分布式間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)賦能IDC“新基建”

□ 文 李代程

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI等新興技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和功率密度呈現(xiàn)出了快速上漲的趨勢(shì)，對(duì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)提出更高的要求，數(shù)據(jù)中心的能效水平將得到重視。如何能快速、高效、彈性地建設(shè)數(shù)據(jù)中心，以滿足新興業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)中心的多樣化需求，顯得尤為重要。

空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵系統(tǒng)，能耗占比大。以一個(gè)PUE為1.5的數(shù)據(jù)中心為例，空調(diào)系統(tǒng)能耗占到數(shù)據(jù)中心總能耗的30%左右，在非IT設(shè)備能耗中占據(jù)絕大部分比例。因此，提高空調(diào)系統(tǒng)能效水平是降低數(shù)據(jù)中心能耗最直接有效的措施。

回顧數(shù)據(jù)中心的發(fā)展歷程，在數(shù)據(jù)中心剛剛興起時(shí)，幾乎全部采用直膨式精密空調(diào)。而后隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)能效要求也越來(lái)越高，高能效集中式冷凍水系統(tǒng)得到大規(guī)模應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心90%以上均采用冷凍水系統(tǒng)，通過(guò)提高冷凍水溫、采用新型空調(diào)末端及變頻技術(shù)等手段，優(yōu)秀的數(shù)據(jù)中心可以將PUE控制在1.3以內(nèi)。冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行原理及現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖1、圖2所示。

集中式冷凍水系統(tǒng)雖然得到了非常廣泛的應(yīng)用，但也存在一定的局限：

圖1 冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行原理

圖2 冷凍水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

（1）系統(tǒng)復(fù)雜：整個(gè)冷卻系統(tǒng)由數(shù)十種主設(shè)備、數(shù)千米冷凍水管路、上千個(gè)閥門(mén)傳感器組成，這將導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜，對(duì)實(shí)施能力、項(xiàng)目管理、招標(biāo)采購(gòu)、測(cè)試驗(yàn)收等均提出了很高的要求，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量難以保證。

（2）交付速度慢：由于系統(tǒng)復(fù)雜度高，上下游關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，依賴現(xiàn)場(chǎng)施工，建設(shè)周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足新時(shí)代數(shù)據(jù)中心快速建設(shè)、靈活部署的需求。

（3）運(yùn)營(yíng)調(diào)優(yōu)難：國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心年均PUE值約為1.5-1.8，需要科學(xué)精細(xì)的運(yùn)營(yíng)調(diào)優(yōu)才能將PUE控制在1.3以下，大部分用戶難以實(shí)現(xiàn)，且系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，對(duì)運(yùn)維人員依賴強(qiáng)。

目前一種新型的間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)（英文簡(jiǎn)稱IDEC，Indirect Evaporative Cooling）可能徹底顛覆集中式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)。IDEC是一種簡(jiǎn)單、高效的數(shù)據(jù)中心冷卻方案，其技術(shù)特點(diǎn)完美匹配當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的建設(shè)、運(yùn)維需求，將越來(lái)越被數(shù)據(jù)中心行業(yè)認(rèn)可。

二、技術(shù)分析

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

IDEC機(jī)組由箱體、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、空空換熱器、噴淋水泵、DX（直膨式制冷）系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成。IDEC利用水蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理如圖3所示，通過(guò)空空換熱器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣與室外空氣的不接觸換熱。機(jī)組一般有三種工作模式：①干模式：當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，僅僅依靠空空換熱器即可完成冷卻。②噴淋模式：當(dāng)室外環(huán)境溫度升高但濕球溫度仍較低時(shí)，開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)，利用水蒸發(fā)帶走熱量完成冷卻。③混合模式：當(dāng)室外環(huán)境濕球溫度較高時(shí)，需要同時(shí)開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)及DX制冷系統(tǒng)完成冷卻。三種運(yùn)行模式下，均可以實(shí)現(xiàn)全部或者部分的自然冷卻，以達(dá)到降低能耗的效果。

