北方數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用

[摘 要]間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種新興的節(jié)能技術(shù)，其在國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心逐漸廣泛應(yīng)用。尤其在北方地區(qū)的建筑內(nèi)，其可借助自然環(huán)境中大量的冷卻能量，降低數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。文章基于承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目的建設(shè)，研究間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在北方數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，分析其原理及優(yōu)缺點(diǎn)，保證工程的順利實(shí)施與驗(yàn)收。

[關(guān)鍵詞]北方地區(qū)；數(shù)據(jù)中心；間接蒸發(fā)冷卻；設(shè)計(jì)及應(yīng)用

[中圖分類號]TU831 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0083–03

Exploring the Application of Indirect Evaporative Cooling Technology in Northern Data Centers

WANG Zongyuan

[Abstract]Indirect evaporative cooling technology is a new energy-saving technology， which is widely used in data centers at home and abroad. Especially in the northern region of the building， it can use a large amount of cooling energy in the natural environment to reduce the temperature of the data center， to achieve energy saving and consumption reduction. Based on the construction of Chengde Feixun big data project， this paper studies the design and application of indirect evaporative cooling technology in the North data center， analyzes its principle， advantages and disadvantages， and ensures the smooth implementation and acceptance of the project.

[Keywords]northern region； data center； indirect evaporative cooling； design and application

隨著5G基礎(chǔ)設(shè)施全面發(fā)展，通訊及相關(guān)增值服務(wù)部門進(jìn)入快速發(fā)展階段，數(shù)據(jù)中心的高能耗成為亟需解決的問題。目前，中國南北地區(qū)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展存在一些差異，主要體現(xiàn)在氣候條件、能源結(jié)構(gòu)、政策導(dǎo)向及數(shù)據(jù)中心的PUE（Power Usage Effectiveness）值要求等方面。而間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在北方寒冷干燥的氣候條件下，可充分利用室外的低溫和干燥空氣冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的熱量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗是數(shù)據(jù)中心能耗的主要來源之一，空調(diào)能效直接影響數(shù)據(jù)中心PUE值。承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)使用自然冷源而不是人工冷源，可大幅降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗。間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)由噴淋裝置、換熱芯體、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、機(jī)械制冷補(bǔ)充裝置、控制系統(tǒng)等組成。機(jī)組只需在數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場安裝風(fēng)管、水管及配電后即可投入使用。其有3種運(yùn)行模式，即干模式、濕模式、混合模式，具體見表1。

干模式時(shí)，自然冷卻為主，如圖1所示。在冬季室外溫度低的情況下，室外空氣溫度低，可在換熱器內(nèi)冷卻服務(wù)器機(jī)房回風(fēng)。經(jīng)過換熱器后，吸收熱量的室外空氣由風(fēng)機(jī)墻排放到室外。冷卻后的機(jī)房回風(fēng)，經(jīng)過室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)墻被送入服務(wù)器機(jī)房。

濕模式時(shí)，蒸發(fā)冷卻為主，如圖2所示。春秋季室外溫度較低的情況下，因?yàn)槭彝饪諝鉁囟炔粔虻停枰_啟水泵通過高壓微霧噴淋進(jìn)行絕熱蒸發(fā)制冷的來補(bǔ)充制冷量。

混合模式時(shí)，機(jī)械補(bǔ)冷為主，如圖3所示。在夏季室外溫度高的情況下，自然冷卻無法滿足制冷需求，循環(huán)噴水帶走部分熱量，不足部分開啟變頻壓縮制冷系統(tǒng)補(bǔ)充冷量。

上述3種運(yùn)行模式切換取決于室外空氣的干球溫度和濕球溫度，而室外干濕球溫度判定的界限又取決于數(shù)據(jù)中心機(jī)房送、回風(fēng)溫度與間接蒸發(fā)冷卻換熱芯體的換熱效率。

2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與分析

在北方氣候條件下，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可充分利用自然冷源，有效降低數(shù)據(jù)中心的能耗，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的運(yùn)行。

承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目的1～4層IT機(jī)房采用間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組（AHU）系統(tǒng)，空調(diào)設(shè)備按5+1設(shè)置。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組包括換熱芯體、機(jī)械制冷補(bǔ)充裝置、噴淋系統(tǒng)、室內(nèi)側(cè)循環(huán)風(fēng)機(jī)、室外側(cè)循環(huán)風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)等。AHU機(jī)組設(shè)置于機(jī)房靠外墻側(cè)空調(diào)區(qū)，采用吊頂熱通道回風(fēng)，靜壓箱側(cè)送風(fēng)方式。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組室內(nèi)側(cè)送回風(fēng)風(fēng)管上均需設(shè)置電動風(fēng)閥，平時(shí)常開，氣滅時(shí)關(guān)閉，連鎖機(jī)組停機(jī)，氣滅后開啟，連鎖機(jī)組開啟。室內(nèi)外的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2、表3。

承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)整套制冷系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)。

