中元国际（上海）工程设计研究院有限公司 上海 200120
摘要：随着互联网、大数据、5G的热潮，国内的数据中心行业也随之快速发展，全国各地涌现出大量的数据中心项目。由于数据中心存在着单位面积热负荷密度高、耗能大的特点，因此对于数据中心的节能技术要求也更加严格，为了提高提升能源的使用率，降低能耗，如何高效的利用自然能源，在数据中心行业有比较广泛的前景和推广价值。
在我国，南北方的气候、温湿度环境等差异较大，为了有效的利用可再生的自然能源，自然蒸发冷却技术悠然而生。该技术能有效地降低数据中心PUE及运营成本，引起了极大关注，尤其是在空气质量要求较高的数据中心行业，间接蒸发冷却技术可实现室内和室外空气的传热不传质，机房内部的湿度和空气质量不受室外的影响。
关键词：数据中心；节能；间接蒸发冷却
一、间接蒸发冷却技术前景
较常规民用商用或常规工厂项目，由于数据中心设备全年24h运行，能耗巨大，数据中心的节能减排已得到社会的高度重视。在《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》提出：到2022年，新建的大型、超大型数据中心的PUE≤1.4。
若机房的PUE为1.8，经计算IT设备占56%，空调设备占34%，可见空调设备的耗电量占比较大，而IT设备的更新换代是比较困难，则要将数据中心的PUE降低，高效的利用空调设备的耗能变的尤为重要。由于自然冷却的能源取自大气，无能源的损耗，如何充分利用自然冷却能源为目前数据中心节能的首选。
利用新风进行自然冷却的方案国外应用已经很广泛，但由于国内气候条件的限制，空气品质差，容易造成机房粉尘、颗粒等超标造成处理器宕机，空气湿度较小等因素，国内大部分地区不建议采用直接利用新风处理冷却的方式。而间接蒸发冷却技术，由于室外新风不进入室内，则完全避免新风直接进入室内带来的弊端。
本文简述了间接蒸发冷却的原理和在实际项目中的使用经验，浅谈了对间接蒸发冷却的理解及未来的展望。
二、间接蒸发冷却原理及优缺点
目前国内常用的间接蒸发冷却技术有两种：
1、空气-空气间接换热
（1）空气-空气间接换热原理
将室外侧的新风通过空气-空气换热器，采用非直接接触的模式，与机房室内回风进行能量交换，降低温度后送入机房，达到等湿度降温的目的。如图1所示，室内高温回风进入设备，室外新风进入间接蒸发冷却器，设备内带有高压细水雾等喷水设备，将水小颗粒高密度的喷入进入设备的室外新风中，使室外新风蒸发冷却，通过换热器，使室内回风达到设计送风温度后，送入室内。该系统在理想状态下无需机械制冷，无水泵等配套设施，最大幅度的减小空调系统的电量损耗，将空调能耗减小到最小，达到节能的效果。
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图1 空气-空气间接蒸发
（2）空气-空气间接换热优缺点
1）空气-空气换热技术直接利用大气自然能源，将免费能源转化为机房所需要的冷源，取消了常规暖通系统中耗能较大的冷水机组和水泵等设备，降低了机房PUE中空调设备的占比，降低了相应的PUE值，达到了节能的效果；
2）采用间接蒸发冷却机组，因室外新风与室内回风无接触，即室外未经处理的新风无法进入室内，在保证机房内也不漏风的情况下，能有效的控制室内洁净度，使室内机柜能安全有效的运行。因室内回风与室外加湿过的室外新风无接触，室内湿度将不受室外新风的影响，维持在符合标注的范围内；
3）空气-空气间接换热技术对室外空气要求较高，据数据显示，该技术在西北等干旱地区节能效果显著，但在华南华东等地区，一年中低温时间较短，可直接利用自然能源的时间较短，而数据中心中机柜本身的散热量较大，其所需的冷量巨大，紧靠一年中的仅有的低温空气时间无法满足机房制冷需求，在该情况下，仍需外加压缩机和蒸发器，辅助制冷，其能耗也将相应增加；
4）由于室外空气降温需要配合水量的蒸发，实际设备的耗水量将是巨大，目前国内对于节能方面未涉及到耗水量的考虑，但无法保证，考虑了耗水量后该技术是否仍为节能技术有待论证；
5）因该技术采用的是空气与空气的换热，众所周知，该换热方式较常规的的空气-水换热的换热效率低很多，为达到相同的换热量，空气-空气换热的体积将增大数倍，这也导致设备体积较大，对于人口数量较少的西北地区自然不是问题，但是对于人口密度大，寸土寸金的华东地区，将另当别论。
2、空气-水间接换热
（1）空气-水间接换热原理
冷却塔是数据中心中常见的设备。利用冷却塔的提供的冷却水供水间接与室内回水进行换热，是目前比较热门的方案。其原理是：在温度较低的时间里，关闭机械制冷设备，将冷却塔冷却好的低温冷却水供水，利用换热器，与室内回水进行换热，如图2，当室外温度较低的时，断开V1、V5、V6、V6、V7、V9、V11，连接V2、V3、V4、V8、V10、V12，使冷却塔的水直接进入换热器，将室内空调回水降温至设计温度，达到设计供水温度供向室内空调使用。
该系统关闭了冷水机组，减少了空调系统的能耗，从而达到节能的效果。
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图2 空气-水间接蒸发
（2）空气-水间接换热优缺点
1）空气-水间接换热系统，在满足温度要求的低温时间段可直接利用冷却塔提供的冷却水供水，通过换热器，与室内空调回水进行换热，在该时间段内，关闭冷源侧的机械制冷设备，节约能源；
