蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

黃翔，韓正林，宋姣姣，折建利

（西安工程大學(xué)，陜西西安 710048）

蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

黃翔*，韓正林，宋姣姣，折建利

（西安工程大學(xué)，陜西西安 710048）

本文介紹了數(shù)據(jù)中心設(shè)備熱環(huán)境要求和蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的幾種形式，主要通過對(duì)風(fēng)側(cè)直接蒸發(fā)冷卻和風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外典型工程案例的應(yīng)用分析，總結(jié)出蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)將是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻；數(shù)據(jù)中心；工程案例

0 前言

當(dāng)今數(shù)據(jù)中心由兩個(gè)層面組成，IT層面和機(jī)房設(shè)施層面，其中機(jī)房高密度化引起的排熱控制帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，機(jī)房空調(diào)的能耗受到社會(huì)極大的關(guān)注，以節(jié)能、低耗為目的的綠色數(shù)據(jù)中心成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。目前，傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)將室內(nèi)空氣冷卻，然后通過架高地板下送風(fēng)至室內(nèi)，其能量消耗巨大；蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的冷卻方式，設(shè)備成本較低，也不使用傳統(tǒng)的壓縮機(jī)，所以其能耗較低，同時(shí)，它能減少溫室氣體和CFC的排放量，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)中，符合數(shù)據(jù)中心環(huán)境的特點(diǎn)，且初投資少、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低，節(jié)能潛力巨大[2]。

1 數(shù)據(jù)中心設(shè)備熱環(huán)境要求

美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)ASHRAETC 9.9小組，介紹了4檔環(huán)境及NEBS中環(huán)境要求，并分別介紹了設(shè)備運(yùn)行與設(shè)備停機(jī)時(shí)的要求，總結(jié)了數(shù)據(jù)中心和其他數(shù)據(jù)處理環(huán)境允許和推薦的環(huán)境工況，ASHRAE2004與ASHRAE2008擴(kuò)大了熱環(huán)境的要求，兩者熱環(huán)境參數(shù)包絡(luò)區(qū)推薦數(shù)據(jù)的比較，如表1所示[3]。

表1 ASHRAE2004與ASHRAE2008熱環(huán)境參數(shù)包絡(luò)區(qū)推薦數(shù)據(jù)比較

ASHRAE2008推薦的1檔熱環(huán)境參數(shù)包絡(luò)區(qū)如圖1所示，在焓濕圖上繪制出推薦區(qū)和允許區(qū)，推薦區(qū)為實(shí)施以推薦運(yùn)行環(huán)境范圍為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)與運(yùn)行的值，允許區(qū)為設(shè)施以極端運(yùn)行環(huán)境范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)與運(yùn)行的值[4]。

圖1 ASHRAE2008推薦的環(huán)境參數(shù)1級(jí)設(shè)備要求包絡(luò)區(qū)

在縱向和橫向兩方面上，數(shù)據(jù)中心明顯擴(kuò)大了設(shè)備環(huán)境要求，放寬的環(huán)境要求是非常有利的，在保證機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行的時(shí)候，可以提高蒸發(fā)冷卻技術(shù)的適用性，可以減少機(jī)房加濕、除濕、加熱的能耗，降低機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

2 蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)介紹

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)按照產(chǎn)出介質(zhì)形式分為風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)和水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)[5]。本文主要介紹風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)，它是根據(jù)水蒸發(fā)冷卻原理，采用直接蒸發(fā)冷卻或間接蒸發(fā)冷卻方式或加以機(jī)械制冷輔助獲取冷風(fēng)的空調(diào)技術(shù)，而水側(cè)蒸發(fā)冷卻是獲取冷水的空調(diào)技術(shù)，同時(shí)，對(duì)加以機(jī)械制冷輔助的蒸發(fā)冷卻器也被稱為“經(jīng)濟(jì)器”[6-7]。

