間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用及分析

陳 璐，王晨平，王克勇，潘 俊，徐文冰

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

近年來，“碳達(dá)峰 碳中和”概念逐漸深入人心?！半p碳”戰(zhàn)略下，數(shù)據(jù)中心行業(yè)作為終端能源消費(fèi)大戶，受到全社會的廣泛關(guān)注。中華人民共和國工業(yè)和信息化部、地方政府也紛紛出臺數(shù)據(jù)中心建設(shè)指導(dǎo)意見，旨在降低數(shù)據(jù)中心電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指標(biāo)，引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展[1]。

間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組（Air Handing Unit，AHU）能夠充分利用室外自然冷源，有效降低數(shù)據(jù)中心PUE能耗指標(biāo)，節(jié)能效果顯著，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。同時，存在一定的應(yīng)用局限性，由于間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組自身設(shè)備尺寸較大，會占用一定的機(jī)房面積，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心整體出架率偏低。針對這一難題，本文提出了空調(diào)系統(tǒng)新型架構(gòu)模式，即冷凍水系統(tǒng)與間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組頂層應(yīng)用相結(jié)合。此架構(gòu)系統(tǒng)，既能利用間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組節(jié)能優(yōu)勢，有效降低數(shù)據(jù)中心能耗，又能保證數(shù)據(jù)中心機(jī)柜整體出架率。同時，在此架構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對屋面氣流組織進(jìn)行分析，為數(shù)據(jù)中心實際場景應(yīng)用提供指導(dǎo)方向。

1 間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的應(yīng)用優(yōu)勢與局限

1.1 間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組工作原理

AHU是利用換熱芯體（空-空換熱器）將室內(nèi)服務(wù)器散出的熱量傳遞給室外空氣。且室內(nèi)外空氣不直接接觸、采用間接接觸的形式[2]。

同時，AHU機(jī)組在室外側(cè)利用水蒸發(fā)吸熱的原理，對室外空氣進(jìn)行噴水（霧），進(jìn)一步降低室外空氣的溫度（低于室外環(huán)境溫度），從而延長室外自然冷源的利用時長，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[3]。

1.2 間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的應(yīng)用優(yōu)勢與局限

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)簡單，運(yùn)行維護(hù)方便。與傳統(tǒng)水冷冷凍水系統(tǒng)相比，間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組簡化了空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)，將冷源設(shè)備、輸配設(shè)備、末端設(shè)備、自控系統(tǒng)集成于一體，便于后期維護(hù)[4]。

（2）部署靈活，縮短建設(shè)周期。間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組以機(jī)房為單位進(jìn)行模塊化建設(shè)，可根據(jù)業(yè)主需求分期啟用。且其產(chǎn)品高度集成、能在工廠預(yù)制完成，現(xiàn)場安裝工作量少，能有效縮短建設(shè)周期，有利于數(shù)據(jù)機(jī)房的快速交付[5]。

（3）節(jié)水節(jié)電、降低運(yùn)營成本。間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組能夠充分利用室外自然冷源，減少壓縮機(jī)開啟時間，節(jié)電效果顯著。其系統(tǒng)運(yùn)行模式分為干模式、濕模式、混合模式。干模式和濕模式工況下，壓縮機(jī)不開啟。混合模式下，壓縮機(jī)部分開啟。同時，間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組干模式運(yùn)行時無需噴水，蒸發(fā)冷卻時耗水量低于水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，全年耗水量低于水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)[6]。

間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用也具有一定的局限性。由于間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組自身占地面積大于傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)，對多層數(shù)據(jù)中心機(jī)柜產(chǎn)出率有一定的影響。相同建筑面積下，對比冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，采用間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組機(jī)架數(shù)減少約15%。

2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)架構(gòu)新模式及氣流組織分析

2.1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)架構(gòu)新模式

如何保證數(shù)據(jù)中心高出架率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，降低數(shù)據(jù)中心的整體PUE值，成為一大難題。針對此點，本文提出了1種空調(diào)系統(tǒng)新型架構(gòu)模式，即冷凍水系統(tǒng)與間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組頂層應(yīng)用相結(jié)合。一方面，應(yīng)用一部分間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組，有效降低數(shù)據(jù)中心能耗；另一方面，將該設(shè)備放置于屋面，避免占用室內(nèi)機(jī)房面積，保證數(shù)據(jù)中心一定的出架率。空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)模式如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)機(jī)房剖面示意