2.2 系統(tǒng)對(duì)比

以一個(gè)中型數(shù)據(jù)中心為例，采用集中式冷凍水系統(tǒng)和采用間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)配置如下表1和表2所示。

圖3 間接蒸發(fā)冷卻運(yùn)行原理

表1 集中式冷凍水系統(tǒng)配置

表2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)配置

集中式冷凍水系統(tǒng)是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包含冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、板式換熱器、蓄冷罐、空調(diào)末端等主設(shè)備以及復(fù)雜的閥門(mén)管路系統(tǒng)、水處理設(shè)備、補(bǔ)水設(shè)備等配套設(shè)備。而間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)僅需要一種主設(shè)備和少量配套設(shè)備就可以完成冷卻過(guò)程。間接蒸發(fā)冷卻比冷凍水系統(tǒng)可減少80%主要設(shè)備、95%閥門(mén)管路及60%監(jiān)控點(diǎn)位，系統(tǒng)復(fù)雜度得到極大簡(jiǎn)化。

集中式冷凍水系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)三到四次換熱如圖4所示才能將數(shù)據(jù)中心的熱量散發(fā)到大氣中，自然冷卻溫差（環(huán)境濕球溫度-機(jī)房送風(fēng)溫度）一般為9-14℃。而IDEC系統(tǒng)則是一種簡(jiǎn)單、高效的系統(tǒng)，僅需要通過(guò)一次換熱如圖5所示，就可以完成數(shù)據(jù)中心與室外大氣的熱交換，自然冷卻溫差一般可控制在7℃以下，溫差更小將意味著IDEC可以更長(zhǎng)時(shí)間地利用自然冷源。

圖4 冷凍水系統(tǒng)換熱示意

圖5 IDEC系統(tǒng)換熱示意

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)以上對(duì)比，我們來(lái)深入分析一下IDEC方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（1）快速部署：IDEC是一種高度預(yù)制化的產(chǎn)品，冷卻系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量及工程量大幅度減少，工廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)僅需要簡(jiǎn)單的吊裝、拼接、接電、接水、接風(fēng)管即可完成交付，數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)、招標(biāo)采購(gòu)、供貨安裝、綜合測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)大幅度效率提升，冷卻系統(tǒng)建設(shè)效率提升80%以上。

（2）節(jié)能節(jié)水：在我國(guó)絕大部分地區(qū)，間接蒸發(fā)冷卻與冷凍水系統(tǒng)相比，自然冷卻時(shí)長(zhǎng)可延長(zhǎng)1000-2000小時(shí)，比冷凍水系統(tǒng)節(jié)能20%～50%（因氣象參數(shù)及運(yùn)行工況有所差異）。IDEC機(jī)組在環(huán)境溫度較低時(shí)，采用干式冷卻的運(yùn)行模式，全年節(jié)水率達(dá)到50%-70%，非常適合應(yīng)用在水資源緊張的地區(qū)。

（3）更低成本：因?yàn)镮DEC的DX系統(tǒng)一般無(wú)需滿配置，其全年峰值PUE比冷凍水系統(tǒng)更低，相同的市電引入容量下，分配給服務(wù)器的電量提升20%-40%，數(shù)據(jù)中心單位ITkW的建設(shè)成本將大幅度降低。

