數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)在中國(guó)的適用性分析

褚俊杰 徐 偉 霍慧敏

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建筑環(huán)境與能源研究院 北京 100013）

0 引言

近些年以來，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，信息技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)智能終端、VR、人工智能、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和5G等領(lǐng)域快速發(fā)展以及“互聯(lián)網(wǎng)+”向各種產(chǎn)業(yè)加速滲透，帶動(dòng)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)模、計(jì)算能力以及網(wǎng)絡(luò)流量的大幅增加。而中國(guó)無疑是信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展最為活躍的區(qū)域，中國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的訪問量和手機(jī)保有量均是全球之最。全球上市互聯(lián)網(wǎng)公司30強(qiáng)中，其中有10個(gè)是中國(guó)公司[1]。這么巨大的信息訪問量和處理量，帶來數(shù)據(jù)中心的快速建設(shè)與發(fā)展。隨著整個(gè)社會(huì)發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求量不斷增長(zhǎng)，并且由于IT設(shè)備的高密度以及全年365天、每天24小時(shí)不間斷的運(yùn)行，從而造成了數(shù)據(jù)中心對(duì)電力能源的消耗急劇增長(zhǎng)。有相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2018年全中國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量為1608.89億千瓦時(shí)，比上海市2018年全社會(huì)用電量（1567億千瓦時(shí)）還要多，相當(dāng)于整個(gè)中國(guó)三峽大壩的全年發(fā)電量[2]。蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種利用水分蒸發(fā)制取冷量的高效自然冷卻方式，在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中利用間接蒸發(fā)自然冷卻方案時(shí)，將會(huì)顯著提高空調(diào)設(shè)備的換熱效率，延長(zhǎng)自然冷源的利用時(shí)間[3]。因此對(duì)于應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)解決數(shù)據(jù)中心散熱問題，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Sang-Woo Ham等人[4]研究了各種風(fēng)側(cè)冷卻器在數(shù)據(jù)中心中的節(jié)能潛力，結(jié)果表明與數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，風(fēng)側(cè)節(jié)能裝置節(jié)能47.5%～67.2%。采用高效換熱器的間接風(fēng)側(cè)冷卻器節(jié)能效果顯著，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。Yin Bi等人[5]采用新型露點(diǎn)間接冷卻系統(tǒng)和優(yōu)化的供冷風(fēng)管理系統(tǒng)，在選定的10種氣候條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為10個(gè)典型城市的數(shù)據(jù)中心空調(diào)電耗可節(jié)省87.7%～91.6%。謝曉云、馮瀟瀟等[6]提出一種基于間接蒸發(fā)冷卻塔的數(shù)據(jù)機(jī)房冷卻系統(tǒng)，夏季，間接蒸發(fā)冷卻塔作為機(jī)械式制冷機(jī)的冷卻塔，能夠制備低于濕球溫度的冷卻水，從而提高制冷機(jī)COP；冬季，間接蒸發(fā)冷卻塔作為冷卻系統(tǒng)的冷源，為數(shù)據(jù)機(jī)房獨(dú)立供冷，由于間接蒸發(fā)冷卻塔結(jié)構(gòu)獨(dú)特，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻塔冬季防凍的功能。黃翔等[7]提出基于直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)及乙二醇自然冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻空氣-水空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域中的首次應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)全年100%自然冷卻。

本文首先針對(duì)“China Free Cooling Tool”工具制作的基于ASHRAE最新標(biāo)準(zhǔn)的中國(guó)自然冷卻地圖，直觀地表現(xiàn)了中國(guó)應(yīng)用自然冷卻的范圍越來越大。然后系統(tǒng)介紹了基于風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻和水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)的工作原理、模式切換以及運(yùn)行邏輯，最后選擇全國(guó)主要的31座城市分別計(jì)算分析了自然冷卻應(yīng)用潛力，并得到相關(guān)結(jié)論。

