耿志超 黃 翔 折建利 褚俊杰

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間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)在國內外數(shù)據(jù)中心的應用

耿志超 黃 翔 折建利 褚俊杰

（西安工程大學 西安 710048）

介紹了數(shù)據(jù)中心IT設備熱環(huán)境要求和數(shù)據(jù)中心風側自然冷卻方式，同時提出了間接蒸發(fā)冷卻空調技術的幾種不同形式，主要是對間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)在國內外數(shù)據(jù)中心的應用形式進行了分析，給出了其所具有的“1+1+1梯級冷卻”三種節(jié)能運行模式以及數(shù)據(jù)機房內相應的氣流組織方案，總結出間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)將會是大型新建數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)未來發(fā)展的一個趨勢。

數(shù)據(jù)中心；風側自然冷卻；間接蒸發(fā)冷卻；應用形式

0 引言

為順應全世界數(shù)據(jù)化的大趨勢，實施我國“互聯(lián)網(wǎng)+”的行動計劃，國內各行各業(yè)的計算量和數(shù)據(jù)存儲量正呈現(xiàn)指數(shù)型增長之勢。然而，數(shù)據(jù)存儲、計算和應用集中化己是大勢所趨，應運而生的數(shù)據(jù)中心以前所未有的速度發(fā)展[1]。從廣義上來講，數(shù)據(jù)中心是指所有含有數(shù)據(jù)服務器、通信設備、冷卻和供電設備的建筑、廠房。隨著其數(shù)量與規(guī)模的增長，數(shù)據(jù)中心的能耗越來越不容忽視。在數(shù)據(jù)中心的能耗構成中，空調系統(tǒng)的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的很大一部分，大約占到30%—50%，因此空調系統(tǒng)是當前數(shù)據(jù)中心提高能源效率的重點環(huán)節(jié)。一個典型的數(shù)據(jù)中心的能耗構成如圖1所示[2,3]。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗構成

利用自然界的低溫冷源對數(shù)據(jù)機房進行自然冷卻的空調方案是提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率的重要途徑，全年有相當長時間內室外溫度低于數(shù)據(jù)中心的室內控制溫度，將室外新風直接引入數(shù)據(jù)機房，一般會破壞數(shù)據(jù)機房內空氣的潔凈度，對IT設備的可靠運行造成威脅。數(shù)據(jù)中心的空調系統(tǒng)傾向于間接利用自然界的冷源，從而導致空調設備換熱效率的較低。蒸發(fā)冷卻技術是一種利用水分蒸發(fā)制取冷量的高效冷卻方式，不再使用傳統(tǒng)的壓縮機，大大減少了對電能的消耗。因此，在數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)中利用間接自然冷卻方案時，同時采用蒸發(fā)冷卻綠色節(jié)能技術對室外冷源進行初步的降溫加濕處理的間接蒸發(fā)冷自然冷卻空調系統(tǒng)，將會顯著提高空調設備的換熱效率，延長自然冷源的利用時間。

1 數(shù)據(jù)中心IT設備環(huán)境要求

美國采暖制冷與空調工程師學會ASHRAE TC 9.9小組是一個由數(shù)據(jù)通信設備生產商、數(shù)據(jù)設備終端用戶的業(yè)主與管理人員、政府機構及、咨詢機構和實驗室測試專家組成的專業(yè)研究團隊。該團隊對數(shù)據(jù)中心的重要設施、技術要求、電子設備及系統(tǒng)進行了系統(tǒng)地研究和總結，提供了數(shù)據(jù)中心IT設備和設施運行的環(huán)境工況，ASHREA 2008中擴大了ASHREA 2004中熱環(huán)境參數(shù)推薦的包絡區(qū)，如表1所示[4]，將推薦IT設備入口空氣溫度的上限值從25℃提高到27℃，將會大大增加數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)自然冷卻節(jié)能運行的小時數(shù)。