對(duì)于風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)大致可分為兩種類型，即風(fēng)側(cè)直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)和風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)[8]。目前，在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的風(fēng)側(cè)直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)主要有高壓微霧和填料，風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要有管式和露點(diǎn)式。風(fēng)側(cè)直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：風(fēng)量大、焓差小，冬季加濕效果好，還具有過濾除塵的特性[9]；風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：不增加空氣含濕量，全回風(fēng)容易控制機(jī)房潔凈度，作為空氣熱交換器可延長節(jié)能運(yùn)行時(shí)間[10]；對(duì)于數(shù)據(jù)中心自身特點(diǎn)：顯熱大、潛熱小，風(fēng)量大、焓差小，溫濕度要求嚴(yán)格，潔凈度要求高，全年365天制冷[11]；可見，風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心自身特點(diǎn)吻合之處較多，因此蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用可以滿足機(jī)房的條件要求。

3 蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的典型工程案例

3.1 國外應(yīng)用的典型工程案例分析

3.1.1 噴霧型直接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用[12]

Facebook公司數(shù)據(jù)中心采用了一套蒸發(fā)冷卻噴霧型空調(diào)系統(tǒng)，外面的空氣先經(jīng)過垂直排水百葉進(jìn)入集裝箱，當(dāng)外面的空氣太冷時(shí)，外部空氣與數(shù)據(jù)中心的回風(fēng)混合；其次經(jīng)濾波器組進(jìn)入蒸發(fā)冷卻區(qū)，即噴霧系統(tǒng)開始噴霧；再經(jīng)除霧器來防止水殘留；之后冷濕空氣經(jīng)送風(fēng)機(jī)墻進(jìn)入送風(fēng)區(qū)域，經(jīng)送風(fēng)口送到集裝箱的冷過道；最后進(jìn)入服務(wù)器機(jī)柜的熱通道，部分空氣返回到過濾區(qū)，或者排至室外大氣，如此循環(huán)。噴霧型蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)如圖2所示，與普通數(shù)據(jù)中心相比，F(xiàn)acebook數(shù)據(jù)中心的能效高38%，建造成本低24%。

圖2 Facebook數(shù)據(jù)中心噴霧型直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)圖

3.1.2 滴水型直接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用

哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院數(shù)據(jù)中心位于某建筑物四層，某公司對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造，原數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)采用直接膨脹式制冷（DX）系統(tǒng)，改造后采用通信機(jī)房專用蒸發(fā)式冷氣機(jī)。滴水型直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)如圖3所示[13]，室外新風(fēng)經(jīng)過蒸發(fā)式冷氣機(jī)降溫，在變頻軸流風(fēng)機(jī)的壓力下輸送到吊頂空間，空氣通過安裝在吊頂?shù)目諝膺^濾器過濾后，輸送至冷通道，冷通道設(shè)置密封隔板，使得冷空氣只能從機(jī)柜正面穿到機(jī)柜背面的熱通道，帶走IT設(shè)備的散熱量，服機(jī)柜背面的熱空氣在變頻軸流風(fēng)機(jī)的抽吸下經(jīng)過風(fēng)管返回空調(diào)機(jī)房，這部分熱空氣通過風(fēng)閥調(diào)節(jié)，可以與蒸發(fā)冷卻降溫后的室外空氣混合或直接與室外空氣混合，循環(huán)送入機(jī)房，也可以通過屋頂?shù)呐棚L(fēng)口排入大氣。

哥倫比亞大學(xué)數(shù)據(jù)中心采用“動(dòng)態(tài)控制送風(fēng)狀態(tài)系統(tǒng)”，如圖4所示，春秋過渡季節(jié)直接采用填料實(shí)現(xiàn)等焓冷卻，獲得溫度和濕度都適宜的工況；而冬季調(diào)節(jié)風(fēng)閥將一部分室內(nèi)回風(fēng)與室外新風(fēng)混合，提高了送風(fēng)的溫度，避免了寒冷的室外空氣直接送入機(jī)房會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器關(guān)閉或產(chǎn)生結(jié)露。

圖3 哥倫比亞大學(xué)數(shù)據(jù)中心滴水型直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)圖

圖4 動(dòng)態(tài)控制送風(fēng)狀態(tài)的系統(tǒng)

