新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域的應(yīng)用探討

許輝，李猛

XU Hui, LI Meng

（四川依米康環(huán)境科技股份有限公司）

(Sichuan Yimikang Environmental Tech. Co., Ltd.)

新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域的應(yīng)用探討

許輝，李猛

XU Hui, LI Meng

（四川依米康環(huán)境科技股份有限公司）

(Sichuan Yimikang Environmental Tech. Co., Ltd.)

分析了新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻方案的運行原理，根據(jù)數(shù)據(jù)中心設(shè)備制冷需求特性，指出新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻方案在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域應(yīng)用前景。

數(shù)據(jù)中心;新風(fēng)間接冷;間接蒸發(fā)冷;換熱芯體

1 引言

通信行業(yè)4G方興未艾，5G蓄勢待發(fā)，通信運營商、互聯(lián)網(wǎng)巨頭都加快改造、擴建老數(shù)據(jù)中心，快速修建新數(shù)據(jù)中心，各專業(yè)數(shù)據(jù)中心也是遍地開花。大數(shù)據(jù)時代造就了新一輪的數(shù)據(jù)中心建設(shè)潮，我國數(shù)據(jù)中心總量已超過40萬個， PUE（數(shù)據(jù)中心能源效率指標(biāo)PUE=數(shù)據(jù)中心設(shè)備總能耗/IT設(shè)備能耗）值居高不下，耗電量已超過全社會總電量的1.5%。同時，大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)儲存和“云計算”成倍的增加了服務(wù)器工作負(fù)荷，促使數(shù)據(jù)中心朝著高熱密度、大熱功率負(fù)荷方向發(fā)展。新一輪數(shù)據(jù)中心建設(shè)摒棄過去盲目、無序的做法，主推綠色環(huán)保、高效節(jié)能方案。冷卻系統(tǒng)能耗是數(shù)據(jù)中心設(shè)備總能耗的重要成分，采用高能效的冷卻系統(tǒng)就是降低數(shù)據(jù)中心PUE值。數(shù)據(jù)中心建設(shè)部門制定了《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點工作方案》。要求2017年在重點領(lǐng)域創(chuàng)建百個綠色數(shù)據(jù)中心，綠色數(shù)據(jù)中心要求：（1）全方位利用自然冷源冷卻；（2）循環(huán)使用水資源；（3）低PUE值。新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷冷卻系統(tǒng)作為綠色環(huán)保、高效節(jié)能方案在國外多年前已被推廣應(yīng)用。近年來，國內(nèi)制冷行業(yè)越來越多的企業(yè)加入新風(fēng)冷和蒸發(fā)冷技術(shù)研發(fā)中，數(shù)據(jù)中心空調(diào)領(lǐng)域的個別企業(yè)也推出了自己的新風(fēng)冷和間接蒸發(fā)冷設(shè)備。

2 新風(fēng)間接冷

新風(fēng)冷就是利用室外低溫空氣對設(shè)備進行冷卻，包括新風(fēng)直接冷和新風(fēng)間接冷。新風(fēng)直接冷就是直接將室外的低溫空氣引入室內(nèi)冷卻設(shè)備，受空氣質(zhì)量限制新風(fēng)直接冷很少使用，本文不做分析。新風(fēng)間接冷就是將室外低溫空氣和待處理高溫空氣同時引入一個換熱器芯體（本文簡稱芯體），兩種氣體流過各自己的芯體通道而不直接接觸，溫差作用下發(fā)生對流換熱，高溫氣體被冷卻后直接回到室內(nèi)冷卻設(shè)備，不受室外空氣質(zhì)量限制，室外低溫空氣被加熱后排到室外。芯體換熱過程如圖1所示。

