郑松松
中国电子系统工程第二建设有限公司 陕西省西安市 710000
摘要 从数据中心项目工艺特点、目前传统的空调制冷形式存在的问题、间接蒸发冷却技术引领数据中心空调发展趋势等角度分析间接蒸发冷却技术在数据中心实际工程项目中的应用。
关键词 工艺 传统制冷模式 间接蒸发冷却 经济节能
0引言
随着云计算，大数据的快速发展，国家对数据中心等新基建格外重视。数据中心因其特殊的工艺特点，单位面积热负荷较高，空调系统能耗较大。传统的制冷模式难以做到1.3甚至更低的PUE值，蒸发冷却技术的应用在这时就显得尤为重要。
1 工艺特点
数据中心用来在网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。无论是BAT等互联网企业，还是银行等金融性单位，均对数据中心的可靠性提供了很高的要求。此外，IT设备功能越来越强劲，数据机房内单机功率也快速上涨，6～8kW已经司空见惯，并且在互联网行业的数据中心和超算中心正在朝着20～50kW 快速迈进。并且，在一些特定行业，如电商等，其负载波动范围很大，这对数据中的制冷系统的模块化设计提出了更高更迫切的要求。最后，数据中心的工艺能耗很高，于是国家目前提出：到2022年，新建大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下。
2 传统制冷模式分析
传统大型数据中心采用离心式水冷机组供冷，末端采用水冷型精密空调送风。整个系统包括2个循环：
（1）冷冻水系统：制冷机组内的冷媒经压缩蒸气制冷循环完成相变，在数据中心项目中，常规制出15℃冷冻水，流经蓄冷罐，蓄冷罐一般需一直处于在线状态，有效容量需满足15分钟不间断制冷，之后冷冻水进入末端精密空调，室内空气与精密空调的冷却盘管进行换热，冷冻水变为21℃，经冷冻水泵回到冷水机组中重新参与制冷循环；
（2）冷却水系统：数据中心项目中，冷水机组出来的常规为38℃的冷却水回水进入冷却塔，通过与室外空气换热并蒸发，变为32℃冷却水重新进入冷水机组。在一些地区的过渡季节和冬季，可以采取一部分的冷却塔免费供冷，此时冷机关闭或者低负荷运行，冷冻水回水部分或全部进入板式换热器中与冷却塔下塔冷水进行热交换，并根据冷却塔下塔温度来决定冷机的开启程度，实现节能的目的。
3、间接蒸发冷却技术
间接蒸发冷却是指数据机房室内送风与室外新风间接接触进行显热量的交换，而在室外新风侧，其需要与直接蒸发冷却填料或者换热器壁面的水膜以及由高压喷头将水流雾化成的小水滴直接接触，进行充分的热湿交换。利用通过蒸发加湿得到的室外侧空气湿球温度和数据中心内部的回风温度的温差，通过管壁的热传导将服务器的热量传递给室外侧空气的过程，从而达到冷却数据中心的目的。
如下图，间接蒸发冷却系统由喷淋装置、换热芯体、室内风机、室外风机、机械制冷补充装置、控制系统等组成。其运行模式为：以自然冷却为主，机械制冷作为补充。当外界环境温度较低时，机组运行在干模式。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统都不运行，数据中心较高温度的回风经由空气—空气换热器被室外低温空气直接冷却。当室外环境温度较温和时，机组运行在湿模式。此时喷淋蒸发系统运转，而机械制冷系统仍然不运行。室外空气通过蒸发冷却系统进行降温，然后再经由空气—空气换热器冷却数据中心的回风。当室外温度较高且湿球温度也较高时，机组运行在混合模式。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统同时运行，共同来达到需要的冷量。
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4、经济性和节能分析
在空调系统的运行中，其耗能和经济性是直接相关的，故我们把两者结合起来分析。在数据中心的能耗构成中，空调系统的能耗占数据中心总能耗的30%-50%，因此空调系统是当前数据中心提高能源效率的重点环节。间接蒸发冷却技术可延长全年免费冷源的时间，与一般常规机械制冷相比，在炎热干燥地区可节能80%-90%，在炎热潮湿地区可节能20%-25%，在中等湿度地区可节能40%，从而大大降低空调制冷能耗。同时间接蒸发冷却设备用水量只相当于常规冷冻水系统的30%-50%。
下面以河北地区某一数据中心为例，来分析其耗能和经济性情况：该数据中心机柜数量为2700个，每个机柜装机功率为5kW。以每度电费为0.8元，每立方米水费5.74元进行对比，数据对比见下表：
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从结果来看，间接蒸发冷却机组的初投资相对较高，但是由于全年大部分时间是干模式和湿模式下运行，电费可以有很大的节省。相对普通的冷冻水型精密空调机组，一般2-4年可以达到盈亏平衡点。
未来的数据中心建设模式一定会朝着绿色节能，动态制冷，制冷系统模块化，更加重视水资源的利用和高效空调末端的应用迈进，当然间接蒸发冷却技术将会在合适的地区得到越来越广泛的应用。
参考文献：
1、《数据中心热点技术剖析》 郭亮
2、《数据中心蒸发冷却冷水系统及高效空调末端集成技术白皮书》 罗志刚