間接蒸發(fā)冷卻技術在北京地區(qū)數據中心的應用分析

顏曉光

（北京首鋼國際工程技術有限公司 北京 100041）

0 引言

根據我國數據中心技術節(jié)能潛力的分析：IT設備系統(tǒng)的綜合技術節(jié)能潛力在11%～39%，平均為29%；空調系統(tǒng)的節(jié)能潛力在4%～69%，平均為36%；配電系統(tǒng)的綜合節(jié)能潛力在8%～27%，平均為18%[1]，由此可見，數據中心空調節(jié)能減排潛力巨大。近年來，隨著“雙碳”目標的提出，綠色低碳已成為各界共識，在此大背景下，間接蒸發(fā)冷卻空調技術以其高節(jié)能率和高適用性，逐漸成為綠色數據中心主流的冷卻方式之一[2]。

常規(guī)自然冷卻主要受室外干球溫度影響，而間接蒸發(fā)冷卻由于帶有水噴霧蒸發(fā)冷卻，機組的運行主要取決于室外濕球溫度，通常室外空氣的濕球溫度遠低于干球溫度，因此，該技術很大程度上擴展了利用自然冷卻的時域[3]。在不同室外氣象參數條件下，間接蒸發(fā)冷卻空調主要耗能部件風機、水泵以及壓縮機開啟情況不同，分析其在不同運行模式下的能耗，配置合理的設備并設置合理的切換溫度是設計間接蒸發(fā)冷卻空調的重點及難點。

本文根據北京地區(qū)的氣象特征，分析了北京地區(qū)數據中心采用間接蒸發(fā)冷卻空調對應不同切換溫度、不同模式的年運行時長及能耗，并以某數據中心為例分析了采用間接蒸發(fā)冷卻空調和傳統(tǒng)空調的初投資及運行費用情況，為間接蒸發(fā)冷卻空調在數據中心應用提供參考。

1 間接蒸發(fā)冷卻空調適用性分析

數據中心間接蒸發(fā)冷卻空調采用風側自然冷卻技術，冷卻時利用空氣/空氣換熱器與室外空氣進行換熱，從而使機房送風溫度達到要求。間接蒸發(fā)冷卻技術分為傳統(tǒng)意義的間接蒸發(fā)冷卻和露點間接蒸發(fā)冷卻。

圖1為傳統(tǒng)意義的間接蒸發(fā)冷卻過程的焓濕圖，間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體干通道側走一次空氣（機房空調的送、回風），從狀態(tài)點E 被等濕冷卻至狀態(tài)點F；二次空氣（室外空氣）流經換熱芯體的濕通道，與噴淋水接觸，發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻，從狀態(tài)點A 增焓降溫至狀態(tài)點D。二次空氣通過換熱器帶走一次空氣的熱量，使一次空氣等濕冷卻。

圖1 傳統(tǒng)間接蒸發(fā)冷卻焓濕圖Fig.1 Enthalpy-humidity diagram of traditional indirect evaporative cooling

圖2為露點間接蒸發(fā)冷卻過程的焓濕圖，室外空氣A 先從二次空氣干通道進入，其中分出一小部分空氣進入二次空氣濕通道，在濕通道內與噴淋水進行蒸發(fā)冷卻，同時通過換熱板的傳熱等濕冷卻二次空氣干通道內剩余的空氣及一次空氣，進入濕通道的空氣由狀態(tài)點A 到達狀態(tài)點A’，再從濕通道出口排出，二次空氣干通道內的空氣由狀態(tài)點A被等濕冷卻至B 狀態(tài)點；被冷卻至狀態(tài)點B 的二次空氣再分出一小部分空氣進入到濕通道，與噴淋水發(fā)生間接蒸發(fā)冷卻，同時通過換熱板的傳熱等濕冷卻二次空氣干通道內剩余的空氣及一次空氣，進入濕通道的空氣由狀態(tài)點B 到達狀態(tài)點B’，未進入濕通道的二次空氣被等濕冷卻至狀態(tài)點C；繼續(xù)重復上述的處理過程，直至所有二次空氣到達狀態(tài)點D，并進入到濕通道側被冷卻至狀態(tài)點D’，最后排至外界，狀態(tài)點D’接近狀態(tài)點A 的露點溫度。一次空氣則是不斷被二次空氣濕通道發(fā)生的熱濕處理冷卻，從狀態(tài)點F 等濕冷卻至狀態(tài)點G，然后送入機房。