1 數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)范圍

數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備運(yùn)行環(huán)境空氣參數(shù)要求對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗以及IT 設(shè)備的可靠性具有顯著的影響。ASHRAE 在2001年專門成立了關(guān)于數(shù)據(jù)中心的技術(shù)委員會(huì)9.9（簡(jiǎn)稱ASHREA TC 9.9），該技術(shù)委員會(huì)是由數(shù)據(jù)中心設(shè)備生產(chǎn)商、數(shù)據(jù)處理設(shè)備終端用戶的業(yè)主與管理人員、政府機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)咨詢機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試專家等組成專業(yè)的研究團(tuán)隊(duì)。為了使行業(yè)內(nèi)更好地理解IT 設(shè)備冷卻環(huán)境要求對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響，ASHRAE TC 9.9在2004年出版了第一版的《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南》[8]，其中對(duì)于1 級(jí)與2 級(jí)IT 設(shè)備進(jìn)氣條件推薦的溫度范圍是20℃～25℃，相對(duì)濕度范圍是40%～55%的相對(duì)濕度。為了指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商維持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)環(huán)境的高可靠性，并以最節(jié)能的方式運(yùn)行數(shù)據(jù)中心，ASHRAE TC 9.9 在2008、2011 和2015年繼續(xù)更新了這個(gè)指南[9-11]，持續(xù)擴(kuò)大了數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的環(huán)境空氣推薦范圍，如表1 所示，從而使越來越多的地區(qū)能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)充分利用自然冷源對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行散熱。

表1 為ASHRAE 四個(gè)版本中數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)的推薦值。將服務(wù)器運(yùn)行的環(huán)境溫度（進(jìn)風(fēng)溫度）從20～25℃放寬到18～27℃。在2015年的更新版本中，推薦值的露點(diǎn)溫度繼續(xù)降低，露點(diǎn)溫度的下限達(dá)到了-9℃，這更是前所未有的。

表1 ASHRAE TC 9.9 數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)推薦值Table 1 Recommended values of data center environmental parameters in ASHRAE TC 9.9

除了推薦值，ASHRAE 在2015年的更新版本中，繼續(xù)對(duì)環(huán)境參數(shù)的追加值進(jìn)行了更加細(xì)致的修訂，如表2 所示。

表2 ASHRAE TC 9.9-2015 數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)追加[11]Table 2 Equipment Environment Specifications for Air Cooling in ASHRAE TC 9.9-2015

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)范圍也隨之進(jìn)行了變更。同時(shí)明確規(guī)定主機(jī)房的溫濕度是冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域的干球溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度。新國(guó)標(biāo)中推薦的冷通道或者機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度是一個(gè)范圍值而不是一個(gè)定值。其中機(jī)柜的最高進(jìn)風(fēng)溫度要求小于27℃，機(jī)柜的最低進(jìn)風(fēng)溫度要求大于18℃，露點(diǎn)溫度范圍5.5～15℃。當(dāng)IT 設(shè)備對(duì)環(huán)境溫濕度可以放寬要求時(shí)，冷通道或者機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)溫度可以擴(kuò)大到15～32℃，其中露點(diǎn)溫度要求不能高于17℃。

圖1 ASHRAE TC 9.9-2015 數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)追加焓濕圖[6]Fig.1 2015 recommended and allowable envelopes for ASHRAE Classes A1,A2,A3,and A4

表3 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境參數(shù)范圍[12-14]Table 3 Equipment Environment Specifications for Air Cooling in domestic standards

2 中國(guó)自然冷卻范圍

隨著數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)范圍的不斷放寬，再加上數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的巨大壓力。因此在數(shù)據(jù)中心排熱過程中充分利用自然冷卻技術(shù)，越來越成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

使用綠色網(wǎng)格組織（The Green Grid）發(fā)布的“China Free Cooling Tool”，在基于ASHRAE 2015推薦的數(shù)據(jù)中心溫度和濕度范圍內(nèi)制作了中國(guó)自然冷卻地圖。在更大的允許范圍內(nèi)，更新的自然冷卻地圖顯示自然冷卻技術(shù)的擴(kuò)展?jié)摿Γ怨膭?lì)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用這些自然冷卻節(jié)能技術(shù)。

