關于間接蒸發(fā)冷機組在數(shù)據(jù)中心中應用的節(jié)能分析

李偉

摘要：簡要論述了數(shù)據(jù)中心的能耗結構及節(jié)能需求，介紹了當前擊中成熟的空調節(jié)能技術，描述了間接蒸發(fā)冷機組的運行原理及運行模式，分析了間接蒸發(fā)冷機組在數(shù)據(jù)中心節(jié)能效果，并基于不同地區(qū)分析了間接蒸發(fā)冷機組的全年能效比以及CLF。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心;能耗;PUE;CLF;間接蒸發(fā)冷;節(jié)能;全年能效比

1.數(shù)據(jù)中心的能耗結構及空調系統(tǒng)節(jié)能需求

數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)的重要承載體，隨著我國云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的需求也與日俱增，建設體量和建設規(guī)模不斷擴大。數(shù)據(jù)中心的能耗已經(jīng)占到全社會用電量的3%，是十足的耗能大戶。

數(shù)據(jù)中心的耗能部分主要包括IT 設備、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及其他設施（包括安防設備、滅火、防水、傳感器以及相關數(shù)據(jù)中心建筑的管理系統(tǒng)等）。目前我國大型數(shù)據(jù)中心的平均PUE（Power Usage E?ectiveness，電源使用效率）約1.55[1]，還處于能耗較高的水平。隨著我國提出“碳達峰、碳中和”的雙碳目標，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能需求已變得非常迫切。

按照當前數(shù)據(jù)中心的平均1.55的PUE分割來看，其中空調系統(tǒng)的能耗占比因子（CLF）約0.43，其他如配電系統(tǒng)等占比因子約0.12。可見，數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要方向是空調系統(tǒng)的節(jié)能。

2.幾種數(shù)據(jù)中心空調節(jié)能技術

從數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗構成上看，主要由冷源設備（制冷機組）能耗、輸

配設備（主要是水泵、輸送風機）能耗以及散熱設備能耗（主要是末端散熱風機、

冷卻塔風機、空氣冷卻器風機等）構成。。其中制冷機組（主要是壓縮機）的能耗占整個冷卻系統(tǒng)能耗的50～70%，降低制冷機組能耗是數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能的核心。因此，空調系統(tǒng)的節(jié)能，重要方向之一是如何減少壓縮機的使用時間，提升壓縮機的運行效率。

將現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)根據(jù)溫差換熱特性、自然冷源利用率以及現(xiàn)有換熱器能力分為三類。第一類，數(shù)據(jù)中心內部（可以是數(shù)據(jù)中心熱通道、或服務器排風、或服務器散熱片表面等）與室外冷源（可以是干球溫度、濕球溫度、冷水溫度、露點溫度等）具有足夠的自然溫差，即所謂完全自然冷卻系統(tǒng)，如新風系統(tǒng)，氣-氣（水）熱交換器，直接/間接蒸發(fā)冷卻以及熱管系統(tǒng)，或采用液冷自然冷卻等;第二類，數(shù)據(jù)中心內部與室外冷源具有一定的自然溫差，但不足夠，需要進行一定程度的補充，稱為部分自然冷卻系統(tǒng)，如帶自然冷卻系統(tǒng)在過渡季節(jié)運行混合模式、復合模式、過渡模式等;第三類，數(shù)據(jù)中心內部與室外冷源沒有自然溫差，甚至為負溫差，一定需要補充，稱為完全主動制冷系統(tǒng)，比如運行標況制冷、高溫制冷等。

通常根據(jù)數(shù)據(jù)中心的布局形式、當?shù)氐淖匀粭l件等因素，空調系統(tǒng)的形式多種多樣。但基本上所有的空調系統(tǒng)的節(jié)能都是基于以上所描述的三個層面，簡單歸納即完全自然冷、聯(lián)合制冷以及完全機械制冷。間接蒸發(fā)冷機組的應用也不例外，主要是基于當?shù)氐氖彝鉁貪穸葪l件以及數(shù)據(jù)中心的結構等多種條件，所研發(fā)出的一款節(jié)能型的空調形式。

3.間接蒸發(fā)冷機組的運行原理及模式

間接蒸發(fā)冷卻是指數(shù)據(jù)中心機房內送風與室外新風間接接觸進行顯熱交換，而在室外新風側，其需要與直接蒸發(fā)冷卻填料或者換熱器壁面的水膜及由套呀噴頭將水流霧化形成的小水滴直接接觸，進行充分的熱濕交換。利用通過蒸發(fā)加濕得到的室外側空氣濕球溫度和數(shù)據(jù)中心能不的回風溫度的溫差，通過管壁的熱傳導將機房的熱量傳遞給室外側空氣的過程，從而達到冷卻數(shù)據(jù)中心的目的。如圖2所示。