圖2 露點間接蒸發(fā)冷卻焓濕圖Fig.2 Dew-point indirect evaporative cooling enthalpy-humidity diagram

間接蒸發(fā)冷卻效率用來描述一次空氣出口干球溫度接近二次空氣入口濕球溫度的程度，其計算式為：

式中，tg1為一次空氣入口干球溫度，℃；tg2為一次空氣出口干球溫度，℃；ts1為二次空氣入口濕球溫度，℃，ηIEC為間接蒸發(fā)冷卻效率。

根據文獻[4]的相關研究，傳統(tǒng)意義的間接蒸發(fā)冷卻機組，當二/一次風量比達到1.5時，間接蒸發(fā)冷卻效率基本達到最高值64.8%，露點間接蒸發(fā)冷卻技術冷卻機組，當二/一次風量比達到1.7時，效率基本達到最高值96.5%。研究結果表明，露點間接蒸發(fā)冷卻機組冷卻效率高于傳統(tǒng)意義的間接蒸發(fā)冷卻機組，冷卻效率可達90%以上，使得一次空氣出風溫度更接近二次空氣的露點溫度。

圖3為當蒸發(fā)冷卻提供冷量來滿足數據中心空調送、回風（一次空氣出、進）溫度要求時，對應不同冷卻效率及一次空氣送出溫度情況下的濕球溫度，結果表明，冷卻效率越高，一次空氣出風溫度越高，對應的濕球溫度越高。當一次空氣溫度為25/38℃時，冷卻效率60%對應的濕球溫度為16.33℃；冷卻效率90%對應的濕球溫度為23.56℃。同等冷卻效率時，隨一次空氣溫度的提高，對應的濕球溫度也提高。

圖3 不同冷卻效率及一次風進出溫度時的二次風濕球溫度Fig.3 The wet bulb temperature of secondary air at different coolingefficiencies and primary air inlet and outlet temperatures

圖4為根據北京全年逐時干球溫度和濕度計算的濕球溫度分布，全年逐時干球溫度和濕度來自DeST 模擬軟件。根據濕球溫度分布，在7-8月份多數時間濕球溫度都大于25℃，最高時可達35℃，因此，單純依靠間接蒸發(fā)冷卻不能提供足夠的冷量，需要設置機械壓縮制冷補充，但通過提高冷卻效率及空調送風溫度能明顯提升間接蒸發(fā)冷卻提供全部冷量時對應的最低濕球溫度，從而縮短機械壓縮制冷的運行時間。當冷卻效率提高至90%，送/回風溫度提高至29/42℃時，對應的最高濕球溫度為27.56℃，北京全年運行不滿足時間僅為239h，占全年的2.73%。因此，提高送回風溫度及間接蒸發(fā)冷卻效率能減少機械壓縮制冷的運行時間，從而節(jié)省全年運行電耗。

圖4 北京地區(qū)全年氣象參數—濕球溫度Fig.4 Annual meteorological parameters in Beijing area—wet bulb temperature

2 運行模式分析

根據上述分析，北京地區(qū)采用間接蒸發(fā)冷卻空調機組應配備機械壓縮制冷補充系統(tǒng)，當外界環(huán)境較高，蒸發(fā)冷卻不能滿足制冷量時，由機械制冷補充，補冷裝置可采用直接膨脹式冷卻或冷凍水+表冷器形式，圖5為帶機械制冷補充裝置（直接膨脹式冷卻）的間接蒸發(fā)冷卻空調機組原理圖。

圖5 間接蒸發(fā)冷卻空調原理圖Fig.5 Schematic diagram of indirect evaporative cooling air conditioner

依據不同的室外氣象參數，間接蒸發(fā)冷卻空調分為干模式、濕模式、混合模式3種運行模式。

（1）干模式：當室外空氣干球溫度足夠低，僅依靠一次空氣與二次空氣熱交換提供的冷量滿足機房所需全部冷量時，采用干模式運行，此時水噴淋系統(tǒng)、補充機械制冷系統(tǒng)不開啟，僅一/二次風機運行，二次（室外）風機的轉速根據室外溫度線性調節(jié)，設備的運行狀態(tài)如表1所示，該工況下系統(tǒng)能耗最低。

（2）濕模式：當干模式不能滿足制冷需求時，需開啟水噴淋系統(tǒng)，依靠蒸發(fā)冷卻提供的冷量補充機房所需要的全部冷量，此時補充機械制冷系統(tǒng)不開啟，開啟一/二次風機及水噴淋系統(tǒng)，二次（室外）風機的轉速根據室外溫度線性調節(jié)，設備的運行狀態(tài)如表1所示。

