數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)制冷技術(shù)應(yīng)用探討

韓曉雷，孫 楊，潘洪濤

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán) 河北有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 河北分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

2021年3月15日，習(xí)近平總書(shū)記主持召開(kāi)中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議時(shí)強(qiáng)調(diào)要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)。因此，本論文重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)中心新型制冷技術(shù)，充分結(jié)合氣候環(huán)境、機(jī)房環(huán)境、負(fù)載等因素，因地制宜打造節(jié)能的綠色數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心低碳建網(wǎng)、低碳運(yùn)行、低碳運(yùn)維。

1 數(shù)據(jù)中心PUE構(gòu)成

電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源的比值。PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗，PUE值越接近1表明非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越高[1]。

數(shù)據(jù)中心PUE值主要由空調(diào)冷源PUE因子、空調(diào)末端PUE因子、電源PUE因子以及其他PUE因子構(gòu)成，各PUE影響因素如表1所示。

表1 PUE因子關(guān)鍵因素統(tǒng)計(jì)表

不同地區(qū)數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)調(diào)研詳見(jiàn)表2。

表2 各地?cái)?shù)據(jù)中心PUE調(diào)研表

通過(guò)計(jì)算各個(gè)因素對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE影響占比，得出PUE因子影響比例圖及排列圖，詳見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)中心PUE因子占比

其中空調(diào)冷源PUE因子在數(shù)據(jù)中心PUE（不含通信設(shè)備）的總占比為51%，是影響數(shù)據(jù)中心能耗的主要因素。因此，降低空調(diào)冷源的PUE因子可以有效降低數(shù)據(jù)中心能耗，打造節(jié)能的綠色數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心 “低碳”運(yùn)行。

2 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)介紹

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)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。間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)能從自然環(huán)境中獲取冷量，與一般常規(guī)機(jī)械制冷相比，在炎熱干燥地區(qū)可節(jié)能80%～90%，在炎熱潮濕地區(qū)可節(jié)能20%～25%，在中等濕度地區(qū)可節(jié)能40%，從而大大降低空調(diào)制冷能耗[2]。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)（Air Handle Unit，AHU）是利用間接蒸發(fā)冷卻器，使二次空氣與水直接接觸，通過(guò)熱濕交換降低二次空氣干球溫度，一次空氣通過(guò)間接蒸發(fā)冷卻器被二次空氣冷卻的設(shè)備。

3 空調(diào)冷源節(jié)能分析

節(jié)能演進(jìn)路徑主要從減少冷量輸送設(shè)備開(kāi)啟時(shí)間、提高冷量輸送設(shè)備自身能效兩個(gè)方面進(jìn)行不斷優(yōu)化，從而使得熱量從數(shù)據(jù)中心內(nèi)轉(zhuǎn)移至室外大氣環(huán)境過(guò)程中降低空調(diào)整體冷量輸送能耗，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

影響空調(diào)冷源的兩大方面主要為制冷設(shè)備和自然環(huán)境，具體分析如下。

3.1 簡(jiǎn)化設(shè)備及能量轉(zhuǎn)換，提高制冷效率

制冷效率主要由制冷系統(tǒng)的核心部件及熱量轉(zhuǎn)換方式?jīng)Q定。為計(jì)算出不同制冷設(shè)備的制冷效率，選取各個(gè)制冷系統(tǒng)核心部件及熱量轉(zhuǎn)換過(guò)程及次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比。

集中冷凍水空調(diào)主要核心部件包括：冷水機(jī)組、板式換熱器、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、蓄冷罐以及冷凍水末端空調(diào)7個(gè)主要部件。熱量轉(zhuǎn)換過(guò)程包括：室外空氣與冷卻水、冷卻水與冷媒、冷媒與凍水、冷凍水與室內(nèi)空氣4次轉(zhuǎn)換過(guò)程[3]。

間接蒸發(fā)冷空調(diào)主要核心部件包括：蒸發(fā)式冷凝器機(jī)組、風(fēng)管兩個(gè)主要部件。熱量轉(zhuǎn)換過(guò)程包括：室內(nèi)空氣與室外空氣一次轉(zhuǎn)換過(guò)程。間接蒸發(fā)冷制冷方案與冷凍水方案對(duì)比如圖2所示。

圖2 間接蒸發(fā)冷制冷方案與冷凍水方案對(duì)比

間接蒸發(fā)冷空調(diào)比集中冷凍水空調(diào)減少了5個(gè)核心部件，熱量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)由4次減少至1次，降低75%。通過(guò)簡(jiǎn)化制冷設(shè)備，減少換熱交換次數(shù)，可以有效提高制冷效率，降低機(jī)房制冷PUE因子。

3.2 選取寒冷地或嚴(yán)寒地區(qū)充分利用自然冷源

自然冷源技術(shù)是當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度且溫差超過(guò)設(shè)定上限時(shí)，通過(guò)技術(shù)手段將室外自然冷源引入機(jī)房，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)房降溫。數(shù)據(jù)中心通過(guò)充分利用自然冷源制冷，可以有效減低空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間，減少空調(diào)能耗。

不同地區(qū)自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表3。

表3 不同城市自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以看出，嚴(yán)寒地區(qū)自然冷源自然利用時(shí)長(zhǎng)高達(dá)80%左右，寒冷地區(qū)自然冷源利用時(shí)長(zhǎng)約65%。因此，選取寒冷地區(qū)或嚴(yán)寒地區(qū)建設(shè)數(shù)據(jù)中心，延長(zhǎng)自然冷源使用時(shí)間，可以有效提高制冷效率，降低機(jī)房制冷PUE因子。

4 實(shí)施策略分析

4.1 確定設(shè)備選型提高空調(diào)能效

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組與傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)相比，可以將核心部件減少71%，熱量轉(zhuǎn)換降低75%。因此，間接蒸發(fā)冷空調(diào)可以有效降低傳熱損耗，增加自然冷卻時(shí)長(zhǎng)。設(shè)備簡(jiǎn)化后有效減少了系統(tǒng)復(fù)雜度，大大降低了運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)及成本。同時(shí)，具有分期便捷部署的優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)周期縮短，利于業(yè)務(wù)快速實(shí)施。因此采用間接蒸發(fā)冷技術(shù)設(shè)備提高空調(diào)能效，降低機(jī)房PUE。

4.2 充分利用自然冷源確定數(shù)據(jù)中心選址

嚴(yán)寒地區(qū)溫度指標(biāo)可很大程度上減少電制冷工況的運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)計(jì)算，AHU空調(diào)設(shè)備需要啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷的時(shí)間全年不到800 h，從而極大地降低了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的耗電量。

通過(guò)以上實(shí)施策略，測(cè)算機(jī)房空調(diào)冷源PUE因子下降約0.06，PUE節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心低碳運(yùn)行。

5 效益分析

以某數(shù)據(jù)中心為例，機(jī)房安裝8000個(gè)機(jī)架，單機(jī)架功耗7 kW。結(jié)合數(shù)據(jù)中心選址要求并應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，每年節(jié)約電費(fèi)約2943萬(wàn)kW·h，按電價(jià)為0.6元/（kW·h）計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)成本1766萬(wàn)元。

6 結(jié) 論

通過(guò)應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)及充分利用自然冷源確定數(shù)據(jù)中心選址，可有效降低機(jī)房PUE，提高制冷效率，對(duì)支撐數(shù)據(jù)中心新型制冷技術(shù)建設(shè)，打造節(jié)能的綠色數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)低碳建網(wǎng)、低碳運(yùn)行、低碳運(yùn)維具有重要意義。