如圖2 所示，為基于ASHRAE TC 9.9-2015 推薦值的數(shù)據(jù)中心溫度和濕度范圍做出的中國(guó)自然冷卻地圖。地圖中顯示了基于干球溫度≤27℃，露點(diǎn)溫度≤15℃的全國(guó)統(tǒng)計(jì)小時(shí)數(shù)。圖中可見，在中國(guó)西北絕大部分地區(qū)全年利用自然冷卻的小時(shí)數(shù)均高于8000 小時(shí)。甚至有些地區(qū)全年都可以應(yīng)用自然冷卻。這些地區(qū)建設(shè)數(shù)據(jù)中心，可以為排熱系統(tǒng)提供極為便利的自然冷卻環(huán)境條件。

圖2 中國(guó)自然冷卻地圖（推薦值：干球溫度≤27℃，露點(diǎn)溫度≤15℃）Fig.2 Natural cooling map of China(recommended value:dry bulb temperature≤27℃,dew point temperature≤15℃)

如圖3 所示，為基于ASHRAE TC 9.9-2015 A2等級(jí)的數(shù)據(jù)中心溫度和濕度范圍繪制的中國(guó)自然冷卻地圖。地圖中顯示了基于干球溫度≤35℃，露點(diǎn)溫度≤21℃的全國(guó)統(tǒng)計(jì)小時(shí)數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)進(jìn)一步放大到A2 等級(jí)，全國(guó)可利用自然冷卻的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。全年利用自然冷卻的小時(shí)數(shù)8000 小時(shí)分界線已經(jīng)到河北、山西、陜西、四川、云南等地。也就是說如果在A2 等級(jí)環(huán)境要求下，這些區(qū)域也可以在全年絕大部分時(shí)間利用自然冷卻，即可完全保證數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱環(huán)境。

圖3 中國(guó)自然冷卻地圖（A2 等級(jí)：干球溫度≤35℃，露點(diǎn)溫度≤21℃）Fig.3 Natural cooling map of China(recommended value:dry bulb temperature≤35℃,dew point temperature≤21℃)

如圖4 所示，為基于ASHRAE TC 9.9-2015 A3等級(jí)的數(shù)據(jù)中心溫度和濕度范圍做出的中國(guó)自然冷卻地圖。地圖中顯示了基于干球溫度≤40℃，露點(diǎn)溫度≤24℃的全國(guó)統(tǒng)計(jì)小時(shí)數(shù)。如果數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)進(jìn)一步放大到A3 等級(jí)，全國(guó)大部分地區(qū)全年利用自然冷卻的小時(shí)數(shù)都超過了8000 小時(shí)。中國(guó)南方的絕大部分地區(qū)全年利用自然冷卻的小時(shí)數(shù)也都超過了6000 小時(shí)以上。

圖4 中國(guó)自然冷卻地圖（A3 等級(jí)：干球溫度≤40℃，露點(diǎn)溫度≤24℃）Fig.4 Natural cooling map of China(recommended value:dry bulb temperature≤40℃,dew point temperature≤24℃)

從圖2-圖4 的中國(guó)自然冷卻地圖中可以非常直觀地看到，逐步提高的數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境可允許參數(shù)，為數(shù)據(jù)中心自然冷卻的利用提供了極為優(yōu)越的自然冷卻條件。

3 間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)

3.1 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻

由于中國(guó)西北大部分地區(qū)的空氣質(zhì)量往往不盡如意。因此在這些地方數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，向數(shù)據(jù)中心內(nèi)直接引入室外新風(fēng)的方案風(fēng)險(xiǎn)很大，并不被人們所接受。因此為了降低數(shù)據(jù)中心的能耗同時(shí)更大限度的利用自然冷源。間接蒸發(fā)自然冷卻技術(shù)成為首要選擇。如圖5 所示，為典型的數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)示意圖。該間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)在全年工作過程中，有三種工作模式，分別為干模式（冷卻器空氣/空氣換熱）、濕模式（風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻）、耦合模式（風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻+機(jī)械制冷）。根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)全年的動(dòng)態(tài)變化，三種工作模式依次動(dòng)態(tài)切換，為數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境提供保障。

圖5 數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)Fig.5 Data center air side indirect evaporative natural cooling system

表4 間接蒸發(fā)冷卻器換熱效率對(duì)比[15]Table 4 Comparison of heat transfer efficiency of indirect evaporative cooler

