蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用

劉明亮 王娟 郭豐

摘 ?要：數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心中能耗占比最高的輔助系統(tǒng)。因此，降低其能耗是提升數(shù)據(jù)中心能源利用效率的重要方式。為此，通過(guò)分析蒸發(fā)冷卻原理、蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的適用性，簡(jiǎn)要總結(jié)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用形式以及應(yīng)用情況，認(rèn)為在數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中引入蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以充分利用自然冷源，有效降低能耗。建議數(shù)據(jù)中心用戶選擇冷源時(shí)在氣候條件允許的情況下優(yōu)先選擇蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷卻;數(shù)據(jù)中心;節(jié)能

中圖分類號(hào)：TU831 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）12-0051-03

Abstract：Data center cooling system is the auxiliary system with the highest energy consumption in data center. Therefore，reducing cooling system energy consumption is an important way to improve data center energy utilization efficiency. Therefore，based on the evaporative cooling principle，the applicability of the evaporative cooling technology in the data centers analysis，as well as the application of evaporative cooling technology in the data center in the form of brief summary of the practice and application，it is considered that introducing evaporative cooling technology in data center cooling system can make full use of natural cold source，effectively reduce the energy consumption data center cooling system. It is suggested that when selecting a cold source，data center users should give priority to evaporative cooling technology if the climate conditions permit.

Keywords：evaporative cooling;data center;energy saving

0 ?引 ?言

隨著5G產(chǎn)業(yè)新基建的全面布局，通訊信息及相關(guān)增值服務(wù)產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，而數(shù)據(jù)中心的高能耗問(wèn)題日益凸顯。2019年2月，工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局三部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出，新建數(shù)據(jù)中心能源使用效率應(yīng)不高于1.4。數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備及電源、電池等其他設(shè)備的高效穩(wěn)定運(yùn)行，提供了適宜的溫度和濕度環(huán)境;但其自身也消耗了大量的電能，約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的40%，是數(shù)據(jù)中心中能耗最大的輔助系統(tǒng)。因此，降低冷卻系統(tǒng)能耗是提升數(shù)據(jù)中心能源利用效率的重要環(huán)節(jié)。為推動(dòng)制冷系統(tǒng)能耗的降低，中國(guó)電子學(xué)會(huì)對(duì)各類冷卻技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，認(rèn)為蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心可以有多種應(yīng)用形式，可以有效提高數(shù)據(jù)中心的能源使用效率。

1 ?蒸發(fā)冷卻技術(shù)的原理

蒸發(fā)冷卻技術(shù)以水作為冷卻介質(zhì)，是一項(xiàng)通過(guò)水分蒸發(fā)吸熱進(jìn)行冷卻的技術(shù)。蒸發(fā)冷卻分為直接蒸發(fā)冷卻（Direct Evaporative Cooling，DEC）和間接蒸發(fā)冷卻（Indirect Evaporative Cooling，IEC）兩種。直接蒸發(fā)冷卻是指冷卻過(guò)程中干燥空氣和水直接接觸，空氣和水之間同時(shí)發(fā)生傳熱、傳質(zhì)且相互影響;此過(guò)程為絕熱降溫加濕過(guò)程，其極限溫度能達(dá)到空氣的濕球溫度[1]。間接蒸發(fā)冷卻是指通過(guò)非直接接觸式換熱器將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣（二次空氣）的冷量傳遞給待處理空氣（一次空氣）實(shí)現(xiàn)空氣等濕降溫的過(guò)程[2]。間接蒸發(fā)冷卻可避免傳熱工質(zhì)與水之間的相互影響，其極限溫度能達(dá)到空氣的露點(diǎn)溫度。

2 ?蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的適用性

從數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗主要由制冷機(jī)組（主要是壓縮機(jī)）能耗、輸配設(shè)備（主要是水泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)）能耗以及散熱設(shè)備（主要是冷卻塔、室外風(fēng)機(jī)）能耗構(gòu)成，表1為某數(shù)據(jù)中心采用不同冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)能耗情況的測(cè)算。其中壓縮機(jī)的能耗占整個(gè)冷卻系統(tǒng)能耗的一半以上。由此可見，降低制冷機(jī)組的能耗是數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