3.1.3 板管式間接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用

Munter公司利用EPX聚合物開發(fā)了板管式間接蒸發(fā)冷卻器，也稱風(fēng)側(cè)間接經(jīng)濟(jì)器[14-15]，板管式間接蒸發(fā)冷卻器的工作原理如圖5所示：管內(nèi)的產(chǎn)出空氣是數(shù)據(jù)中心室內(nèi)回風(fēng)，與管外的工作空氣和水膜換熱冷卻后，冷空氣經(jīng)風(fēng)管送到數(shù)據(jù)中心的冷通道。另一方面，管外的工作空氣是室外空氣，工作空氣經(jīng)管壁吸走產(chǎn)出空氣的熱量，最后由排風(fēng)機(jī)排至室外。板管式間接蒸發(fā)冷卻器在冬季可以選擇干燥模式，而夏季可以選擇蒸發(fā)模式，在室外高熱高濕的環(huán)境時(shí)可以選用第三種模式，蒸發(fā)冷卻結(jié)合直接膨脹式制冷的模式。

圖5 板管式間接蒸發(fā)冷卻器工作原理圖

板管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)如圖6所示，該系統(tǒng)運(yùn)行和冷卻完全使用數(shù)據(jù)中心室內(nèi)回風(fēng)，省去了間接蒸發(fā)冷卻器的空氣過濾器，而是額外設(shè)置旁通過濾機(jī)組，這與所有的機(jī)組都裝過濾器相比，減少了過濾器的投入、維護(hù)費(fèi)用及風(fēng)機(jī)功率，也減少了室外空氣污染物影響IT設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，為了給人員提供新風(fēng)或維持室內(nèi)正壓，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，裝配設(shè)有加濕和除濕功能的新風(fēng)機(jī)組，以此來提供通風(fēng)和濕度控制。

圖6 Munter公司板管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)圖

3.1.4 露點(diǎn)式間接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用

Coolerado 公司基于M-Cycle的間接蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)換熱器，它開發(fā)了一系列露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器產(chǎn)品，資料顯示：換熱器的濕球效率可達(dá)到94%～122%，型號(hào)M50的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)及原理[16-17]和露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的安裝[18]如圖7所示。

圖7 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖和空調(diào)系統(tǒng)安裝圖

屋頂布置的空氣處理機(jī)組經(jīng)風(fēng)管送室外空氣到機(jī)組進(jìn)風(fēng)口，經(jīng)機(jī)組處理后空氣的含濕量不變而溫度降低，再經(jīng)機(jī)組背面進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，吸收IT設(shè)備散出的熱量后，最終排出室外或作為回風(fēng)循環(huán)工作；而機(jī)組里面的工作空氣經(jīng)機(jī)組頂部風(fēng)管排至室外。在室外空氣溫度低于室內(nèi)溫度的情況下，機(jī)組處理室外冷空氣后直接送入數(shù)據(jù)中心，獲得近似“免費(fèi)”的供冷；也可實(shí)現(xiàn)近似“免費(fèi)”的加濕，在數(shù)據(jù)中心室內(nèi)回風(fēng)干燥的情況下，作為廢氣排室外的工作空氣，可通過排風(fēng)管設(shè)置的旁通風(fēng)閥進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。

3.2 國內(nèi)應(yīng)用的典型工程案例分析

3.2.1 滴水型直接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用

福建省聯(lián)通福州金山通信機(jī)房屬于二類通信機(jī)房，節(jié)能改造后采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)[19-20]，蒸發(fā)式冷氣機(jī)用一進(jìn)一排的通風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)等焓降加濕的空氣處理過程，同時(shí)，蒸發(fā)式冷氣機(jī)相當(dāng)于濕式過濾器，其核心部件填料具有良好的吸水性能和通風(fēng)、過濾功能，蒸發(fā)式冷氣機(jī)能達(dá)到降溫和換氣的雙重功效，該改造項(xiàng)目蒸發(fā)式冷氣機(jī)進(jìn)風(fēng)管及蒸發(fā)式冷氣機(jī)的室外布置方式見圖8所示。

3.2.2 管式間接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用

西安市某通訊產(chǎn)業(yè)園的項(xiàng)目，2層為通信機(jī)房，建筑面積約440 m2，機(jī)房優(yōu)化空調(diào)機(jī)組由管式間接蒸發(fā)冷卻段、新回風(fēng)混合段、機(jī)械制冷表冷段、直接蒸發(fā)冷卻段和軸流送風(fēng)段組成，優(yōu)化機(jī)組實(shí)物和結(jié)構(gòu)示意如圖9所示，該機(jī)房內(nèi)采用上送上回的通風(fēng)方式[23]。