表1 ASHREA 2004與ASHREA2008熱環(huán)境包絡區(qū)推薦數(shù)據(jù)比較

2 數(shù)據(jù)中心風側自然冷卻

自然冷卻不是指空調系統(tǒng)的某個組件，而是指制冷系統(tǒng)的一種運行模式，目前已經(jīng)成為滿足行業(yè)標準能效目標的必要條件，在一些氣候條件下自然冷卻在空調系統(tǒng)中可以作為首選工作模式，而讓機械制冷模式作為輔助工作模式或后備方案。常用的自然冷卻空調系統(tǒng)分為風側自然冷卻和水側自然冷卻，在本文中主要介紹風側自然冷卻空調系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心所采用的風側自然冷卻空調系統(tǒng)一般又可分為直接自然冷卻和間接自然冷卻。

為了有效利用自然冷源，同時減少室外新風空氣品質和濕度變化對數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境潔凈度與濕度的影響，數(shù)據(jù)中心冷卻可以采用間接自然冷卻空調系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心間接自然是指通過空氣—空氣換熱器，利用室外冷風對數(shù)據(jù)機房的熱回風進行冷卻，在換熱過程中室外空氣與數(shù)據(jù)中心空氣完全隔離。與直接自然冷卻空系統(tǒng)相比，間接自然冷卻空調系統(tǒng)中采用空氣—空氣換熱器，增加了室外冷風與數(shù)據(jù)機房內熱回風的換熱阻力。因此，在室外空氣溫度較高時，空氣—空氣換熱器需要相當大的換熱面積才能排出數(shù)據(jù)中心的散熱量，否則就需要啟動機械制冷模式。

3 間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻技術是一項利用水蒸發(fā)吸熱制冷的綠色節(jié)能技術[5]，以水作為制冷劑，不需要壓縮機而是通過空氣與水間的熱濕交換，將自身的顯熱傳遞給水實現(xiàn)等焓冷卻。按照被處理空氣與水的接觸方式不同，蒸發(fā)冷卻一般可分為直接蒸發(fā)冷卻與間接蒸發(fā)冷卻[6]。

間接蒸發(fā)冷卻是指產出空氣（數(shù)據(jù)機房室內送風）與工作空氣（室外新風）間接接觸進行顯熱量的交換，而在工作空氣（室外新風）側，其需要與直接蒸發(fā)冷卻填料或者換熱器壁面的水膜以及由高壓噴頭將水流霧化形成的小水滴直接接觸，進行充分的熱濕交換[7]。根據(jù)換熱器結構形式的不同，數(shù)據(jù)中心常用的間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)可以分為板（翅）式和管式。按照工作空氣（室外新風）與水進行熱濕交換形式的不同，又可將間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)分為低壓滴淋式、中壓噴淋式和高壓噴霧式三種形式。

低壓滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻，如圖2（a）所示，數(shù)據(jù)機房內的熱回風流經(jīng)板式（管式）換熱器的一側通道，室外新風首先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻填料降溫加濕處理后，氣流中攜帶著部分小水滴進入板式（管式）換熱器中另一側流道，其中氣流中攜帶的小水滴會貼附在換熱器壁面，吸收機房內熱回風的熱量而蒸發(fā)，從而增強了室外新風與室內回風的換熱效率。

中壓噴淋式間接蒸發(fā)冷卻，如圖2（b）所示，機房內熱回風流經(jīng)換熱器的干通道，室外新風流經(jīng)濕通道，中壓式循環(huán)水泵將集水箱內的水輸送至換熱器頂端的噴頭（噴嘴）等布水裝置內，將循環(huán)水均勻的噴灑到換熱器濕通道壁面形成水膜，室外新風流經(jīng)濕通道內與水膜進行熱濕交換，吸收干通道內熱回風的熱量。

高壓噴霧式間接蒸發(fā)冷卻，如圖2（c）所示，與低壓滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻所不同的是，其具有更高的換熱效率，室外新風經(jīng)過直接噴霧蒸發(fā)冷卻后，新風氣流會攜帶更多更細小的水滴進入換熱器的一側換熱通道進行換熱，氣流中的小水滴吸收換熱器另一側機房內熱回風的熱量后蒸發(fā)，以水分子形式進入新風氣流，最后被排出換熱器。