圖1 芯體換熱過程圖

新風(fēng)間接冷換熱過程中，室外空氣側(cè)發(fā)生等濕加熱，整個過程中不產(chǎn)生凝結(jié)水，含濕量不變。控制待處理高溫空氣流量，保證高溫空氣側(cè)也只發(fā)生等濕冷卻，焓濕圖如圖2所示。為了保證芯體兩側(cè)風(fēng)速風(fēng)壓平衡，通常芯體兩側(cè)都是采用相同風(fēng)量設(shè)計，則新風(fēng)間接冷換熱效果決定因素有：（1）芯體換熱效率，（2）室內(nèi)回風(fēng)溫度T1j和室外進風(fēng)溫度T2j。芯體換熱效率η1表示為η1=（T1j-T1c）/（T2c-T2j）,T1c、T2c分別表示室內(nèi)送風(fēng)溫度和室外排風(fēng)溫度。過程經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)幾個知名芯體廠家換熱效率η1≥ 90。

圖2 新風(fēng)間接冷卻理論焓濕圖

3 蒸發(fā)冷

在已知的液態(tài)介質(zhì)中，水的汽化潛熱最高，且無毒無污染，利用水汽化吸熱降溫是一個非常綠色節(jié)能的制冷方案，蒸發(fā)冷就是水與空氣接觸，水吸熱蒸發(fā)變成氣體降低空氣溫度的制冷過程。蒸發(fā)冷可分為直接蒸發(fā)冷和間接蒸發(fā)冷。直接蒸發(fā)冷就是直接利用水吸熱蒸發(fā)降溫的空氣去冷卻設(shè)備，間接蒸發(fā)冷就是直接蒸發(fā)冷的低溫空氣在換熱器中與高溫空氣進行二次不接觸換熱，利用第二次降溫后的氣體去冷卻設(shè)備。

3.1 直接蒸發(fā)冷

直接蒸發(fā)冷卻是水與空氣直接接觸，水蒸發(fā)形成水蒸氣，此時水蒸氣（含液態(tài)水）、空氣溫度均降低，同時空氣濕度增加，理論上這是一個絕熱加濕熱交換過程。直接蒸發(fā)冷換熱過程多在絕熱設(shè)備中進行，傳統(tǒng)的直接蒸發(fā)冷卻方案中冷卻塔利用得最多，冷卻塔直接蒸發(fā)冷卻循環(huán)水量，損耗大、能耗高，不滿足國家節(jié)能減排、資源循環(huán)利用的要求，而且冷卻塔蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要是用來冷卻水，降溫后的空氣不方便被利用。現(xiàn)在行業(yè)都在研究如何采用最少循環(huán)水量達(dá)到最大蒸發(fā)的降溫效果，噴水室、噴水室+換熱芯體的方式逐漸被推廣。直接蒸發(fā)冷卻的焓濕圖如圖3所示。

圖3 直接蒸發(fā)冷卻理論焓濕圖

狀態(tài)1的室外空氣在絕熱設(shè)備中與水進行熱濕交換，溫度下降，含濕量增加，沿著絕熱線變到狀態(tài)2，溫度由T1下降到T2。根據(jù)焓濕圖可知，隨著水不斷蒸發(fā)，空氣顯熱明顯減少，潛熱逐漸增加，直接蒸發(fā)冷的理論最低T2就是水蒸發(fā)促使空氣達(dá)到飽和狀態(tài)3，也就是出口的干球溫度等于進口濕球溫度。通常使用進、出口溫度判定直接蒸發(fā)冷的性能系數(shù)η2，當(dāng)出口空氣越接近飽和狀態(tài)，性能系數(shù)越高，η2定義為：