（4）運(yùn)行安全：IDEC為分布式的系統(tǒng)，設(shè)備故障僅會(huì)影響對(duì)應(yīng)區(qū)域，冷卻系統(tǒng)無(wú)大面積集中故障的風(fēng)險(xiǎn)，可靠性極大提升。由于IDEC的換熱原理是室內(nèi)空氣與室外空氣不接觸換熱，室外空氣不會(huì)進(jìn)入到IT機(jī)房?jī)?nèi)，故室外空氣質(zhì)量不會(huì)對(duì)IT設(shè)備造成影響。IDEC為主動(dòng)送風(fēng)方案，與為了追求高能效的冷凍水近端空調(diào)末端相比，無(wú)水浸服務(wù)器的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）簡(jiǎn)化運(yùn)維：在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行階段，IDEC機(jī)組設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，可以根據(jù)室外環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化運(yùn)行，大幅度提高運(yùn)維效率。日常運(yùn)維僅需要對(duì)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行清洗，無(wú)復(fù)雜運(yùn)維調(diào)優(yōu)工作，對(duì)運(yùn)維人員的專業(yè)素質(zhì)要求也大大降低，有利于節(jié)省運(yùn)維成本。

三、適用場(chǎng)景

3.1 建筑適用性

IDEC設(shè)備體積龐大，因每臺(tái)機(jī)組均需要向大氣中散發(fā)熱量，IDEC設(shè)備一般只能布置在數(shù)據(jù)中心建筑的外圍地面或者屋面。當(dāng)選擇地面布置時(shí)，需考慮機(jī)組布置間距以滿足合理的氣流組織和足夠的檢修維護(hù)空間；當(dāng)選擇屋面布置時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)需要考慮抗震、防水等問(wèn)題。對(duì)于新建數(shù)據(jù)中心，IDEC設(shè)備更加適用于不超過(guò)三層的數(shù)據(jù)中心，當(dāng)數(shù)據(jù)中心因土地資源緊張需要建設(shè)三層以上的數(shù)據(jù)中心時(shí)，IDEC設(shè)備只能在建筑外圍堆疊布置，需要特別考慮機(jī)組的進(jìn)排風(fēng)問(wèn)題，以避免進(jìn)排風(fēng)短路影響運(yùn)行效果。對(duì)于老舊建筑改造的數(shù)據(jù)中心，通過(guò)核算建筑外圍及屋面的承重及空調(diào)條件，可以快速判斷是否適合采用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

圖6 IDEC三層布置方案1

圖7 IDEC三層布置方案2

3.2 地域適用性

間接蒸發(fā)冷卻方案并沒(méi)有明顯的地域不適性，機(jī)組在干模式條件下，溫度越低，節(jié)能效果越明顯。噴淋模式下，氣候越干燥，經(jīng)過(guò)噴淋后，干濕球溫差越大，節(jié)能效果越明顯。IDEC機(jī)組較為依賴于使用環(huán)境的溫濕度，在不同的地區(qū)，節(jié)能效果各有差異，但與傳統(tǒng)的集中式冷凍水系統(tǒng)相比，幾乎在我國(guó)任何氣候條件下，均有比較顯著的節(jié)能效果。

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)有良好的節(jié)水性能，在水資源緊張的地區(qū)尤為適用。同時(shí)，間接蒸發(fā)冷卻方案為不接觸換熱，無(wú)室外新風(fēng)引入，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量無(wú)特殊要求。

3.3 其他適用性

間接蒸發(fā)冷卻屬于風(fēng)冷范疇，適合中低功率密度服務(wù)器機(jī)柜，但通過(guò)優(yōu)化機(jī)柜布局，可以支持單機(jī)柜20kW以上的需求。

如前文所述，若將IDEC機(jī)組布置在數(shù)據(jù)中心建筑屋面，機(jī)組的送回風(fēng)管需要貫穿屋面，若處理不好，會(huì)帶來(lái)漏水風(fēng)險(xiǎn)。

四、系統(tǒng)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃時(shí)，首先要考慮的是當(dāng)?shù)卣畬?duì)容積率的要求，以此來(lái)判定需要建設(shè)的數(shù)據(jù)中心的樓層數(shù)量。三層及以下的數(shù)據(jù)中心采用間接蒸發(fā)冷卻方案相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖6及圖7所示，通過(guò)合理的功能區(qū)域布局，可為IDEC機(jī)組側(cè)面安裝或者屋面安裝預(yù)留條件；若數(shù)據(jù)中心樓層數(shù)量超過(guò)三層，一般會(huì)出現(xiàn)IDEC機(jī)組堆疊側(cè)面安裝的情況，這時(shí)需要考慮機(jī)組進(jìn)排風(fēng)問(wèn)題，應(yīng)采用集中風(fēng)井或其他措施避免機(jī)組冷熱氣流短路，影響機(jī)組運(yùn)行效果。