從數(shù)據(jù)中心的制冷需求角度看，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部負(fù)荷密度高，電耗密度高達(dá)300～1 500 W/m2，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心甚至可達(dá)3 000 W/m2，但數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的IT設(shè)備一般不吸濕也不產(chǎn)濕，對(duì)新風(fēng)需求少（僅滿足IT設(shè)備及輔助設(shè)備的工藝需求即可），對(duì)除濕的負(fù)荷要求也不高。此外，數(shù)據(jù)中心需全年連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，即使在冬季室外溫度很低時(shí)，數(shù)據(jù)中心仍然需要向外部散熱。因此，降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗的措施主要是提高壓縮機(jī)的運(yùn)行效率和提高自然冷源的應(yīng)用時(shí)間以降低壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

因?yàn)檎舭l(fā)冷卻不使用壓縮機(jī)，且可以充分利用自然冷源，蒸發(fā)冷卻最大輸入功率只有機(jī)械制冷空調(diào)的30%，相比傳統(tǒng)電制冷空調(diào)可節(jié)能70%左右。在氣候條件允許的地區(qū)，機(jī)房PUE值可低至1.150。因此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)適合在具備條件的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行推廣。

3 ?蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

3.1 ?直接蒸發(fā)冷卻制取冷風(fēng)

直接蒸發(fā)冷卻制取冷風(fēng)技術(shù)原理如圖1所示，一般采取和新風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，延長(zhǎng)全年自然冷卻運(yùn)行時(shí)間。

在低溫季節(jié)直接引入新風(fēng)，在高溫季節(jié)開啟濕膜蒸發(fā)冷卻裝置，當(dāng)水反復(fù)且快速地與空氣接觸后，空氣的顯熱轉(zhuǎn)移到水表面并變?yōu)檎舭l(fā)潛熱，空氣的干球溫度下降。水吸收潛熱后變成水蒸氣進(jìn)入空氣中，空氣的含濕量增大而焓值不變，溫度降低。冷卻后的空氣被送入數(shù)據(jù)中心機(jī)房后，沿?zé)釢癖染€吸收數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)備散熱量。該形式適用于夏季空氣的干球溫度高、含濕量低且空氣質(zhì)量較好的地區(qū)，可以在全年大部分時(shí)間直接利用自然冷源。

某數(shù)據(jù)中心整體占地630畝，預(yù)計(jì)規(guī)模為30萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。建成后經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)中心PUE值低于1.100，與同規(guī)模傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心制冷相比，全年節(jié)能率超過(guò)60%。表2給出了部分項(xiàng)目應(yīng)用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)改造前后的能耗對(duì)比，可見在機(jī)房要求、環(huán)境空氣質(zhì)量等條件允許的情況下，數(shù)據(jù)中心使用直接蒸發(fā)冷卻將發(fā)揮巨大的節(jié)能作用。

3.2 ?直接蒸發(fā)冷卻制取冷水

利用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取冷水最常見的方式為使用冷卻塔，其制取冷水的溫度在空氣的濕球溫度之上，極限溫度為空氣的濕球溫度。實(shí)現(xiàn)形式目前主要有兩種，一種是將循環(huán)水直接噴淋成細(xì)小水滴與空氣進(jìn)行熱濕交換;另外一種是用循環(huán)水噴淋填料形成水膜與空氣進(jìn)行熱濕交換。部分水分蒸發(fā)從空氣和液態(tài)水中吸收顯熱轉(zhuǎn)為汽化潛熱并進(jìn)入到空氣中，液態(tài)水發(fā)生降溫冷卻過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水的降溫，最終獲得的冷水溫度高于進(jìn)口空氣的濕球溫度。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研及測(cè)試，得出數(shù)據(jù)中心冷卻塔供冷系統(tǒng)在全國(guó)七個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)中心的全年制冷能效比以及其相對(duì)于機(jī)械制冷的節(jié)能率（各個(gè)區(qū)域的自然供冷時(shí)間采用的是平均自然供冷時(shí)間），如表3所示。

3.3 ?間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷結(jié)合制取冷風(fēng)

間接蒸發(fā)冷卻制取冷風(fēng)是將一次空氣與二次空氣分隔開，形成干通道和濕通道。在一年中的大部分時(shí)間里，利用濕球溫度遠(yuǎn)低于干球溫度的原理，同時(shí)采用高效風(fēng)側(cè)換熱器冷卻和蒸發(fā)冷卻，結(jié)合空氣換熱和蒸發(fā)冷卻技術(shù)，對(duì)室外空氣進(jìn)行噴淋降溫，降低室外空氣溫度。該方式以蒸發(fā)冷卻為主、機(jī)械制冷為輔，空調(diào)機(jī)組運(yùn)行在自然冷卻模式下，達(dá)到降低能耗的效果。間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組運(yùn)行模式如表4所示。