（3）混合模式：當濕模式不能滿足制冷需求時，開啟機械制冷系統(tǒng)來補充不足的冷量，機組處于混合模式運行，此時水噴淋系統(tǒng)、機械制冷系統(tǒng)、一/二次風機全部開啟，設備的運行狀態(tài)如表1所示，該工況下系統(tǒng)能耗最高。

表1 不同模式下設備運行狀態(tài)Table 1 Device operating status in different modes

三種運行模式間的切換應以最大化利用間接冷卻，減少機械制冷為原則，以期實現空調系統(tǒng)最大化節(jié)能運行。根據圖3，提高間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的換熱效率及提高空調送回風溫度都可以實現，但鑒于目前的技術水平，冷卻效率的提高必將增加設備的體積，往往不符合建設條件；機房采取封閉熱通道后，最高送/回風溫度為29/42℃，如再繼續(xù)提高將引起IT設備故障率增加。

根據北京地區(qū)的氣象條件，夏季空調設計室外濕球溫度為26℃，屬于中等濕度地區(qū)。按目前的技術水平，間接蒸發(fā)冷卻效率一般為60%～80%，干工況時的換熱效率可達50%～60%。表2為不同性能的間接蒸發(fā)冷卻空調對應三種模式的切換溫度及全年運行時長，當空調送/回風溫度為25/38℃時，間接蒸發(fā)冷卻效率由65%提升至75%時，混合模式運行時長減少6.61%，間接蒸發(fā)冷卻效率由75%提升至85%時，混合模式運行時長減少4.15%。當間接蒸發(fā)冷卻效率達到85%，空調送/回風溫度為29/42℃時，混合模式運行時長僅367h，占全年的4.19%，相比空調送/回風溫度為25/38℃時減少10.11%。

表2 不同空調參數時的運行模式全年時長Table 2 Annual duration of operation mode with different air conditioning parameters

3 機械補冷量的設置

間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的機械補冷裝置容量應根據當地極端氣象條件進行配置，根據北京市氣象參數，全年最高濕球溫度35.3℃，圖6為濕球溫度高于30℃時的時長分布，濕球溫度大于32℃的時間，全年僅17小時，占全年時長的0.19%；濕球溫度大于33℃的時間，全年僅6小時，占全年時長的0.07%。

圖6 北京市濕球溫度＞30℃時的時間分布Fig.6 Time distribution of Beijing wet bulb temperature＞30℃

間接蒸發(fā)冷卻效率不變的情況下，在一定的濕球溫度下，根據式（2）可計算出蒸發(fā)冷卻后的一次風出口的干球溫度t’g2，t’g2高于空調送風溫度tg2，需要機械壓縮制冷裝置對其降溫，使其由t’g2降至tg2，機械壓縮制冷補充的制冷量占總制冷量的百分比φ，可按下式計算。

式中：tg1為一次空氣入口干球溫度，℃；tg2為空調送風溫度；t’g2為蒸發(fā)冷卻器出口（蒸發(fā)器入口）干球溫度，℃；ts1為二次空氣入口濕球溫度，℃；ηIEC為間接蒸發(fā)冷卻效率；φ為機械壓縮補冷與總制冷量百分比。

圖7為當送回風溫度為25/38℃時，對應不同間接蒸發(fā)冷卻效率時需要機械壓縮補充的制冷量，當冷卻效率為65%，室外濕球溫度為35℃時，需要機械壓縮制冷補充的冷量為85%；室外濕球溫度為32℃時，需要機械壓縮制冷補充的冷量為70%。機械補冷量隨冷卻效率的提高而降低，當冷卻效率為85%，室外濕球溫度為35℃時，需要機械壓縮制冷補充的冷量為80.4%。

圖7 不同冷卻效率時需要的機械補冷量（25/38℃）Fig.7 Mechanical supplemental cooling capacity required for different cooling efficiencies(25/38℃)

圖8為當送回風溫度為29/42℃時，對應不同間接蒸發(fā)冷卻效率時需要機械壓縮補充的制冷量，當冷卻效率為65%，室外濕球溫度為35℃時，需要機械壓縮制冷補充的冷量為65%；室外濕球溫度為32℃時，需要機械壓縮制冷補充的冷量為53.9%。機械補冷量隨冷卻效率的提高而降低，當冷卻效率為85%，室外濕球溫度為35℃時，需要機械壓縮制冷補充的冷量為54.2%。