通過總結(jié)參考文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，不同間接蒸發(fā)冷卻器的換熱效率有著較大的差別，如表4 所示。數(shù)據(jù)中心空調(diào)的冷卻器，不僅僅要考慮夏季濕工況運(yùn)行模式下的換熱效率，還要考慮冬季和過渡季節(jié)干工況運(yùn)行模式時(shí)空氣/空氣之間的換熱效率?？紤]換熱效率以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，板翅式和管式換熱器形式在數(shù)據(jù)中心空調(diào)中的應(yīng)用更為普遍。

表5 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)模式切換Table 5 Mode switching of air side indirect evaporative natural cooling air conditioning system

在送風(fēng)25℃的條件下，確定風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)模式切換參數(shù)點(diǎn)。當(dāng)室外環(huán)境干球溫度低于21℃時(shí)，為風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的干運(yùn)行模式，如圖5（a）所示。此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)通過冷卻器空氣/空氣換熱，為數(shù)據(jù)中心排熱。當(dāng)室外環(huán)境溫度升高干球溫度高于21℃時(shí)，只是靠空氣/空氣換熱已經(jīng)無法保證數(shù)據(jù)中心的有效排熱，此時(shí)對(duì)換熱器的室外側(cè)進(jìn)行噴淋水，空調(diào)系統(tǒng)切換到濕運(yùn)行模式即間接蒸發(fā)冷卻運(yùn)行模式，如圖5（b）所示。當(dāng)室外環(huán)境溫度繼續(xù)升高，環(huán)境濕球溫度高于21℃時(shí)，此時(shí)通過間接蒸發(fā)冷卻換熱也仍然無法進(jìn)行有效排熱的時(shí)候，開啟機(jī)械制冷，運(yùn)行間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷耦合運(yùn)行模式，如圖5（c）所示。冷卻器的出風(fēng)經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)一步降低后再送入數(shù)據(jù)中心內(nèi)。同時(shí)冷卻器的排風(fēng)經(jīng)過冷凝器帶走冷凝熱，提高機(jī)械冷源的能效。表5 為風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行模式的切換點(diǎn)。

3.2 水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻

風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)中需要通過送風(fēng)管道將制取的冷風(fēng)送入數(shù)據(jù)中心的冷通道內(nèi)。因此系統(tǒng)的送風(fēng)管道不宜過長(zhǎng)，也不宜有過多的彎頭和拐點(diǎn)。因此風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)往往適用于倉(cāng)儲(chǔ)式、大平層式數(shù)據(jù)中心。而實(shí)際過程中數(shù)據(jù)中心的建筑形式是多種多樣的，同時(shí)由于風(fēng)的載冷量遠(yuǎn)小于水。因此水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境控制的另一種選擇。

如圖6 所示，為數(shù)據(jù)中心水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)示意圖。水側(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備是間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組[16-18]。當(dāng)室外環(huán)境干球溫度低于3℃時(shí)，為風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的干運(yùn)行模式，如圖6（a）所示。此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)通過表冷器內(nèi)的防凍冷卻介質(zhì)（例如乙二醇）與室外溫度較低的空氣換熱，為數(shù)據(jù)中心排熱。當(dāng)室外環(huán)境溫度升高，干球溫度高于3℃時(shí)，只是靠空氣/防凍冷卻介質(zhì)換熱已經(jīng)無法保證數(shù)據(jù)中心的有效排熱，此時(shí)間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組開始工作，空調(diào)系統(tǒng)切換到濕運(yùn)行模式即間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)出冷水運(yùn)行模式，利用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的冷水通過板式換熱器為數(shù)據(jù)中心排熱，如圖6（b）所示。當(dāng)室外環(huán)境溫度繼續(xù)升高，環(huán)境濕球溫度高于18℃時(shí)，此時(shí)通過間接蒸發(fā)冷卻模式也仍然無法進(jìn)行有效排熱的時(shí)候，開啟機(jī)械制冷冷水機(jī)組，運(yùn)行間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷耦合運(yùn)行模式，如圖6（c）所示。機(jī)械制冷冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷水直接提供給數(shù)據(jù)中心的空調(diào)末端，而間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組用以排出機(jī)械制冷冷水機(jī)組的熱量。間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的冷水溫度要低于普通冷卻塔的出水溫度，從而提高整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能效。表6 為水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行模式的切換點(diǎn)。

圖6 數(shù)據(jù)中心水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)Fig.6 Data center water side indirect evaporative natural cooling system

