蒸發(fā)冷卻技術(shù)在貴陽地區(qū)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用探討

魯 亮

（貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 貴陽 550001）

0 前言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為海量數(shù)據(jù)運算及存儲的載體，數(shù)量和規(guī)模增長速度逐年加快?？焖侔l(fā)展的同時，帶來了能源消耗巨大、綠色節(jié)能水平亟待提高等普遍問題。根據(jù)貴州省發(fā)布的《貴州省數(shù)據(jù)中心綠色化專項行動方案》（黔數(shù)據(jù)領(lǐng)辦【2018】16 號）要求[1]，貴州省新建數(shù)據(jù)中心能效值（PUE/EEUE）低于1.4，已建數(shù)據(jù)中心能效值高于1.8 的能效值降低8%，數(shù)據(jù)中心綜合利用率提升到30%。數(shù)據(jù)中心中空調(diào)系統(tǒng)能耗是影響數(shù)據(jù)中心能耗的重要因素，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)直接影響數(shù)據(jù)中心的PUE值（數(shù)據(jù)中心電能利用效率）[2]。我國數(shù)據(jù)中心的能耗中約40%用于空調(diào)系統(tǒng)，在合適的氣候條件下，利用自然冷源代替人工冷源可以降低數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的能耗。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種利用干空氣制取冷風(fēng)或冷水的技術(shù)，可以根據(jù)末端的需求提供冷風(fēng)或者冷水，為數(shù)據(jù)中心供冷。由于不需要使用傳統(tǒng)的壓縮機，所以其能耗較低，將這項技術(shù)應(yīng)用在全年需求提供冷量的數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)中，并配合人工冷源使用，節(jié)能潛力巨大。

1 直接和間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的特點

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一項利用水蒸發(fā)吸熱制冷的技術(shù)[3]。蒸發(fā)冷卻技術(shù)分為直接蒸發(fā)冷卻（DEC）空調(diào)技術(shù)和間接蒸發(fā)冷卻（IEC）技術(shù)。蒸發(fā)冷卻空調(diào)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟和可提高室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)點。根據(jù)國標(biāo)GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第4.4.2 條規(guī)定：夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度低、溫度日較差大的地區(qū)，宜優(yōu)先采用直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻或直接蒸發(fā)冷卻與間接蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的二級或三級蒸發(fā)冷卻的空氣處理方式[4]。

直接蒸發(fā)冷卻是使空氣和水直接接觸，通過水的蒸發(fā)后，空氣的溫度會下降，其特點是對空氣實現(xiàn)等焓加濕降溫過程，送風(fēng)降溫的極限溫度為進風(fēng)的濕球溫度，適合在空氣質(zhì)量較好的情況下使用。

間接蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)間接蒸發(fā)冷卻是指通過非直接接觸式換熱器，將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給機房循環(huán)空氣，實現(xiàn)空氣等濕降溫的過程，適合在空氣污染的環(huán)境下使用。

現(xiàn)有的工業(yè)建筑工程中，蒸發(fā)冷區(qū)技術(shù)產(chǎn)生的冷風(fēng)或者冷水不僅可以改善人員的工作環(huán)境，而且可通過改進工藝流程滿足其他需求。蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以根據(jù)使用的環(huán)境和用戶的需求靈活改變出風(fēng)溫度和出水溫度，可以采用直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻、直接-間接兩級蒸發(fā)冷卻或間接-直接多級蒸發(fā)冷卻等設(shè)備形式。

2 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在貴州省數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

2.1 直接蒸發(fā)冷卻在貴陽某數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

直接蒸發(fā)冷卻（DEC）空調(diào)技術(shù)的技術(shù)核心元件是填料，水泵將蓄水池中的水提升至填料，水泵將蓄水池中的水提升至填料的頂部，通過布水器均勻地將水布置在填料上。在風(fēng)機的作用下，空氣與水在填料中充分接觸，空氣被等焓冷卻，填料上多余的水最終回到位于填料底部的蓄水池中。填料也會起到一定的過濾作用，并在一定程度上可以過濾對電子設(shè)備有害的SO2氣體[5]。

貴陽某數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)儲存機房采用直通風(fēng)直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)流程圖如圖1 所示。新風(fēng)通過進風(fēng)百葉進入蒸發(fā)冷卻機組，經(jīng)初中高效過濾后送入數(shù)據(jù)機房冷通道（溫濕度不滿足時經(jīng)處理后送入），通過IT 機柜溫升后進入熱通道，通過屋頂排風(fēng)風(fēng)機直接排出室外（冬季溫度低于數(shù)據(jù)機房要求時需采用部分回風(fēng)）。