圖8 不同冷卻效率時需要的機械補冷量（29/42℃）Fig.8 Mechanical supplemental cooling capacity required for different cooling efficiencies(29/42℃)

根據圖7和圖8分析，當將空調送回風溫度由38/25℃提高至42/29℃時，對應的機械補冷量明顯降低，當冷卻效率為65%，對應室外濕球溫度為35℃時，機械補冷量由85%降至65%，因此，空調送回風溫度設定的越高，對應的機械補冷裝置制冷容量越小。

根據北京市氣象資料，濕球溫度達到35℃的全年時長僅6 小時，若按極端室外濕球溫度配置機械制冷系統(tǒng)，將存在較大的裕量，機械制冷系統(tǒng)將在低負荷下長期運行，同時會增加配電容量及不間斷電源保障的容量。因此，機械制冷的配置容量應結合IT 設備工作上限溫度，經技術經濟比較后確定。

4 運行能效分析

間接蒸發(fā)冷卻空調主要耗能部件為一、二次風機、水泵以及壓縮制冷。根據間接蒸發(fā)冷卻空調運行模式的特點，單位時間的運行能耗：干模式＜濕模式＜混合模式，其中混合模式需要機械壓縮制冷運行，其運行能耗明顯高于其它模式。

風機作為間接蒸發(fā)冷卻空調輸配能耗占比最大的部件，在干模式、濕模式以及混合模式下均需要工作運行，風機的消耗功率（N1）計算公式為：

式中：P為送風機的全壓，kPa；η為送風機的全壓效率；L為新風量，m3/h；k為電機容量安全系數，取1.1。

水泵也是間接蒸發(fā)冷卻空調輸配側的主要耗能部件之一，在干模式下水泵停止運行，在濕模式以及混合模式下均需要工作運行，水泵消耗功率（N2）計算公式為：

式中：Q為水泵的流量，m3/s；H為水泵的揚程，m；η為水泵的效率；ρ為水的密度，取1000kg/m3，g為重力加速度，9.8N/kg。

壓縮制冷系統(tǒng)作為間接蒸發(fā)冷卻空調的補冷裝置也是主要耗能部件，在干模式、濕模式下均停止運行，僅在混合模式下工作運行。機械制冷系統(tǒng)的消耗功率（N3）計算公式為：

式中，Φ為制冷量，kW；COP為壓縮制冷性能系數；

數據中心間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)總耗電量是上述耗電部件耗電量之和，空調系統(tǒng)總耗電量（W）為：

式中，Ni為各個耗電部件的實時功率，kW；Ti為各設備的運行時間，h。

本文以式（4）～式（7）計算公式為基礎，氣象參數來自DeST能耗模擬軟件，利用excel表格建立計算模型，分析各工況運行時長及對應運行能耗。以制冷量為260kW的間接蒸發(fā)冷卻空調為例，計算出三種運行模式的能耗。為驗證模型，以某生產商生產的額定制冷量為260kW的蒸發(fā)冷卻空調設備標定的電功率為基準，在相同風量、制冷量的工況下的模型計算及標定電功率如表3所示，根據計算結果模型計算功率與設備標定功率基本一致。

表3 模型計算與設備標定功率對比Table 3 Comparison between model calculation and equipment calibration power

圖9為空調送回風溫度為25/38℃時，對應不同冷卻效率的運行電耗，其中總電耗為干模式、濕模式、混合模式電耗之和。從四種冷卻效率時的電耗分布看，干模式運行的全年能耗最高，主要原因是干模式運行時長最長。隨著蒸發(fā)冷卻效率的提高，濕模式和混合模式運行時長都逐漸縮短，運行能耗也相應降低，其中混合模式降低的更為明顯。從全年運行總電耗分析，隨冷卻效率的提高，全年運行電耗降低，冷卻效率由60%提高至65%，耗電量降低4.08%；由65%提高至75%，耗電量降低5.08%；由75%提高至85%，耗電量降低3.6%。說明冷卻效率高于65%后，通過提高冷卻效率節(jié)省電耗的效果越來越不明顯。

圖9 不同運行模式的耗電量（25/38℃）Fig.9 Power consumption in different operating modes(25/38℃)

