上海邮电设计咨询研究院有限公司 上海 200092
摘要：数据中心需求的不断增加及对数据中心能耗的进一步严控，使得对数据中心节能的要求进一步提升。外界环境合适时，蒸发冷却空调系统可以较长时间利用外界自然冷源，降低数据中心的空调系统能耗，从而降到数据中心的PUE。本文通过一个工程案例，探讨了蒸发冷却空调系统在大型数据中心的应用。
关键词：间接蒸发冷却空调系统；数据中心；PUE
0.前言
自2020年新冠疫情发生后，中国乃至世界各地大量采用线上办公、远程教学，城市及企业的管理也更多的转移到网上办公，网上管理等模式。在此种变化的冲击下，大数据信息基建的需求进一步扩大。近期，国家及地方也相应出台各种政策，加大信息基建的投资建设。数据中心作为信息基建的基础核心，迎来了快速建设。
同时，数据中心作为能耗大户，国家及地方在大力发展信息基建的同时，对能耗的要求也也越来越高。自2018年开始，国家及多地已开始重新拟定数据中心的能源消耗限值，将数据中心的PUE限制在更加低的标准下，满足信息基建需求的前提下同时达到节能的目的。
数据中心空调系统的能耗在数据中心总能耗中一直占据着较大的比重，是数据中心除信息设备外最主要的能源消耗。降低数据中心能耗，关键是降低空调系统的能耗。
提高空调效率，降低数据中心空调系统的能源消耗，需要结合数据中心当地的外界气候因素，结合数据中心整体布局，选择合适的空调系统，并优化空调传输系统、优化机房内气流组织，才能降低整个空调系统的能耗，进而达到降低数据中心总体能耗的目的。
间接蒸发冷却空调系统通过直接蒸发冷却，间接蒸发冷却，将外界自然冷源转换至室内，用于数据中心内信息设备的散热。由于其采用了风侧自然冷源的利用，故比一般水侧自然冷源使用时间更长，且减少了空调系统冷量传输的过程及距离，整体上降低了空调系统的能耗。近几年，间接蒸发冷却空调系统在数据中心中的应用逐渐增多。
本文通过对蒸发冷却空调系统原理及设备类型的分析，结合数据中心设计案例，对蒸发冷却空调系统在大型数据中心中的应用进行探讨。
1.蒸发冷却原理
蒸发冷却技术是利用水在未饱和的空气中蒸发吸热，通过水与空气间的热湿交换，空气和水将自身的显热转变为水的潜热而实现冷却的过程。根据蒸发冷却的工作原理不同分为直接蒸发冷却、间接蒸发冷却。
直接蒸发冷却是指未饱和空气和水直接接触，由于水的蒸发，使水和空气的温度都降低，空气的含湿量增加。空气和水之间的传热、传质同时发生且相互影响，空气处理过程为等焓降温加湿过程，其极限温度为空气的湿球温度。
因直接蒸发冷却与水直接接触，处理后的空气湿度较大，且难以控制，适用于对温、湿度要求不高的场所。同时直接蒸发冷却的冷却势能是干、湿球温度的势差，因此，其适用于夏季室外空调湿球温度较低的地区。
间接蒸发冷却是将经过直接蒸发冷却降温后的空气或冷水，经过换热设备与一次空气进行换热，将一次空气温度降低但含湿量不变。间接蒸发冷却可避免传热、传质的相互影响，空气处理过程为等湿降温过程。由于换热设备有传热温差的存在，间接蒸发的冷却效率将受到较大限制。
间接蒸发冷却因不直接接触，只进行热量交换，不进行质量交换，故可用于对空气有较低含湿量或比焓要求的场所。同时间接蒸发冷却的冷却势能是干球和露点温度的势差，因此，其适用于夏季室外露点温度较低的地区。
2.常用蒸发冷却空调设备
蒸发冷却空调设备从产出物的不同可分为两大类：蒸发冷却制取冷水（蒸发冷却冷水机组）；蒸发冷却制取冷风（蒸发冷却 MAU 机组）。
间接/直接蒸发冷却冷水机组：
间接/直接蒸发冷却冷水机组，是指基于间接蒸发冷却和直接蒸发冷却技术产出冷水的空调设备。该类机组同时包含间接蒸发冷却和直接蒸发冷却两个功能段，使用时，优先开启直接蒸发冷却段提供冷量（冷水），当室外湿球温度过高，冷量（或出水温度）无法满足制冷需求，自动开启间接蒸发冷却段，各功能段通过独立、变频控制来达到机房制冷需求，同时满足机组全年节能运行的要求。
蒸发冷却制取冷风空调机组（蒸发冷却 MAU 机组）：
直接蒸发冷却 MAU 机组，一般由风机段、过滤段、直接蒸发冷却段、送风段等多种功能段组成，可实现空气过滤、冷却、加湿等功能。
直接蒸发冷却MAU 机组为全新风运行，受外界空气品质影响较大。一方面可以改善室内空气品质。另一方面送风的湿度较难控制，且机组制冷量受外界气候条件的限制（湿球温度限值），单独作为冷源很难满足全年的供冷需求，需结合机械制冷一起使用。
间接蒸发冷却 MAU 机组
间接蒸发冷却 MAU机组通常由风机段、过滤段、间接蒸发冷却器、机械制冷段及表冷器等组成。过渡季节，仅通过直接/间接蒸发冷却即可满足制冷需求。夏季极端高温时，需要开启机械制冷补充冷源。
由于数据中心自身特点，对机房运行的安全性、可靠性、稳定性有较高要求，且需全年供冷。蒸发冷却空调系统的稳定运行对外界环境的依赖性较大，碰到极端高温时，将无法满足数据中心的冷量需求。故蒸发冷却空调应用于数据中心时，通常需要结合机械制冷。
3.案例
本案例是北方某市的数据中心项目，包括IDC机房楼，动力楼及运维楼。
项目所在地属于寒冷地区，本工程的IDC机房楼的空调系统采用间接蒸发冷却MAU机组。间接蒸发冷却MAU机组结构组成如图1所示。
间接蒸发冷却MAU机组可实现三种运行模式：