圖2 間接蒸發(fā)冷卻的不同形式

4 間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用

數(shù)據(jù)中心的空調系統(tǒng)需要全年供冷且不間斷運行，為了保障空調系統(tǒng)的可靠性以及持續(xù)穩(wěn)定的運行，數(shù)據(jù)中心內采用間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)時通常需要輔助以直接膨脹式（DX）機械制冷。在室外空氣溫度較高，采用間接蒸發(fā)自然冷卻運行模式不能將數(shù)據(jù)機房內的熱回風所攜帶的熱量排出時，需要及時開啟DX機械制冷將機房內熱回風所攜帶的剩余熱量排出，以使數(shù)據(jù)機房內的送風溫度維持在一個穩(wěn)定的范圍內。

4.1 低壓滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)的應用

英國Airedale公司專門為數(shù)據(jù)中心開發(fā)出一種填料滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組，如圖3（a）所示。DX機械制冷系統(tǒng)內蒸發(fā)器位于數(shù)據(jù)機房內熱回風側板式換熱器的后面，在較高室外環(huán)境溫度時起到補充制冷的作用，而其冷卻器布置在室外新風側板式換熱器的后面，目的是充分利用經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻填料降溫加濕處理后的室外新風氣流中攜帶的冷量。

圖3 填料滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組在數(shù)據(jù)中心的應用

該空調機組應用在數(shù)據(jù)機房的空調系統(tǒng)形式，如圖3（b）所示，采用高架地板下送風且熱通道封閉氣流組織方案，具有三種節(jié)能運行模式：在冬季、春季以及夏季室外環(huán)境溫度較低時，機房熱回風與室外新風只需要通過板式換熱器進行間接自然冷卻換熱；在夏季、春季和秋季室外環(huán)境溫度較高時，室外新風需要先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻填料降溫處理后，再通過板式換熱器與機房內熱回風進行間接自然冷卻換熱；在夏季的高溫時間段，通過直接蒸發(fā)冷卻填料和板式換熱器自然冷卻不足以完全排出機房內熱回風氣流中攜帶的熱量，則需要開啟DX機械制冷系統(tǒng)進行補充制冷，以使機房內送風維持在穩(wěn)定的溫度范圍內。

在國內，寧夏中衛(wèi)西部云基地新建設完成的譽成云創(chuàng)—奇虎360云計算數(shù)據(jù)中心內空調系統(tǒng)同樣采用了填料滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻[8]，其特點在于把直接蒸發(fā)冷卻填料、板翅式換熱器以及DX機械制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器與冷凝器有機地布置在數(shù)據(jù)中心建筑的不同位置處，而不是緊湊地組合在一起形成一個機組，從而更容易實現(xiàn)大風量送風，如圖4所示。該數(shù)據(jù)中心的主體分為三層：一層主要部署電力系統(tǒng)的基礎設施（變壓器、不間斷電源UPS和蓄電池等）以及間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)中DX機械制冷中的蒸發(fā)器以及風機墻；二層主要部署IT設備機柜以及空調系統(tǒng)中的直接蒸發(fā)冷卻填料和板翅式換熱器；三層主要是數(shù)據(jù)機房內熱回風空間夾層并且部署了DX機械制冷中的冷凝器。數(shù)據(jù)機房內熱回風經(jīng)過板翅式換熱器或者DX機械制冷蒸發(fā)器冷卻處理后，由風機墻將冷風送入電源房冷卻電源設備，然后由二層的開孔地板進入IT設備機房，直接冷卻服務器，形成的熱空氣在封閉熱通道中進入三層熱回風夾層，進而再由板翅式換熱器或者DX機械制冷進行處理。室外新風經(jīng)過過濾處理之后，直接進入板翅式換熱器或者先經(jīng)過填料直接蒸發(fā)冷卻降溫處理后再通過板翅式換熱器與機房內熱回風進行間接換熱，最后直接排到室外環(huán)境中或者經(jīng)由DX機械制冷中的冷凝器吸熱后再排出。

圖4 360數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)