圖10為空調送回風溫度為29/42℃時，對應不同冷卻效率的運行電耗。從四種冷卻效率對應的電耗分布看，與圖9總體趨勢相同。從全年運行總電耗分析，隨冷卻效率的提高，全年運行電耗降低，冷卻效率由60%提高至65%，耗電量降低2.67%；由65%提高至75%，耗電量降低3.19%；由75%提高至85%，耗電量降低1.73%。說明冷卻效率高于60%后，通過提高冷卻效率節(jié)省電耗的效果不明顯。

圖10 不同運行模式的耗電量（29/42℃）Fig.10 Power consumption in different operating modes(29/42℃)

表4為不同送風溫度及冷卻效率下的耗電量，根據表中數據分析提高空調的送風溫度，能明顯降低電耗，當冷卻效率為60%時，節(jié)電率10.06%，隨冷卻效率的提高節(jié)電率逐漸降低。

表4 不同送風溫度時的耗電量Table 4 Power consumption at different supply air temperatures

5 經濟性分析

為更準確的對間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的運行費用、初投資進行分析，本文以北京市某數據中心為例，該數據中心空調設計冷負荷為9220kW，選用單臺制冷量為260kW的間接蒸發(fā)式冷卻空調?？照{送回風溫度為25/38℃，間接蒸發(fā)冷卻效率65%，單臺空調技術參數如表5所示。

表5 蒸發(fā)冷卻空調技術參數Table 5 Technical parameters of evaporative cooling air conditioner

在設定的送/回風溫度條件下，一次風量為定值，一次風機為定頻運行；二次風機為變頻，運行時通過改變二次空氣側風量使一次空氣側空氣參數保持在規(guī)范要求的范圍內。表6為主要用電設備的裝機容量。

表6 蒸發(fā)冷卻空調主要用電設備Table 6 Main electrical equipment of evaporative cooling air conditioner

本項目IT 設備100%滿負荷運行時，IT 設備總功耗7450kW，電力系統(tǒng)及其它損耗700kW，表7為間接蒸發(fā)冷卻空調和傳統(tǒng)空調（制冷機組+冷卻塔系統(tǒng)）全年運行總電耗的對比，間接蒸發(fā)冷卻空調相比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)年節(jié)省電耗8070709kWh，節(jié)省電耗44%，間接蒸發(fā)冷卻式空調全年PUE 值為1.23。

表7 蒸發(fā)冷卻空調與傳統(tǒng)空調電耗對比Table 7 Comparison of power consumption between evaporative cooling air conditioners and traditional air conditioners

表8為采用間接蒸發(fā)冷卻空調與傳統(tǒng)空調（制冷機組+冷卻塔系統(tǒng)）系統(tǒng)初投資及運行費用的對比，間接蒸發(fā)冷卻空調較傳統(tǒng)空調初投資增加

表8 蒸發(fā)冷卻空調與傳統(tǒng)空調經濟性分析表Table 8 Economic analysis table of evaporative cooling air conditioner and traditional air conditioner

1475.2 萬元，年節(jié)省電費635.3 萬元，靜態(tài)投資回收期2.3年。

6 結語

本文以北京地區(qū)的氣象參數為基準，通過建立計算模型，分析了不同送/回風溫度、間接冷卻效率時的能耗情況，并對比分析了間接蒸發(fā)冷卻空調與傳統(tǒng)空調的經濟性。

（1）采用露點間接蒸發(fā)技術科有效提高間接蒸發(fā)冷卻效率，從而提高混合模式運行的切換溫度，縮短機械制冷的全年運行時間。

（2）通過提高空調送/回風（一次風）溫度，可明顯提高干工況、混合工況的切換溫度，從而延長干模式的運行時長，縮短混合模式的運行時間。因此，對數據中心項目，在服務器可接受范圍內，合理提高空調送回風溫度，做好冷熱氣流隔離，可以有效降低空調系統(tǒng)能耗。

（3）當空調送/回風（一次風）溫度為25/38℃時，蒸發(fā)冷卻效率達到65%后，再提高冷卻效率，節(jié)能效果逐漸降低；當空調送/回風（一次風）溫度為29/42℃時，蒸發(fā)冷卻效率達到60%后，通過提高冷卻效率節(jié)省電耗的效果不明顯。因此，冷卻效率提高到一定程度后需進行技術經濟比較，確定最佳冷卻效率。

（4）數據中心采用間接蒸發(fā)冷卻空調與傳統(tǒng)空調（制冷機組+冷卻塔系統(tǒng)）相比，初投資增加約50%，但可節(jié)省電耗44%，每年節(jié)省電費635.3萬元，靜態(tài)投資回收期約2.3年。