某數(shù)據(jù)中心總建筑面積13.13萬(wàn)平方米。容量為雙路20 000 kVA（IT負(fù)荷），建成后測(cè)試結(jié)果顯示CLF可以低至0.100，數(shù)據(jù)中心整體PUE值低于1.180。

3.4 ?蒸發(fā)冷凝

蒸發(fā)冷凝是在空氣不飽和的情況下，用蒸發(fā)冷卻為機(jī)械制冷冷凝器散熱。常規(guī)風(fēng)冷式冷凝器和水冷式冷凝器都是通過(guò)冷卻空氣或者冷卻水的溫度，來(lái)冷卻換熱器內(nèi)部循環(huán)著的高溫高壓制冷劑，這兩種換熱過(guò)程中冷卻流體只有顯熱變化，所以通常換熱器結(jié)構(gòu)尺寸較大。而蒸發(fā)冷凝通過(guò)水的蒸發(fā)帶走高溫高壓制冷劑的冷凝熱，水蒸發(fā)過(guò)程中的汽化潛熱要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于顯熱，可以提高機(jī)械制冷效率。蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。蒸發(fā)冷凝技術(shù)適用于相對(duì)濕度不高的地區(qū)。相對(duì)于其他傳統(tǒng)的水冷冷水機(jī)組、風(fēng)冷冷水機(jī)組，蒸發(fā)冷凝技術(shù)冷水機(jī)組集成度高，可以取消冷水機(jī)房、取消冷卻塔。

北京某項(xiàng)目，使用5臺(tái)總冷量為2 900 kW的帶自然冷卻功能的一體化蒸發(fā)冷凝技術(shù)冷水機(jī)組，單機(jī)制冷量為分別為740 kW和340 kW。該機(jī)組采用露天安裝方式，以空氣和水為冷源，以冷媒水作為供冷介質(zhì)，并在過(guò)渡季節(jié)和冬季利用室外低溫空氣實(shí)現(xiàn)自然冷卻的運(yùn)行。機(jī)組性能系數(shù)大于4.0，相比傳統(tǒng)水冷主機(jī)系統(tǒng)節(jié)水50%以上、節(jié)地30%以上。

新疆某項(xiàng)目采用蒸發(fā)冷凝冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用當(dāng)?shù)氐蜏乩湓?，盡可能延長(zhǎng)免費(fèi)制冷時(shí)間，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，其節(jié)能效果高達(dá)50%以上。該系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度及變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)空調(diào)運(yùn)行模式的自動(dòng)切換：

（1）當(dāng)環(huán)境濕球溫度≥5 ℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行壓縮機(jī)制冷模式;

（2）當(dāng)環(huán)境濕球溫度<5 ℃時(shí)，機(jī)組自動(dòng)轉(zhuǎn)換為噴淋自然冷源制冷模式;

（3）當(dāng)機(jī)組運(yùn)行噴淋自然冷源制冷模式，滿載工況下冷水出水溫度仍高于10.5 ℃時(shí)，機(jī)組逐臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為壓縮機(jī)制冷模式;

（4）當(dāng)環(huán)境干球溫度低于-15 ℃時(shí)，機(jī)組開啟風(fēng)冷自然冷源制冷模式;

（5）當(dāng)機(jī)組運(yùn)行風(fēng)冷自然冷源制冷模式，滿載工況下冷水出水溫度仍高于10.5 ℃時(shí)，則機(jī)組逐臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為噴淋冷源制冷模式。表5給出系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的測(cè)試數(shù)據(jù)，可得6月和12月實(shí)際PUE分別為1.350和1.229，節(jié)能效果顯著。

4 ?結(jié) ?論

相關(guān)實(shí)踐表明，數(shù)據(jù)中心使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)可減少空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電力容量的需求量，在同等電力容量下可提高IT機(jī)柜的安裝數(shù)量，在相同機(jī)柜下可減少高低壓供電系統(tǒng)的投資金額。在工信部發(fā)布的《綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)目錄》中，也有多項(xiàng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)產(chǎn)品入選。建議數(shù)據(jù)中心用戶在選擇冷源時(shí)，在氣候條件允許的情況下優(yōu)先選擇蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50736-2012 [S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2] 劉艷華.暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：238.

作者簡(jiǎn)介：劉明亮（1968—），男，漢族，江西贛州人，高級(jí)工程師，副秘書長(zhǎng)，博士，研究方向：綠色數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)應(yīng)用;通訊作者：王娟（1980—），女，漢族，山西大同人，經(jīng)濟(jì)師，副主任，碩士，研究方向：綠色數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)應(yīng)用;郭豐（1975—），男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：綠色數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)應(yīng)用。