（1）設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了夏季和冬季的溫差，承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目采用可調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)，即間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)配合冷水機(jī)組，以便在夏季高溫時(shí)加強(qiáng)冷卻能力，而在冬季則利用自然冷源進(jìn)行免費(fèi)冷卻，大幅降低能耗。

（2）雖然承德夏季相對濕潤，但在非極端條件下，間接蒸發(fā)冷卻仍可作為輔助手段，特別是在夜間或春秋季節(jié)，通過熱交換器利用外界空氣的低溫進(jìn)行預(yù)冷卻，減少機(jī)械制冷的使用。

（3）考慮到節(jié)能和資源高效利用，承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目配置了熱回收系統(tǒng)，將服務(wù)器產(chǎn)生的廢熱用于冬季供暖或生活熱水加熱，進(jìn)一步提升了能源利用率。

（4）優(yōu)化了機(jī)房內(nèi)部的氣流組織，承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目采用冷熱通道分離、封閉冷通道等策略，減少了冷熱空氣混合，提高了冷卻效率。

（5）考慮到未來業(yè)務(wù)擴(kuò)展的可能性，承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目冷卻系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性和靈活性，模塊化設(shè)計(jì)能夠根據(jù)實(shí)際負(fù)載動態(tài)調(diào)整冷卻能力，避免過度冷卻和初期投資浪費(fèi)。

（6）承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目部署先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，自動調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)中心在各種氣候條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。

（7）冬季極端低溫時(shí)，承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目設(shè)置有效的防凍措施，如采用低溫工況下運(yùn)行穩(wěn)定的冷卻液、設(shè)置防凍旁路、保溫材料包裹等，以防止水管凍結(jié)損壞。

3 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)分析

北方地區(qū)較低的濕度和適宜的夏季氣候條件為間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)機(jī)房中的應(yīng)用提供了天然的優(yōu)勢，不僅提升了能效，還確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。數(shù)據(jù)機(jī)房在北方利用間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)相比南方地區(qū)更具優(yōu)勢的原因如下。

（1）氣候干燥利于蒸發(fā)。北方地區(qū)氣候相對干燥，空氣濕度低，這為間接蒸發(fā)冷卻提供了理想的條件。在低濕度環(huán)境下，水更容易蒸發(fā)，從而提高了蒸發(fā)冷卻效率。相比之下，南方地區(qū)濕度高，空氣中水分接近飽和，蒸發(fā)效率受限。

（2）能效比更高。由于北方夏季干燥炎熱，間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)能更有效利用環(huán)境條件進(jìn)行自然冷卻，減少對機(jī)械制冷的依賴，顯著降低能源消耗和運(yùn)行成本。在干燥氣候下，間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可更長時(shí)間地利用免費(fèi)冷源，如夜間冷空氣，進(jìn)一步提升能效比。

（3）維護(hù)成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性。北方較低的濕度減少了設(shè)備因潮濕而導(dǎo)致的腐蝕和維護(hù)問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。間接蒸發(fā)冷卻避免了直接將外部潮濕空氣引入機(jī)房，有助于保持機(jī)房內(nèi)的濕度穩(wěn)定，更適合對環(huán)境要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)中心。

（4）避免結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。雖然間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)本身不直接面臨結(jié)冰問題，但相比于直接蒸發(fā)冷卻，其在北方寒冷的冬季更加穩(wěn)定可靠。通過合理設(shè)計(jì)，可在冬季避免因外部極端低溫帶來的任何潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（5）適應(yīng)性強(qiáng)，易于集成。北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心若采用間接蒸發(fā)冷卻，可更好地與現(xiàn)有的暖通空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，尤其是已采取封閉冷熱通道設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心，更能發(fā)揮出熱回收和高效冷卻的優(yōu)勢，進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)機(jī)房的能源利用效率。

但間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)，具體如下。

（1）初期投資較高。與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)相比，間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可能需要更高的初期投資。

（2）技術(shù)要求嚴(yán)格。對設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維團(tuán)隊(duì)的技術(shù)要求較高。

（3）氣候依賴性。在濕度較高的季節(jié)，可能無法充分發(fā)揮蒸發(fā)冷卻的優(yōu)勢。

（4）空間占用較大。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可能需要更多的空間來布置設(shè)備和管路。

4 結(jié)束語

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，不僅可降低PUE值，還能減少對傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的依賴，提高數(shù)據(jù)中心的綠色可持續(xù)發(fā)展能力。北方數(shù)據(jù)中心在PUE值要求上更為嚴(yán)格，文章研究間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在承德斐訊大數(shù)據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，分析其高效的節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗、提高能源效率的目標(biāo)。基于北方數(shù)據(jù)中心的間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，因其高可靠性、高能效、易維護(hù)和易擴(kuò)容的特點(diǎn)，在北方地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景和進(jìn)一步研究的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 顏曉光.間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在北京地區(qū)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析[J].制冷與空調(diào)（四川），2023，37（1）：115-123.