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)峰值PUE的計(jì)算與容量規(guī)劃直接相關(guān)，在進(jìn)行峰值PUE計(jì)算時(shí)需要結(jié)合當(dāng)?shù)貥O端氣象參數(shù)、IDEC機(jī)組的負(fù)載率、配套及輔助系統(tǒng)的峰值功率等因素綜合精確計(jì)算。在確定最大支持IT負(fù)載后，還應(yīng)根據(jù)IT業(yè)務(wù)類(lèi)型、歷史功耗數(shù)據(jù)等因素綜合考慮IT同時(shí)使用系數(shù)，確定合理的機(jī)架數(shù)量。如能在服務(wù)器上架及運(yùn)行階段對(duì)IT進(jìn)行容量管理，效果更佳。

4.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，還需要對(duì)間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品進(jìn)行明確的定義，才能發(fā)揮間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)，以下內(nèi)容列舉了間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）極端濕球溫度及DX配比關(guān)系到機(jī)組是否能在當(dāng)?shù)厝魏螝庀髼l件下達(dá)到設(shè)計(jì)制冷能力。DX配置比例與極端濕球溫度、送回風(fēng)溫度直接相關(guān)，差異大，在IDEC機(jī)組選型時(shí)，應(yīng)明確定義設(shè)計(jì)極端濕球溫度。

（2）換熱溫差是決定機(jī)組節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，溫差越小，利用自然冷卻的時(shí)間則越長(zhǎng)，機(jī)組將更加節(jié)能，需結(jié)合機(jī)組設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性、空空換熱器性能等綜合考慮。

（3）機(jī)組供電：IDEC機(jī)組內(nèi)的用電設(shè)備可分為兩類(lèi)：水泵、風(fēng)機(jī)、控制器、閥門(mén)、傳感器為Ⅰ類(lèi)負(fù)荷，DX系統(tǒng)為Ⅱ類(lèi)負(fù)荷。Ⅰ類(lèi)負(fù)荷一般采用UPS供電，Ⅱ類(lèi)負(fù)荷根據(jù)項(xiàng)目需要有所差異，夏季極端濕球溫度下市電中斷后，機(jī)房溫升在允許范圍內(nèi)時(shí)，Ⅱ類(lèi)負(fù)荷可采用市電供電，否則，也需配備UPS電源。

（4）控制系統(tǒng)：IDEC機(jī)組分布式安裝，獨(dú)立工作，無(wú)需復(fù)雜群控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全年不間斷自動(dòng)運(yùn)行?？刂七壿嫹矫妫瑧?yīng)具備模式切換、運(yùn)行參數(shù)控制、故障管理等模塊，需重視控制邏輯及功能測(cè)試，保證現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行安全。

五、應(yīng)用展望

新時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣性、爆發(fā)性增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心也將呈現(xiàn)規(guī)模變大、增長(zhǎng)變快、硬件形態(tài)變多、功率密度提升的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心技術(shù)方案及建設(shè)模式已經(jīng)逐漸不能滿足這種需求變化，雖然液體冷卻的技術(shù)也在快速發(fā)展，但是未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，風(fēng)冷技術(shù)還將會(huì)占據(jù)主場(chǎng)。簡(jiǎn)單、分布式、預(yù)制化的間接蒸發(fā)冷卻方案能夠滿足數(shù)據(jù)中心快速、高效、彈性的建設(shè)需求，必將會(huì)加速I(mǎi)DC“新基建”的快速發(fā)展?！?/p>