表6 水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻模式切換Table 6 Mode switching of water side indirect evaporative natural cooling air conditioning system

4 自然冷卻應(yīng)用潛力分析

使用《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[19]內(nèi)的全國(guó)各城市的逐時(shí)氣象參數(shù)資料，來分析全國(guó)數(shù)據(jù)中心利用自然冷卻的潛力。以陜西省西安市為例，西安市的環(huán)境空氣干球溫度、濕球溫度、露點(diǎn)溫度的全年分部情況如圖7 所示。西安市干球溫度最高在37℃～38℃之間，全年僅5 個(gè)小時(shí)。西安市干球溫度最低在-7℃～-6℃之間，全年一共18個(gè)小時(shí)。而處于18℃～19℃區(qū)間小時(shí)數(shù)最多，全年達(dá)到324 小時(shí)。西安市濕球溫度最高在27℃～28℃之間，全年僅4 個(gè)小時(shí)。西安市濕球溫度最低在-8℃～-9℃之間，全年一共12 個(gè)小時(shí)。濕球溫度處于16℃～17℃之間小時(shí)數(shù)最多，全年一共423個(gè)小時(shí)。露點(diǎn)溫度方面，西安市全年一共有1929個(gè)小時(shí)，露點(diǎn)溫度高于17℃。此時(shí)需考慮對(duì)空氣進(jìn)行除濕處理。

圖7 環(huán)境空氣干球溫度、濕球溫度、露點(diǎn)溫度全年分布Fig.7 Ambient air dry bulb temperature,wet bulb temperature,dew point temperature distribution throughout the year

按照表5 提出的風(fēng)側(cè)空調(diào)系統(tǒng)模式切換點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)在西安地區(qū)的全面運(yùn)行時(shí)間分布，如圖8 所示。風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)，全年有6077 個(gè)小時(shí)處于干模式，占全年小時(shí)數(shù)的69.37%；全年有1577 個(gè)小時(shí)處于濕模式，占全年小時(shí)數(shù)的18.00%；全年有1106 個(gè)小時(shí)處于蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷的耦合模式，占全年小時(shí)數(shù)的12.63%。風(fēng)側(cè)系統(tǒng)全年一共有87.37%的時(shí)間處于低能耗的運(yùn)行模式。

圖8 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間Fig.8 Annual operating hours of the air side indirect evaporative natural cooling system

按照表6 提出的系統(tǒng)模式切換點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)在西安地區(qū)的全面運(yùn)行時(shí)間分布如圖9 所示。水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)，全年有1777 個(gè)小時(shí)處于干模式，占全年小時(shí)數(shù)的20.29%；全年有4707 個(gè)小時(shí)處于間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)出冷水的濕模式，占全年小時(shí)數(shù)的53.73%；全年有2276 個(gè)小時(shí)處于間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組與機(jī)械制冷冷水機(jī)組聯(lián)合工作的耦合模式，占全年小時(shí)數(shù)的25.98%。由此可見，如果使用水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)，濕模式下水側(cè)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)超過風(fēng)側(cè)系統(tǒng)濕模式運(yùn)行時(shí)間。水側(cè)系統(tǒng)全年一共有74.02%的時(shí)間處于低能耗的運(yùn)行模式。

圖9 水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間Fig.9 Annual operating hours of the water side indirect evaporative natural cooling system

4.1 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻應(yīng)用潛力

選擇全國(guó)31 個(gè)主要的中心城市，分別統(tǒng)計(jì)風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間，如圖10所示。全國(guó)31 個(gè)中心城市中，風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)，拉薩市的風(fēng)側(cè)系統(tǒng)干工況模式運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)為8365 個(gè)小時(shí)。風(fēng)側(cè)系統(tǒng)干工況模式運(yùn)行時(shí)間最短的是?？谑校陜H為2317 個(gè)小時(shí)。濕工況模式運(yùn)行最長(zhǎng)的城市是南寧市，全年有3037 個(gè)小時(shí)間接蒸發(fā)冷卻模式工作。濕工況模式運(yùn)行最短的城市是拉薩市，全年僅136 個(gè)小時(shí)間接蒸發(fā)冷卻模式工作。風(fēng)側(cè)系統(tǒng)，間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合工作的耦合模式運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的城市是海口市，全年中必須有5475 小時(shí)開啟機(jī)械制冷系統(tǒng)。值得一提的是，烏魯木齊市和蘭州市全年系統(tǒng)開啟機(jī)械制冷的時(shí)間僅為6 個(gè)小時(shí)和2 個(gè)小時(shí)，西寧市、拉薩市和昆明市中，全年甚至不需要開啟機(jī)械冷源。在這些地區(qū)，使用風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)，即可以充分保障數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境。

