 孙国林,夏春华,王培,等.张北某数据中心空调系统设计[J]. 暖通空调,2019,49(4):92-95,127.
[12] 程小静,刘彬,鄢康俊,等.燕郊某数据中心风墙空调系统设计[J]. 暖通空调,2022,52(8):65-68.
[13] 赵磊,李宏鹏.长三角地区某数据中心空调系统设计[J]. 暖通空调,2020,50(1):86-91.
[14] 赵磊,范强,白本通.数据中心间接蒸发冷却技术及大温差高温冷水技术[J].制冷与空调,2021,21(6):21-24.
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