式中，T1為進口干球溫度；T2為出口干球溫度；T1w為出口濕球溫度。

3.2 間接蒸發(fā)冷

間接蒸發(fā)冷卻是將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕冷空氣與待處理的熱空氣發(fā)生對流換熱，實現(xiàn)熱空氣的等濕降溫（或者除濕降溫）。實現(xiàn)間接蒸發(fā)冷卻過程有兩種方式，方式一是將部分空氣（行業(yè)稱為二次空氣）進行直接蒸發(fā)冷卻處理，處理后的空氣被引入換熱器冷卻另一部分空氣（行業(yè)稱為一次空氣），一次空氣進行等濕降溫（或者除濕降溫）處理后引入室內(nèi)，二次空氣則排到室外。這種處理方式就是先將二次空氣進行直接蒸發(fā)冷（過程見“3.1 直接蒸發(fā)冷”），被冷卻的空氣引入換熱器進行空氣換熱，過程同新風(fēng)間接冷（過程見“2 新風(fēng)間接冷”）。方式二是直接將水噴淋在換熱器內(nèi)的二次空氣側(cè)，水直接蒸發(fā)吸熱，待冷卻的一次空氣流經(jīng)換熱器另一側(cè)，同時發(fā)生等濕降溫（或者除濕降溫），本文以下分析只針對方式二。

間接蒸發(fā)冷基本原理如圖4所示，噴淋水直接噴淋在換熱器上，二次空氣與水逆流換熱，噴淋水部分發(fā)生直接蒸發(fā)，水（含水蒸氣）、空氣同時降溫。一次空氣在換熱器另一側(cè)同時與二次空氣發(fā)生熱交換，完成等濕冷卻（或者除濕冷卻）。二次空氣與一次空氣發(fā)生熱交換的條件是溫度差，從“3.1 直接蒸發(fā)冷”分析可知，二次空氣發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻后最低干球溫度為進風(fēng)口的濕球溫度，設(shè)計過程中二次空氣與一次空氣風(fēng)量比例多為1∶1，也就是說，間接蒸發(fā)冷卻換熱效率主要取決于二次空氣的進口濕球溫度和一次空氣的干球溫度差。假設(shè)一次空氣進口干球溫度為T1j,出口溫度為T1c，二次空氣進口濕球溫度為T2w，則間接蒸發(fā)冷卻換熱效率η3可簡單表示為：

圖4 間接蒸發(fā)冷基本原理

間接蒸發(fā)冷卻理論焓濕圖如圖5所示。

圖5 間接蒸發(fā)冷卻理論焓濕圖

4 新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域應(yīng)用分析

4.1 數(shù)據(jù)中心設(shè)備制冷需求特性

數(shù)據(jù)中心設(shè)備一年四季365天運行，不論春夏秋冬、白天黑夜都需要冷卻系統(tǒng)對其進行降溫冷卻，同時數(shù)據(jù)中心設(shè)備屬于精密設(shè)備，需要對數(shù)據(jù)中心內(nèi)部循環(huán)空氣進行除塵、除濕（或者加濕）等處理，保證服務(wù)器等設(shè)備安全可靠運行。根據(jù)數(shù)據(jù)中心機房設(shè)備冷熱負(fù)荷和空氣質(zhì)量需求特征，春秋冬等室外溫度較低的季節(jié)適合采用新風(fēng)間接冷卻，春秋過渡季、夏季等室外高溫季節(jié)（特別是室外干燥的地方）適合采用間接蒸發(fā)冷卻。新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻屬于純自然冷源冷卻系統(tǒng)，冷卻過程中只有風(fēng)機和水泵直接消耗能源，系統(tǒng)熱損失間接消耗能源，綠色環(huán)保、節(jié)能高效。如本文引言所述，大數(shù)據(jù)時代造就了新一輪的數(shù)據(jù)中心建設(shè)潮，同時《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點工作方案》的綠色數(shù)據(jù)中心提出3點重要要求，新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)完全滿足綠色數(shù)據(jù)中心要求，因此適合在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用。