同樣，譽成云創(chuàng)-360云計算數(shù)據(jù)中心所采用的間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)也具有與Airedale公司填料滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組相同的三種運行模式。我們可以把間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)所具有的三種運行模式稱之為“1+1+1梯級冷卻”：“1”指的是在室外環(huán)境溫度較低時，只通過板翅式換熱器，直接利用室外冷風對機房內熱回風進行間接自然冷卻；“1+1”指的是在室外環(huán)境溫度較高時，通過填料直接蒸發(fā)冷卻以及板翅式換熱器間接換熱，利用直接蒸發(fā)冷卻處理后的室外新風間接自然冷卻機房內熱回風；“1+1+1”指的是在室外環(huán)境溫度很高時，不僅需要通過直接蒸發(fā)冷卻填料和板翅式換熱器進行間接自然冷卻，同時還需要開啟DX機械制冷對機房熱回風進行補充制冷。

4.2 中壓噴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)的應用

（a）屋頂安裝 （b）四周安裝

瑞典Munter公司利用EPX聚合物為數(shù)據(jù)中心的空調系統(tǒng)開發(fā)出一種板管噴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組[9]，應用于數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)時，該空調機組一般可以布置字數(shù)據(jù)中心建筑的屋頂上區(qū)域或者四周圍區(qū)域，相應地，數(shù)據(jù)機房內的IT機柜通常采取熱通道封閉的擺放形式，彌漫式送風上回風的氣流組織方案，如圖5所示。數(shù)據(jù)中心應用板管噴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)同樣具有“1+1+1梯級冷卻”的三種運行模式。

德國DencoHappel公司開發(fā)出一種雙換熱器的板式噴淋間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組，如圖6（a）所示。與艾默生網(wǎng)絡能源公司開發(fā)出的板式噴淋間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組所不同的是，該空調機組中設置了兩個板式間接換熱器A和B，在換熱器A中室外新風流經(jīng)的通道內噴淋循環(huán)水，對機房內熱回風進行間接蒸發(fā)自然冷卻，而在換熱器B中，機房內熱回風與通過換熱器A并經(jīng)過噴淋水膜蒸發(fā)冷卻處理后的室外新風進行間接換熱，其對換熱器A中排出的室外新風所攜帶的冷量進行了二次利用。通過板式間接換熱器A和B的設置，使室外新風與機房熱回風整體上呈現(xiàn)出一種“逆流換熱”，從而進一步增強了兩種流體的換熱效率。同時，在該空調機組內DX機械制冷系統(tǒng)中的冷凝器部分被獨立設計在空調機組之外，而不是布置在室外排風處，如圖6（b）所示，這主要是由于間接換熱器A中排出的室外新風所攜帶的冷量已經(jīng)被間接換熱器B充分利用。與Munter公司已開發(fā)的板管噴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組相類似，其在數(shù)據(jù)中心的空調系統(tǒng)中應用時同樣具有“1+1+1梯級冷卻”的三種節(jié)能運行模式。

在國內，騰訊于2016年4月在貴州貴陽市搭建完成的T-block西部實驗室中，就采用了由德國DencoHappel公司開發(fā)出的板式雙換熱器噴淋間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組，如圖6（b）所示。2016年4月26日工信部對騰訊T-block進行了24小時不間斷帶載測試，當天室外環(huán)境溫度介于13.1～20.2℃，相對濕度68.5～98.3%，日照輻射值0～817W/m2，測得日電度PUE=1.0955，測試結果證明了T-block優(yōu)秀的系統(tǒng)能效。

（a）空調機組 （b）騰訊T-block西部實驗室

圖6 板式雙換熱器噴淋間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組在數(shù)據(jù)中心的應用

Fig.6 The application of spray indirect evaporative cooling air conditioning unit in data center

4.3 高壓噴霧式間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)的應用

英國Excool公司研發(fā)出一種高壓噴霧板式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組，如圖7（a）所示，經(jīng)過各種物理過濾和化學凈化處理后的水通過高壓霧化形成大量細小的霧滴，大大增加了水與室外新風的接觸面積，增強了水蒸發(fā)冷卻室外新風的效果。經(jīng)過高壓霧化的水會在室外新風的氣流中完全蒸發(fā)，以水分子的形式進入新風中被氣流帶走，理論上不需要設置集水箱，但是在實際運行中，受到室外新風狀態(tài)的影響，高壓霧化后的水存在很小的一部分不能夠被新風氣流吸收帶走，該部分霧滴隨新風氣流進入板式間接換熱器后，貼附在換熱器的壁面，依靠自身的重力和新風氣流的帶動朝著換熱器底部流動，因此需要在板式間接換熱器的下面設置一集水箱。集水箱中收集的殘留水每天定時排放掉或者對其進行物理過濾和化學凈化處理后二次利用。