2）该系统较常规空调水系统，冷源侧仅需冷却塔和换热器，系统较简单，成本较低；
3）采用空气-水间接换热系统，无室外未经处理的新风进入室内，对机房内地气流组织无影响，保证了机房内的工作环境洁净度；
4）该技术采用的是空气与水的换热，换热效率更高，室外设备仅为冷却塔，对于用地面积要求较低；
5）常见冷却塔的形式分为开式冷却塔和闭式冷却塔，闭式冷却塔较开式占地面积小，因此在华东地区等用地紧张的区域得到广泛应用，但是闭式冷却塔相应也会带来水质差的问题，增加换热器杂质水垢等的堵塞情况，对板式换热器的损伤较大。
三、在实际项目中的应用
本人在上海蓝色帛缔智能工程有限公司任职期间，有幸参与了齐网开源大数据松江园区的设计项目，该项目便运用了上文所描述的两种间接蒸发冷却方案。本项目为本公司自建项目，则在该项目中负责了项目的前期规划，项目招标，系统设计，施工图深化、项目清单编制等全过程，因此对该项目的间接蒸发冷却技术有一定的了解。
1.空气-空气间接蒸发冷却系统
（1）本项目的空气-空气蒸发冷却技术运用在A栋/B栋顶层M5机房。经现场勘查，因项目位于上海，气候常年较高，若采用全年空气-空气间接蒸发换热则无法满足机房制冷需求，则在室内送风侧增加蒸发器，室外排风侧增加冷凝器，用于夏季工况；室外进风侧和室内回风侧增加热盘管，用于冬季工况，详图如图3；
（2）该设备的风机采用变频模式，根据实际室外温度自动调节风量，达到节能的目的。风机的的送风管采用竖向系统，风管送风总管处设置电动阀，保证了模块机房内的正压，防止灰尘和微颗粒的摄入，保证机柜在高效的环境下持续运行，机房内气流组织如图4；
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图3 M5机房间接蒸发冷却
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图4 M5机房气流组织示意图
（3）本项目因增加了蒸发器、压缩机、电加热等耗能设备，实际项目的能耗超过空气-空气直接换热系统，且因为是实际应用，机房密封性、气候变化、温湿度变化等都与理论是指有所差距，但因该机房无水系统，节省了空调水系统中水泵、水处理等设备，耗能较常规水系统仍有所下降，经计算，本项目M5的实际PUE值为1.37，仍满足上海市对PUE的要求；
（4）该机房为采用的空气-空气间接蒸发冷却机组，对机房内的湿度无法进行调节，因此在机房内增设加湿器，以保证机房内的湿度值在设计范围内。
2.空气-水间接蒸发冷却系统
经计算，本项目的总冷负荷为16060KW，采用3+1台56KW的水冷式离心机组。本系统的冷却侧采用冷却塔、冷却水泵、冷水机组一一对应，冷冻侧一次管路为环路，二次管路为双支路。根据外部环境不同季节的气温变化，冷冻水侧采用三种模式，即完全机械制冷、部分机械制冷模式、全自然冷却模式，原理图如图5，具体的运行模式如下：
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图5 齐网开源大数据水系统原理图
1）全机械制冷模式：当室外提供的冷却水温度大于17℃时，完全机械制冷；
2）部分机械制冷模式：当冷却塔可以提供低于17℃的冷却水时，系统进入半自然半机械制冷模式，冷冻侧断开电动阀V11、V8，连接V7、V9、V10、V12，冷却水侧冷却水侧断开电动阀V1、V4，连接V2、V3、V5、V6，冷却水供水与室内空调回水在板式换热器内先进行一次换热，降低空调的回水温度后，在进入冷水机组，减少冷水机组的制冷量，从而节约能耗；
3）全自然冷却模式：当冷却塔可以提供低于12℃的冷却水时，完全关闭冷水机组，冷却水侧断开电动阀V1、V5、V6，连接V2、V3、V4，冷冻水侧断开电动阀V7、V9、V11，连接V8、V10、V12，室外冷却水与空调回水在板式换热器中进行换热，达到14℃的设计供水温度后直接送入末端空调。
由此可见，该系统的节能效果对室外湿球温度的依赖性较高，全年低温时间越长的地区，节能效果越好。对冷却塔的要求也较高，空气-水的换热效果要高于空气-空气，但要想提高换热效率，冷却塔的性能影响很大。本项目规模较大，采用开式冷却塔。换热器采用板式换热器。开式冷却塔水质较差，常年流经板式换热器，对换热片的腐蚀和翅片内水垢的堆积影响较大，将会大幅度的缩短换热器的使用年限。
四、结束语
节能是建筑行业中亘古不变将一直维持下去的话题，数据中心也是近两年新型的新型产业，因其全年无休的持续运行，在如今不可再生能源资源紧张的情况下，对其能耗的控制将不断严格。如何高效的运用可再生能源变得尤为重要，从上文中可知，间接蒸发冷却设备严格意义上是满足目前运用可再生能源转化为可利用的能源的总体的设计思路，但在转换率、占地面积、持续性等关键问题上，仍需不断地完善和提高，以最大限度的节约能源。
参考文献：
[1]中国电子工程设计院．数据中心设计规范：GB-50174-2017
[2]艾默生网络能源有限公司，合肥通用机械研究院，广东吉荣空调有限公司，计算机和数据处理机房用单元式空气调节机：GB/T 19413-2010
[3]沛霖¬ 蒸发冷却技术在非干燥地区的应用¬ 暖通空调，1995¬ 4
[4]陈沛霖¬ 间接蒸发冷却在我国适用性的分析¬ 暖通空调，1994¬ 5.
[5]邢永杰¬ 蒸发冷却技术在空调节能中的应用¬ 新能源，2000¬ 12.
[6]任承钦 间接蒸发冷却技术的应用研究与现状 制冷与空调 2004.1