圖8 金山通信機(jī)房安裝蒸發(fā)式冷的節(jié)能改造

圖9 優(yōu)化空調(diào)機(jī)組實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖

全年運(yùn)行模式空氣處理過程的焓濕圖如圖10所示。由于數(shù)據(jù)中心設(shè)備散熱量大、散濕量小，故熱濕比線接近于無窮大。夏季運(yùn)行模式：管式間接蒸發(fā)冷卻段＋新回風(fēng)混合段＋機(jī)械制冷表冷段+送風(fēng)段組合處理方式，過渡季節(jié)運(yùn)行模式：管式間接蒸發(fā)冷卻段＋直接蒸發(fā)冷卻段+送風(fēng)段組合處理方式，冬季運(yùn)行模式：新回風(fēng)混合段+直接蒸發(fā)冷卻段+送風(fēng)段組合處理方式（注：未考慮全回風(fēng)運(yùn)行情況[24]）。

圖10 蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合空調(diào)機(jī)組空氣的焓濕圖處理過程

3.2.3 露點(diǎn)式間接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用

在福建省福州市某模擬通信機(jī)房內(nèi)用交叉式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組、露點(diǎn)間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的直流式和循環(huán)式作實(shí)驗(yàn)研究，露點(diǎn)式蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組是由橫向和縱向垂直的干濕通道組成，干通道分為穿孔和不穿孔，室外空氣通過干通道時(shí)，被濕通道內(nèi)的空氣和水間接冷卻，之后，一部分空氣經(jīng)穿孔的干通道進(jìn)入濕通道直至排向室外大氣，而另一部分空氣經(jīng)不穿孔的干通道繼續(xù)向前最后送入空調(diào)區(qū)[25]。

圖11 交叉式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖

交叉式露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖如11所示，在模擬機(jī)房進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開啟機(jī)組在最佳風(fēng)量比下，2 kW發(fā)熱源表面最大溫降為8.9 ℃，設(shè)備溫濕度基本上滿足ASHRAETC9.9發(fā)布的2、3級(jí)環(huán)境要求允許值。開啟機(jī)組在最差風(fēng)量比下，1 kW發(fā)熱源表面最大溫降為2.3 ℃，設(shè)備溫濕度基本滿足（1～4）級(jí)環(huán)境要求允許值[26]。露點(diǎn)間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)循環(huán)式和直流式機(jī)組結(jié)構(gòu)示意如圖12所示，其送風(fēng)溫度均在室外空氣的濕球溫度±1 ℃范圍內(nèi)，機(jī)組整體的蒸發(fā)效率為100%左右，露點(diǎn)效率在75%左右，機(jī)組溫降大約為室外空氣的干濕球溫度之差。

圖12 露點(diǎn)間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組循環(huán)式和直流式系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)的未來發(fā)展以節(jié)能、低耗、綠色為目的，首先在溫濕度設(shè)定方面，ASHRAETC 9.9放寬的要求在保證機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行的同時(shí)，可以減少機(jī)房制冷、加熱、加濕、除濕的耗能，降低機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能耗并提高能效，其次蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心應(yīng)用案例分析，得出實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的方案之一是利用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)，同時(shí)通過機(jī)房冷熱通道，最大化地提高冷源利用率，最終使得機(jī)房PUE值趨向于1。

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Application of Evaporative Cooling Air Conditioning in Data Center at Home and Abroad

HUANG Xiang*, HAN Zheng-lin, SONG Jiao-jiao, SHE Jian-li
(Xi'an Polytechnic University, Xi'an, Shaanxi 710048, China)

The thermal environment requirements in data center and several forms of evaporative cooling air conditioning were described. Through the application analysis of typical project cases at home and abroad with the air side of direct and indirect evaporative cooling air conditioning, it is summed up that the evaporative cooling air conditioning will be the future trends of air conditioning system in data center.

Air side of evaporative cooling; Data center; Project case

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.202

*黃翔（1962-），男，教授，工學(xué)碩士。研究方向：蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的理論與應(yīng)用研究。聯(lián)系地址：陜西西安市碑林區(qū)金花南路19號(hào)西安工程大學(xué)，郵編：710048。聯(lián)系電話：029-82330016。E-mail：huangx@xpu.edu.cn。