2.2 屋面氣流組織分析

在相同的建筑占地面積下，采用空調(diào)新架構(gòu)模式，會導(dǎo)致屋面空調(diào)設(shè)備增多。有限的屋頂面積下，如何采取有效的措施，保證冷卻塔和AHU機(jī)組的散熱效果，成為空調(diào)新架構(gòu)模式下需要重點關(guān)注的問題。

本文提出2點技術(shù)措施，以優(yōu)化屋面冷卻塔和AHU機(jī)組的氣流組織。并通過模擬仿真，分析屋面設(shè)備運(yùn)行效果。優(yōu)化措施：一是AHU機(jī)組防雨棚排風(fēng)口加高并遮擋一半，提高排風(fēng)口流速和動壓；二是冷卻塔和AHU機(jī)組之間增加隔板，避免AHU排風(fēng)被冷卻塔直接吸入。

2.2.1 AHU機(jī)組防雨棚排風(fēng)口加高并遮擋一半

根據(jù)對冷卻塔最惡劣風(fēng)向進(jìn)行仿真模擬，如圖2所示。最不利風(fēng)向工況下，仿真結(jié)果如下：夏季最高溫時，AHU機(jī)組全部熱備份運(yùn)行，冷卻塔進(jìn)風(fēng)會吸入少量AHU機(jī)組排風(fēng)，最大溫升1.6 ℃；冷卻塔排風(fēng)對AHU機(jī)組新風(fēng)無影響。

圖2 冷卻塔室外溫度流線分布和 AHU機(jī)組室外溫度流線分布

2.2.2 冷卻塔和AHU機(jī)組之間增加隔板

根據(jù)對冷卻塔最惡劣風(fēng)向進(jìn)行仿真模擬，如圖3所示。最不利風(fēng)向工況下，仿真結(jié)果如下：夏季最高溫時，AHU機(jī)組全部熱備份運(yùn)行，冷卻塔進(jìn)風(fēng)會吸入少量AHU機(jī)組排風(fēng)，最大溫升1.4 ℃；冷卻塔排風(fēng)對AHU機(jī)組新風(fēng)無影響。

根據(jù)模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，采用空調(diào)新架構(gòu)模式，在有限的屋頂面積下，采取以上2種優(yōu)化措施，能夠有效優(yōu)化屋面氣流組織。夏季最高溫時，AHU機(jī)組全部熱備份運(yùn)行，冷卻塔進(jìn)風(fēng)會吸入少量AHU機(jī)組排風(fēng)，最大溫升1.6 ℃，在冷卻塔可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)前間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組既有應(yīng)用優(yōu)勢也存在局限性。AHU機(jī)組具有系統(tǒng)架構(gòu)簡單、部署靈活、建設(shè)周期短、節(jié)水節(jié)電等優(yōu)勢；但由于間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組自身占地面積大于傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)，對多層數(shù)據(jù)中心機(jī)柜產(chǎn)出率有一定的影響。相同建筑面積下，對比冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，采用間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組機(jī)架數(shù)減少約15%。

（2）針對AHU機(jī)組應(yīng)用局限性，本文提出了空調(diào)系統(tǒng)新型架構(gòu)模式，即冷凍水系統(tǒng)與間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組頂層應(yīng)用相結(jié)合。一方面，應(yīng)用一部分間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組，有效降低數(shù)據(jù)中心能耗；另一方面，將該設(shè)備放置于屋面，避免占用室內(nèi)機(jī)房面積，保證數(shù)據(jù)中心一定的出架率。

（3）在空調(diào)新架構(gòu)模式下，本文提出2點技術(shù)措施，以優(yōu)化屋面冷卻塔和AHU機(jī)組的氣流組織。優(yōu)化措施：一是AHU機(jī)組防雨棚排風(fēng)口加高并遮擋一半，提高排風(fēng)口流速和動壓；二是冷卻塔和AHU機(jī)組之間增加隔板，避免AHU排風(fēng)被冷卻塔直接吸入。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，采取以上2種優(yōu)化措施，夏季最高溫時，AHU機(jī)組全部熱備份運(yùn)行，冷卻塔進(jìn)風(fēng)會吸入少量AHU機(jī)組排風(fēng)，最大溫升1.6 ℃，在冷卻塔可接受范圍內(nèi)。