4.2 新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域應(yīng)用難點

從本文“2新風(fēng)間接冷”和“3.2間接蒸發(fā)冷”分析發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)兩種空氣介質(zhì)不接觸換熱都需要一種具有兩通道換熱器芯體，芯體必須具有：耐腐蝕、親水性、承壓高、導(dǎo)熱快、換熱密度大、壽命長。傳統(tǒng)的間接蒸發(fā)冷主要采用冷卻塔式的直接蒸發(fā)冷方案，是利用水蒸發(fā)降低水溫，既不考慮水、空氣質(zhì)量，也不考慮承壓能力、循環(huán)水量、水耗，對部件沒有特別的要求，換熱器都采用的是塑料薄皮。隨著技術(shù)發(fā)展，新型換熱芯體主要采用親水鋁箔沖壓焊接而成，兩個通道之間不直接接觸，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、換熱密度高、承壓強，而且不容易積灰塵等，滿足新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻的需要，也為新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷在數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域推廣提供了條件。

從本文中“3.2間接蒸發(fā)冷”分析知，間接蒸發(fā)冷換熱效率主要取決于噴淋水蒸發(fā)效果，常溫常壓下噴淋水蒸發(fā)效果直接與二次空氣進口濕度相關(guān)，越干燥的空氣中水越容易蒸發(fā)，最佳狀態(tài)是二次空氣出口干球溫度等于其進口濕球溫度，同時保證一次空氣出口溫度也等于該值。對于空氣干燥、濕度極小的北方區(qū)域來說，間接蒸發(fā)冷的換熱過程相對容易實現(xiàn)，也是間接蒸發(fā)冷卻機組主要應(yīng)用在北方（如寧夏、甘肅、新疆）的原因。對于濕度較大的南方，簡單的噴淋處理水是很難蒸發(fā)的。現(xiàn)在最常用提高噴淋水蒸發(fā)效果的方法是噴淋水與空氣對流換熱（見圖4），對流換熱采用超大循環(huán)水量，依靠水的重力作用與空氣對沖來加大水與空氣換熱行程，增加噴淋水蒸發(fā)量。這種方式缺點很明顯：（1）北方區(qū)域缺水限制了間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品的應(yīng)用；（2）超大循環(huán)水量增加水泵、風(fēng)機功率，導(dǎo)致產(chǎn)品能效降低，同時水資源損耗大；（3）水泵、風(fēng)機尺寸增大導(dǎo)致機組產(chǎn)品尺寸大。如何提高噴淋水蒸發(fā)效果是目前間接蒸發(fā)冷卻方案研究的重點，本文提出一個采用降壓、碎化提高噴淋水霧化效果，采用同向換熱（空氣與霧化水同向流動）的方案提高噴淋水蒸發(fā)效果，見圖6（備注：降壓、碎花霧化設(shè)備為專利設(shè)計，未畫出）。

實驗表明，降壓、碎化的霧化水同

圖6 同向間接蒸發(fā)冷卻原理圖

向間接蒸發(fā)冷卻方案水蒸發(fā)效果比逆向間接蒸發(fā)冷卻方案至少提高15%，循環(huán)水量降低20%，機組尺寸減小。降壓、碎化的霧化水同向間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)不僅僅局限在氣候干燥的北方區(qū)域，也可以在南方部分區(qū)域推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語

新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻方案綠色環(huán)保、節(jié)能高效，非常適合數(shù)據(jù)中心設(shè)備運行特性，降壓、碎化的霧化水同向間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)既適用于氣候干燥的北方，也適用于南方大部分區(qū)域。新風(fēng)間接冷和間接蒸發(fā)冷卻方案應(yīng)該在綠色數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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Application of the Fresh Air Indirect Cooling and Indirect Evaporative Cooling in Internet Data Center

This paper introduces the theory of Fresh air indirect cooling and indirect evaporative cooling technique, According to Characteristic of Internet Data Center (IDC) cooling capacity, it is feasible to use Fresh air indirect cooling and indirect evaporative cooling technique in fi eld of Internet Data Center (IDC)。

internet data center (IDC); fresh air indirect cooling; indirect evaporative cooling; heat exchanger core