圖1 直通風(fēng)直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of direct ventilation evaporative cooling system

貴陽市室外氣象參數(shù)：氣壓88780Pa，夏季空調(diào)室外干球溫度30.1℃，空調(diào)室外濕球溫度23℃，空調(diào)室外日平均溫度26.5℃；冬季室外空調(diào)干球溫度-2.5℃，冬季室外空調(diào)濕球溫度-3.5℃，極端最高氣溫35.1℃，極端最低氣溫-7.3℃[6]。貴陽某數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)機房室內(nèi)參數(shù)要求如表1 所示。

表1 貴陽某數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)機房室內(nèi)參數(shù)Table 1 Data room parameters for a data centre in Guiyang

在上述要求條件下繪制焓濕圖，分別在焓濕圖上設(shè)置邊界狀態(tài)點N1(18℃，20%)、N2(18℃，80%)、N3(28℃，80%)、N4(28℃，20%)，形成數(shù)據(jù)中心室內(nèi)參數(shù)90%時間范圍邊界（推薦區(qū)域），設(shè)置邊界狀態(tài)點N5(15℃，10%)、N6(15℃，90%)、N7(32℃，90%)、N8(32℃，10%)，形成數(shù)據(jù)中心室內(nèi)參數(shù)10%時間范圍邊界（允許區(qū)域）。結(jié)合貴陽市全年氣象參數(shù)，全年8760 小時，8258 小時（94.27%）參數(shù)落在N1～N4 區(qū)域推薦范圍；486 小時（5.55%）參數(shù)落在N5～N8 區(qū)域允許范圍；16 小時（1.83%）參數(shù)落在允許范圍以外，焓濕圖如圖2 所示。

圖2 貴陽某數(shù)據(jù)中心全年焓濕圖處理分析Fig.2 Processing analysis of annual enthalpy-humidity chart for a data centre in Guiyang

全年氣候條件下需空氣處理后送入數(shù)據(jù)機房的運行模式：

（1）全年有14 小時（0.16%）室外空氣溫度高于允許范圍的上限32℃，因此這時需采用直接蒸發(fā)冷卻來降溫。

（2）全年有2 個小時，室外空氣的露點很低，在和室內(nèi)回風(fēng)混合以維持?jǐn)?shù)據(jù)機房允許運行條件中的最低送風(fēng)干球溫度18℃時，將引起相對濕度會低于允許條件的最低相對濕度要求。因此在這種室外空氣的條件下，需重置送風(fēng)溫度以保證相對濕度高于允許條件中相對濕度為10%的下限。

（3）全年有486 個小時，室外溫度高于推薦范圍的28℃上限，在這些時間段，可以選擇性蒸發(fā)冷卻制冷。

2.2 間接蒸發(fā)冷卻在貴陽某數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

間接蒸發(fā)冷卻（IEC）空調(diào)技術(shù)是產(chǎn)生介質(zhì)（空氣或水）與工作介質(zhì)（空氣和水）間接接觸進行熱濕交換，產(chǎn)生介質(zhì)與工作介質(zhì)之間不存在質(zhì)的交換，僅是顯熱的交換，以獲取冷風(fēng)或冷水的技術(shù)[7]。本文介紹貴陽某數(shù)據(jù)中心采用蒸發(fā)冷卻和液冷結(jié)合方式給數(shù)據(jù)機房降溫的實用案例。

液冷是指通過液體來替代空氣，把CPU、內(nèi)存條、芯片組、擴展卡等器件在運行時所產(chǎn)生的熱量帶走。根據(jù)目前技術(shù)研究的進程，將液冷分類為了水冷和其他介質(zhì)冷卻，可用的其他介質(zhì)包括礦物油、電子氟化液等[8]。按照冷卻原理，又將液冷分為了冷板式液冷（間接式冷卻）和浸沒式液冷（直接式冷卻）兩種系統(tǒng)模式。圖3 為蒸發(fā)冷卻與液冷結(jié)合給數(shù)據(jù)機房降溫的原理圖。

圖3 蒸發(fā)冷卻與液冷技術(shù)結(jié)合原理圖Fig.3 Schematic diagram of combination of evaporative cooling and liquid cooling technology