高壓噴霧板式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組應用在數(shù)據(jù)中心中的形式，如圖7（b）所示，采用高架地板下送風上回風且冷通道封閉的氣流組織方案，此時需要將空調機組布置在數(shù)據(jù)中心建筑的四周圍區(qū)域。與Airedale公司開發(fā)出的填料滴淋式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組相類似，其在數(shù)據(jù)中心的空調系統(tǒng)中應用時同樣具有“1+1+1梯級冷卻”的三種節(jié)能運行模式。

（a）空調機組 （b）應用形式

圖7 高壓噴霧板式間接蒸發(fā)自然冷卻空調機組在數(shù)據(jù)中心的應用

Fig.7 Application of high pressure spray plate indirect evaporative cooling air conditioning unit in data center

5 結論

數(shù)據(jù)中心采用間接蒸發(fā)冷卻自然冷卻空調系統(tǒng)，將機房內熱回風與室外新風完全隔離，使得室外環(huán)境溫濕度的快速變化不會破壞數(shù)據(jù)機房內穩(wěn)定的熱環(huán)境，提高了IT設備運行的可靠性。間接蒸發(fā)自然冷卻空調系統(tǒng)通常具有“1+1+1梯級冷卻”的三種節(jié)能運行模式。在規(guī)劃建設數(shù)據(jù)中心基礎設施之前，就需要認真考慮數(shù)據(jù)中心建筑與空調系統(tǒng)、數(shù)據(jù)機房內氣流組織的有機結合方式，為間接蒸發(fā)冷卻自然冷卻空調系統(tǒng)應用在數(shù)據(jù)中心取得更好的節(jié)能效果創(chuàng)造條件。

[1] 殷平.數(shù)據(jù)中心研究(1):現(xiàn)狀與問題分析[J].暖通空調,2016,(8):42-53.

[2] 張海南,邵雙全,田長青.數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術研究進展[J].制冷學報,2016,(4):46-57.

[3] 王克勇,王麗,徐靖文,等.綠色數(shù)據(jù)中心空調節(jié)能技術研究[J]. 能源研究與利用,2012,(2):29-31.

[4] ASHRAE TC 9.9（美）.數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南[M].沈添鴻,楊國榮,陳?。ㄗg）.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[5] 黃翔.國內外蒸發(fā)冷卻空調技術研究進展(1)[J].暖通空調,2007,(2):24-30.

[6] 夏青,黃翔,殷清海.直接蒸發(fā)冷卻術語詮釋[J].制冷與空調,2012,(3):234-237.

[7] 夏青,黃翔,殷清海.風側間接蒸發(fā)冷卻空調技術常用術語詮釋[J].西安工程大學學報,2012,(4):507-511.

[8] 穆正浩,王穎.寧夏中衛(wèi)云計算數(shù)據(jù)中心空調設計[J]. 暖通空調,2016,(10):23-26.

[9] 黃翔,韓正林,宋姣姣,等.蒸發(fā)冷卻通風空調技術在國內外數(shù)據(jù)中心的應用[J].制冷技術,2015,(2):47-53.

Application of Indirect Evaporative Cooling Air Conditioning in Data Center at Home and Abroad

Geng Zhichao Huang Xiang She Jianli Chu Junjie

( Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

This paper introduces the data center IT equipment thermal environment requirements and data center wind side of the natural cooling method, at the same time put forward indirect evaporative cooling air conditioning technology in several different forms, mainly for indirect evaporation of natural cooling air conditioning system at home and abroad data center application form and the corresponding airflow organization scheme in the data room is given out. It is concluded that the indirect evaporative natural cooling air conditioning system will be a large-scaled new data center Air conditioning system in the future development of a trend.

Data center; Air side of free cooling; indirect evaporative cooling; application form

1671-6612（2017）05-527-06

TU83

A

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目課題（編號：2016YFC0700404）

耿志超（1990.01-），男，在讀研究生，E-mail：530733308@qq.com

黃 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2017-01-06