圖10 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間Fig.10 Annual operating hours of the air side indirect evaporative natural cooling system

4.2 水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻應(yīng)用潛力

選擇全國(guó)主要的31 個(gè)中心城市，分別統(tǒng)計(jì)水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11 所示。全國(guó)31 個(gè)中心城市中，水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)，哈爾濱市的水側(cè)系統(tǒng)干工況模式運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)為3983 個(gè)小時(shí)。有多個(gè)城市水側(cè)系統(tǒng)干工況模式運(yùn)行時(shí)間較短，其中重慶市全年僅運(yùn)行5 個(gè)小時(shí)。甚至福州、南寧、廣州、?？谌曛凶畹偷母汕驕囟染哂?℃，即全年都無需開啟干模式運(yùn)行。濕工況模式即間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)出冷水模式全年運(yùn)行最長(zhǎng)的城市是昆明市，全年有7922 個(gè)小時(shí)。濕工況模式運(yùn)行最短的城市是?？谑校陜H1703 個(gè)小時(shí)為間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)出冷水模式工作。水側(cè)系統(tǒng)，間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)出冷水與機(jī)械制冷冷水機(jī)組聯(lián)合工作的耦合模式運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的城市是?？谑?，全年中必須有7057 小時(shí)開啟機(jī)械冷源系統(tǒng)。值得一提的是，西寧市和烏魯木齊市全年系統(tǒng)開啟機(jī)械制冷的時(shí)間僅為22 個(gè)小時(shí)和43 個(gè)小時(shí)，拉薩市，全年水側(cè)系統(tǒng)甚至不需要開啟機(jī)械冷源。在這些地區(qū)，使用水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)，也可以充分保障數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境。

圖11 水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間Fig.11 Annual operating hours of the water side indirect evaporative natural cooling system

通過分析這些主要城市的系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間發(fā)現(xiàn)，水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)更適合用在中國(guó)北方地區(qū)。即水側(cè)系統(tǒng)空氣/防凍冷卻介質(zhì)的換熱模式，可以很好地解決冬季水側(cè)系統(tǒng)結(jié)冰無法使用的難題。而間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組可以產(chǎn)出低于環(huán)境空氣濕球溫度的冷水，相比于冷卻塔，大大擴(kuò)展了蒸發(fā)冷卻冷水設(shè)備的應(yīng)用范圍和時(shí)間。

5 結(jié)論

（1）首先針對(duì)使用“China Free Cooling Tool”工具制作的基于ASHRAE 最新標(biāo)準(zhǔn)的推薦值、A2等級(jí)、A3 等級(jí)參數(shù)范圍的中國(guó)自然冷卻地圖進(jìn)行分析，直觀地表明隨著數(shù)據(jù)中心送風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)要求的放寬，數(shù)據(jù)中心可應(yīng)用自然冷卻的范圍在逐步擴(kuò)大。

（2）分別對(duì)風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)和水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)模式切換、運(yùn)行邏輯以及切換環(huán)境參數(shù)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行了分析。

（3）在給定的切換環(huán)境參數(shù)狀態(tài)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)全國(guó)31 個(gè)主要城市的系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間分布。結(jié)果表明，在西寧、拉薩、昆明等城市，風(fēng)側(cè)系統(tǒng)全年不需要開啟機(jī)械制冷冷源，即可以滿足運(yùn)行要求。在西寧、拉薩、烏魯木齊等城市，水側(cè)系統(tǒng)全年不需要開啟機(jī)械制冷冷源，即可以滿足運(yùn)行要求。通過分析指出，隨著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于數(shù)據(jù)中心的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的逐步放寬，風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)和水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)在中國(guó)數(shù)據(jù)中心中具有較大的適用性。