間接蒸發(fā)冷機組是間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)和風冷機械制冷系統(tǒng)的有機結合，通常它的主要耗能部件有內循環(huán)風機、外循環(huán)風機、壓縮機、噴淋水泵等。節(jié)能原理主要是利用室外新風與室內高溫回風間接換熱，盡可能地減少風冷機械制冷系統(tǒng)中的壓縮機運行時間，最大程度的利用自然冷源。根據(jù)室外溫濕度的條件，通常間接蒸發(fā)冷機組有三種運行模式：干模式、濕模式、混合模式[2]。

當室外溫度足夠低時，干模式開啟。此時機械制冷系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)停止運行，僅通過內外循環(huán)風機，實現(xiàn)室內外氣流的間接換熱，實現(xiàn)熱量傳遞。此時耗能部件僅有內外循環(huán)風機，能效比最大。

當室外溫度升高，噴淋水泵開啟。通過高壓噴霧將室外新風從干球溫度降至濕球溫度。此時機械制冷系統(tǒng)仍然無需運行，相較干模式，濕模式增加了噴淋水泵的運行功耗，但仍然可維持高能效比。

當室外溫度進一步提升，此時僅依靠自然換熱已不能提供足夠的制冷量，機械制冷系統(tǒng)開啟作進一步的冷量補充。

4.間接蒸發(fā)冷機組的節(jié)能分析

本文通過某假定數(shù)據(jù)中心，按照某一特定工況，參照國標GB/T 19413-2010的空調全年能效比的計算方式，計算出若干個典型城市，當數(shù)據(jù)中心采用某知名廠家的間接蒸發(fā)冷機組時，空調系統(tǒng)的全年能效比，進一步計算出空調系統(tǒng)的CLF因子，反映間接蒸發(fā)冷機組能達到的節(jié)能效果。

以某樣板機房為例，假定該機房的的冷負荷為1000kW，機房采用封閉冷通道的形式，回風溫度為37℃。選用某知名廠家的間接蒸發(fā)冷機組，單臺機組的制冷為250kW，共選用4臺。該機組在室外干球溫度分別為35℃、25℃、15℃、5℃、-5℃五個工況下，其對應的能效比EERa、EERb、EERc、EERd、EERe分別為4.1、8.5、10.4、12.9、14.7。

以下式（1）為參照國標GB/T 19413-2010的全年能效比的計算公式：

AEER=Ta×EERa+Tb×EERb+Tc×EERc+Td×EERd+Te×EERe.........（1）

本文選取若干個典型城市進行對比計算，分別選用了哈爾濱（嚴寒地區(qū)）、北京（寒冷地區(qū)）、上海（夏熱冬冷地區(qū)）、昆明（溫和地區(qū)）、廣州（夏熱冬暖地區(qū)）共中國五個氣候地區(qū)的代表城市。五個城市的溫度分布系數(shù)參照國標GB/T 19413-2010 標準中的附錄B，見表2：

按照式（1）分別計算在上述五個典型城市中，同等規(guī)模、同等工況下，采用間接蒸發(fā)冷機組的空調系統(tǒng)全年能效比等數(shù)據(jù)計算結果如下：

經(jīng)以上計算結果可知，采用間接蒸發(fā)冷機組的空調形式，在中國五個氣候區(qū)域均有較高的全年能效比。理論計算下，相比全國目前數(shù)據(jù)中心的PUE為1.55的平均水平來看，間接蒸發(fā)冷機組能幫助數(shù)據(jù)中心的PUE降低到1.25以下，具有顯著的節(jié)能效果。

5.結論

本文通過分析和討論，得出以下結論：

（1）目前國內數(shù)據(jù)中心已經(jīng)變得越來越重要，其用電量也越來越大。但國內數(shù)據(jù)中心整體的能耗水平依舊偏高，隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的提出和推進，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能變得越來越重要;

（2）數(shù)據(jù)中心的能耗結構相對來說比較穩(wěn)定，能耗分布主要由服務器的能耗、空調系統(tǒng)的能耗、配電系統(tǒng)的電力損耗以及其他如照明系統(tǒng)等組成。其中作為支撐服務器穩(wěn)定運行的支持系統(tǒng)，以空調系統(tǒng)所占能耗比例最大。因此，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能重點之一就是空調系統(tǒng)的節(jié)能;

（3）間接蒸發(fā)冷對于降低數(shù)據(jù)中心能耗水平有顯著效果，且在南方地區(qū)采用該系統(tǒng)依然可以獲得較為可觀的全年能效比。而珠江三角區(qū)域為中國的經(jīng)濟中心之一，對數(shù)據(jù)中心的需求極為旺盛。但該區(qū)域為夏熱冬暖地區(qū)，對于空調系統(tǒng)節(jié)能不利，這就帶來了數(shù)據(jù)中心剛需和節(jié)能的矛盾。間接蒸發(fā)冷機組在廣州地區(qū)節(jié)能效果依然顯著，在該區(qū)域有較好的推廣應用價值。

參考文獻

[1]《2021年中國數(shù)據(jù)中心市場報告》;數(shù)據(jù)中心工作組

[2]《數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術白皮書》;中數(shù)智慧信息技術研究院