模式一：机组喷水的水泵及机械制冷的压缩机均关闭，仅开启送排风机，机房的回风和外界的新风经过空气空气热交换器进行换热（仅进行热量交换），不进行质量交换。
此模式下，仅需开启送排风机（此模式下要求送排风的风量相等），不喷水，不开启压缩机进行机械制冷。
模式二：开启喷淋水的水泵，水喷淋到空气空气热交换器的新风测，新风先经过直接蒸发冷却降温至水的温度，降温后的新风再经过空空换热器与排风进行间接换热。
此模式下，需开启送排风机（此模式下要求送排风的风量相等），喷水泵，不开启压缩机进行机械制冷。
模式三：新风首先经过水喷淋经过直接蒸发换热降温至空气的湿球温度，降温后的新风通过空气空气热交换器与机房的回风间接换热，再经过机械制冷的蒸发器进一步降温。
此模式下，需同时开启送排风机，喷水泵，及机械制冷压缩机。
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图1间接蒸发冷却MAU机组结构图
4.1 IDC机房楼工艺布局
本项目IDC机房楼层高4层，工艺整体布局为：IDC主机房在两边，电力用房在中间。
为减少IDC机房楼的占地面积，在机房楼外设置4层钢支架平台，间接蒸发冷却MAU机组放置于钢支架平台上。
IDC机房楼共布置3952个机柜，单机架功率6kW，同时使用系统为0.833。
4.2 IDC机房间接蒸发冷却MAU机组设计
间接蒸发冷却MAU机组配置及设计参数：单个标准机房布置间接蒸发冷却MAU机组6台，5用1备配置模式（单台间接蒸发冷却MAU机组冷量约为200KW，风量55000CMH，满足单个机房的总冷量约1000KW需求（单个标准机房182个机柜））。中间的配电室空调机组采用带氟泵的直接蒸发式机房精密空调，室外机统一布置在屋顶。间接蒸发冷却MAU机组两台贴临布置，检修空间预留在两边，与相邻间接蒸发冷却MAU机组共用检修空间，节省了设备占用空间。
间接蒸发冷却MAU机组同层室外进风，通过排风井向上室外排风。
机房内采用风墙弥漫式送风，风墙上布置多个风机，单个风机故障，不影响机房的整体送风效果，机房内热通道封闭，吊顶回风。回风再通过风管回到间接蒸发冷却MAU机组。
IDC机房楼标准层平面布局及主机房气流组织如下图2、3所示。
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图2 IDC机房楼标准层平面布置图
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图3 IDC机房主机房气流组织示意图
4.3 IDC机房楼设计PUE
IDC机房楼主机房设计工况：机柜进风口处或冷通道内的温度23℃，回风温度35℃。考虑送风过程中1℃温升，间接蒸发冷却MAU机组出风温度为22℃，空气空气热交换器的热交换效率为70%。按照设计工况，结合项目当地的环境参数得到间接蒸发冷却MAU机组及氟泵空调系统的pPUE如下表2，表3。
间接蒸发冷却MAU机组pPUE 表3
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氟泵空调pPUE 表4
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新风及建筑照明及其他的PUE因子约为0.01，电源的PUE因子（电源系统损耗包括UPS系统充电损耗、变配电损耗，综合损耗按照总用电的6%计取）经计算为0.0708。
根据以上设备的PUE因子，计算IDC机房楼的PUE如下表5所示：
设计全年平均PUE值测算表 表5
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综上，本项目的IDC机房楼的全年PUE约为1.25。
5.结束语
1、蒸发冷却技术结合外界环境状况，及其自身特点（间接换热+直接蒸发冷却），可以实现全年较多时间利用外界自然冷源，其全年的整体节能效果较好。本项目案例中应用于IDC机房楼，其全年的综合PUE可以降低到1.25。
2、间接蒸发冷却MAU机组应用于数据中心时，需要在数据中心平面布局时，整体考虑建筑及工艺设备的布置，因其布置在数据中心机房楼的外部，不占用将楼的建筑面积，提高了数据中心的整体得机房率。
3、间接蒸发冷却MAU机组，在使用过程中，需要监测换热盘管段的换热效率（其对机组的整体制冷效果及自然冷源利用影响较大），如发生换热效率下降，应及时清理或更换，以保证间接蒸发冷却MAU机组的自然冷源利用效率。
4、蒸发冷却技术应用于数据中心，需要结合当地外界环境参数，合理选择蒸发冷却空调设备的形式及功能段。由于数据中心本身的用能的特点（高稳定性，全年的不间断供冷要求），应用于数据中心时，蒸发冷却空调系统需要结合机械制冷。
参考文献：
[1]《上海市互联网数据中心建设导则（2019版）》
[2]《数据中心能源消耗限额》
[3] 《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》
[4] 《数据中心设计规范》GB50174-2017
作者简介：
李艳凯 硕士 工程师 主要从事数据中心暖通空调设计