貴陽某數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)運算機房冷負(fù)荷41016kW，采用一次側(cè)冷卻水系統(tǒng)和二次側(cè)冷卻水系統(tǒng)通過板式換熱器換熱后給數(shù)據(jù)機房液冷機柜微模塊降溫，一次側(cè)冷卻水設(shè)計供回水溫度32.5℃/40.5℃，溫差8℃，二次側(cè)冷卻水設(shè)計供回水溫度34℃/42℃，溫差8℃，板換換熱溫差1.5℃。

2.3 蒸發(fā)冷卻在貴陽某數(shù)據(jù)中心的能源利用效率（PUE）

通常衡量一個數(shù)據(jù)中心項目可持續(xù)性的一個通常手段是衡量這個數(shù)據(jù)中心的能源利用效率（PUE）。本項目為了增加項目的總體可持續(xù)性，采用了直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻措施。這些節(jié)能措施的直接成果是使得數(shù)據(jù)中心的PUE 約1.22（UPS 為在線模式）或1.19（UPS 為離線模式），整個設(shè)施的估算電量比例分布如圖4、圖5 所示。

圖4年平均PUE 基礎(chǔ)設(shè)施電力分布圖（UPS 在線）Fig.4 Average PUE infrastructure power distribution map(UPS online)

圖5年平均PUE 基礎(chǔ)設(shè)施電力分布圖（UPS 離線）Fig.5 Average PUE infrastructure power distribution map(UPS offline)

3 蒸發(fā)冷卻技術(shù)在貴陽地區(qū)應(yīng)用需注意問題

3.1 直接蒸發(fā)冷卻通常需注意的問題

（1）進風(fēng)百葉窗的水分夾帶量。超過環(huán)境濕度的入口濕度可能會導(dǎo)致機械設(shè)備性能下降，所以數(shù)據(jù)中心進風(fēng)百葉處的濕球溫度應(yīng)在服務(wù)器所允許的上限濕球溫度值。

（2）熱通道排風(fēng)對直接蒸發(fā)冷卻進風(fēng)口空氣溫度的影響。理論情況下設(shè)計考慮的蒸發(fā)冷卻進風(fēng)口溫度為歷年全年氣象參數(shù)數(shù)據(jù)，但是由于數(shù)據(jù)中心送風(fēng)經(jīng)過數(shù)據(jù)機柜經(jīng)熱通道排出后，會有一定的溫升，飄散到空氣中，經(jīng)過不同風(fēng)向擾動，會導(dǎo)致直接蒸發(fā)冷卻進風(fēng)溫度上升，應(yīng)結(jié)合模擬分析其影響。

3.2 間接蒸發(fā)冷卻通常需注意的問題

（1）間接蒸發(fā)使用的冷卻塔防凍問題。間接蒸發(fā)冷卻需要采用冷卻塔設(shè)備放熱，數(shù)據(jù)中心具有全年不間斷運行的特點，在貴州地區(qū)冬季溫度會存在零度以下的情況，所以考慮冷卻塔防凍措施。

（2）間接蒸發(fā)冷卻換熱器防結(jié)垢問題。間接蒸發(fā)冷卻由于需要通過換熱器換出所需要的介質(zhì)，隨著換熱器運轉(zhuǎn)時間的增加，介質(zhì)中的沉淀物和碎物在換熱器表面的堆積，導(dǎo)致結(jié)垢，貴州屬于礦物質(zhì)豐富地區(qū)[9]，所以在設(shè)計間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)時，需要注意做好水質(zhì)的處理和換熱器的定期維護。

4 結(jié)語

蒸發(fā)冷卻技術(shù)在全國數(shù)據(jù)中心中已經(jīng)有了不少案例應(yīng)用[10]，本文通過分析蒸發(fā)冷卻技術(shù)在貴陽某數(shù)據(jù)中心實際案例工程中的應(yīng)用和需注意的問題，通過實際案例的計算和分析表明，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在貴陽地區(qū)是具有可行性和節(jié)能減排效果的。當(dāng)前，貴陽作為首個國家級大數(shù)據(jù)綜合試驗區(qū)，在貴陽建設(shè)的數(shù)據(jù)中心也在日益增加。希望讀者在設(shè)計貴陽地區(qū)數(shù)據(jù)中心的初期，結(jié)合數(shù)據(jù)中心本身特征和要求，考慮采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)中心降溫的冷卻方案，為數(shù)據(jù)中心的建設(shè)單位提供多一種節(jié)能減排方案。